一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统技术方案

一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，包括工作状态模拟设备、服役环境模拟设备和检测设备；工作状态模拟设备设置于待测涡轮叶片热障涂层一侧，与待测涡轮叶片热障涂层连接，用于模拟待测涡轮叶片热障涂层的高速旋转工作状态；服役环境模拟设备设置于待测涡轮叶片热障涂层另一侧，用于模拟待测涡轮叶片热障涂层在高速旋转工作状态下的服役环境；检测设备，用于对待测涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中高速旋转时产生的损伤进行检测。通过本发明专利技术提供的实验测试系统对待测涡轮叶片热障涂层进行工作状态模拟和服役环境模拟，以便对涡轮叶片热障涂层失效过程中关键损伤参量进行实时检测，对实现热障涂层的工艺优化与自主设计提供技术支持。

A Simulated Test System for Turbine Blade Thermal Barrier Coating

A turbo blade thermal barrier coating working condition simulation test system includes working condition simulation equipment, service environment simulation equipment and testing equipment. The working condition simulation equipment is set on the side of the thermal barrier coating of the turbine blade to be measured and connected with the thermal barrier coating of the turbine blade to simulate the high-speed rotating working condition of the thermal barrier coating of the turbine blade to be measured. Set on the other side of the thermal barrier coating of the turbine blade to be tested to simulate the service environment of the thermal barrier coating of the turbine blade under the high-speed rotating working condition; the detection equipment is used to detect the damage caused by the thermal barrier coating of the turbine blade when it rotates at the high-speed in the service environment. The experimental test system provided by the invention simulates the working state and service environment of the thermal barrier coating of the measured turbine blade, so as to detect the key damage parameters in the process of the failure of the thermal barrier coating of the turbine blade in real time, and to provide technical support for the process optimization and self-design of the thermal barrier coating.

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统
本专利技术涉及航空发动机高压涡轮叶片热障涂层的测试领域，具涉及一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统。
技术介绍
航空发动机是体现国家核心竞争力的重要标志，高压涡轮叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件，也是制约发动机的短板，迫切需要热防护技术。三大热防护技术中，单晶与冷却气膜技术的发展潜力已十分有限，热障涂层被公认为是提升发动机服役温度最切实可行的办法，世界各航空强国均在重大推进计划中把热障涂层列为核心关键技术，我国也已经把热障涂层列为先进航空发动机发展迫切需求的关键技术。应用在高压涡轮叶片的热障涂层，需面临高温、高速的燃气热冲击，颗粒冲蚀、钙镁铝硅氧化物(简称CMAS)腐蚀等极端苛刻的服役环境，尤其是高压转子工作叶片，还需面临高速旋转离心力、以及高速旋转与燃气交互作用产生的湍流、尾迹、热斑等载荷，致使涂层发生极难的剥落失效，成为制约热障涂层发展与应用的巨大瓶颈。研究服役环境下热障涂层剥落失效的机理，是改进工艺、优化设计的核心与关键。然而，这些环境依靠常规的拉伸、弯曲、热力疲劳、热冲击等实验方法是不现实的，但在实际的发动机上试车需耗费巨大的人力和财力，也失去了失效过程损伤参量演变的实验数据。因此，研制其服役工况的实验测试装置尤为重要。目前国际国内针对热障涂层服役工况的实验装置开展了大量的工作，主要的进展包括以下几个方面：一是用于模拟高温氧化、热疲劳等工况的装置，包括高温炉、自动热循环炉等；二是以燃气热冲击为主的工况实验装置，如NASA的高压燃气模拟与测试装置能模拟燃气流速和工作压力，又如德国国家能源研究中心研制的热障涂层冲蚀装置可以模拟高温冲蚀、热冲击、温度梯度等服役环境，湘潭大学前期研制的服役环境模拟与测试装置，可以实现高温、冲蚀、CMAS腐蚀服役环境的一体化模拟。三是高速旋转离心力的模拟实验装置，如北京航空航天大学采用材料试验机与电加热的方式，模拟热障涂层高速旋转的离心拉应力与高温载荷的共同作用。荷兰的NLR和加拿大的NRC航空研究中心的LCS-4B、LCS-4C高速燃气装置、美国Cincinnati大学研制的动态模拟装置可以实现初步实现旋转状态的模拟，但因核心保密尚无工作原理示意图及具体结构报道。但截至目前，还没有继实现高温、冲蚀、CMAS腐蚀服役环境与高速旋转工作状态的同时模拟，更没有实现在这一模拟实验过程中热障涂层失效过程的检测。本专利技术拟研制一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试装置，可实现高温、冲蚀、CMAS腐蚀服役环境与高速旋转工作状态的同时模拟；实现导向叶片热障涂层与工作叶片热障涂层的同时检测；同时实现涡轮叶片热障涂层失效过程的实时检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够模拟涡轮叶片热障涂层服役环境并对涡轮叶片热障涂层关键损伤进行实时检测的装置。为实现上述目的，本专利技术的提供了一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，包括：工作状态模拟设备、服役环境模拟设备和检测设备；工作状态模拟设备设置于待测涡轮叶片热障涂层一侧，与待测涡轮叶片热障涂层连接，用于模拟待测涡轮叶片热障涂层的高速旋转工作状态；服役环境模拟设备设置于待测涡轮叶片热障涂层另一侧，用于模拟待测涡轮叶片热障涂层在高速旋转工作状态下的服役环境；检测设备，用于对待测涡轮叶片热障涂层在服役环境中高速旋转时产生的损伤进行检测。进一步地，工作状态模拟设备包括第一电机、低速轴、齿轮箱、高速轴；第一电机与低速轴一端连接，带动低速轴做转动运动；齿轮箱内设置有相互啮合的第一齿轮和第二齿轮；第一齿轮的半径大于第二齿轮的半径；低速轴另一端与第一齿轮连接，带动第一齿轮转动，第一齿轮带动第二齿轮做转动；第二齿轮与高速轴一端连接，带动高速轴转动；高速轴另一端连接待测涡轮叶片热障涂层，带动待测涡轮叶片热障涂层高速旋转。进一步地，工作状态模拟设备包括负载压气机；负载压气机与第二齿轮连接，用于吸收待测涡轮叶片热障涂层高速旋转过程中产生的能量，使待测涡轮叶片热障涂层平稳转动。进一步地，服役环境模拟设备包括：高温热冲击加载装置，用于提供高温工况服役的模拟环境；冲蚀工况加载装置，用于提供冲蚀工况服役的模拟环境；腐蚀工况加载装置，用于提供腐蚀工况服役的模拟环境；冷却工况加载装置，用于提供对待测涡轮叶片热障涂层进行冷却的温度梯度工况服役的模拟环境。进一步地，高温热冲击加载装置包括可燃液体供给部件、助燃气体供给部件和喷射部件；可燃液体供给部件与喷射部件的输入端连通，将可燃液体输入喷射部件；助燃气体供给部件与喷射部件的输入端连通，将助燃气体输入喷射部件；助燃气体为可燃液体助燃；喷射部件的输出端对准待测涡轮叶片热障涂层，将燃烧后的高温气体喷射到待测涡轮叶片热障涂层。进一步地，冲蚀工况加载装置包括冲蚀颗粒存储器、第一精密送粉机和第二电机；冲蚀颗粒存储器储存冲蚀颗粒；第一精密送粉机分别与冲蚀颗粒存储器和喷射部件连通，将冲蚀颗粒输送至喷射部件，与高温气体混合；第二电机与第一精密送粉机电连接，给精密送粉机供电；喷射部件的输出端对准待测涡轮叶片热障涂层，将混合后的高温气体喷射到待测涡轮叶片热障涂层。进一步地，冲蚀工况加载装置还包括第一管道、第一流量控制器和第一调压阀；第一精密送粉机与喷射部件通过第一管道连通；第一管道上设置有第一流量控制器和第一调压阀，分别控制冲蚀颗粒传输的流量和压力。进一步地，腐蚀工况加载装置包括腐蚀颗粒存储器、第二精密送粉机和第三电机；腐蚀颗粒存储器储存腐蚀颗粒；第二精密送粉机分别与腐蚀颗粒存储器和喷射部件连通，将腐蚀颗粒输送至喷射部件，与高温气体混合；第三电机与第二精密送粉机电连接，给第二精密送粉机供电；喷射部件的输出端对准待测涡轮叶片热障涂层，将混合后的高温气体喷射到待测涡轮叶片热障涂层。进一步地，腐蚀工况加载装置还包括第二管道、第二流量控制器和第二调压阀；第二精密送粉机与喷射部件通过第二管道连通；第二管道上设置有第二流量控制器和第二调压阀，分别控制腐蚀颗粒传输的流量和压力。进一步地，冷却工况加载装置包括空气压缩机、空气加热机和第四电机；空气压缩机与空气加热机连通，将压缩后的空气输入空气加热机；第四电机与空气加热机电连接，给空气加热机供电；空气加热机将空气压缩机压缩后的空气加热，并输入至包括待测涡轮叶片热障涂层和喷射部件在内的高温部件。进一步地，空气压缩机还与高温热冲击加载装置连通，为高温热冲击加载装置提供助燃气体。进一步地，负载压气机与空气压缩机连通，将吸收的能量输出给空气压缩机。进一步地，负载压气机与高温热冲击加载装置连通，为高温热冲击加载装置提供助燃气体。进一步地，检测设备包括：非接触式三维变形测试模块，用于对待测试涡轮叶片热障涂层的应力场、应变场和位移场进行实时检测；温度测试采集模块，用于对待测试涡轮叶片热障涂层、待测试涡轮叶片热障涂层所处环境和服役环境模拟设备的温度进行实时测试并采集；高速CCD摄像模块，用于对待测涡轮叶片热障涂层在服役环境中进行高速旋转的工作状态进行拍摄；声发射检测系统模块，用于对待测涡轮叶片热障涂层在服役环境中进行高速旋转的工作状态下产生的裂纹形成与萌生进行实时检测；红外检测系统模块，用于对待测涡轮叶片热障涂层在服役环境中进行高速旋转的工作状态下产生的界面脱层进行实时检测；复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，包括：工作状态模拟设备(1)、服役环境模拟设备(2)和检测设备(3)；所述工作状态模拟设备(1)设置于待测涡轮叶片热障涂层一侧，与所述待测涡轮叶片热障涂层连接，用于模拟所述待测涡轮叶片热障涂层的高速旋转工作状态；所述服役环境模拟设备(2)设置于所述待测涡轮叶片热障涂层另一侧，用于模拟所述待测涡轮叶片热障涂层在高速旋转工作状态下的服役环境；所述检测设备(3)，用于对待测涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中高速旋转时产生的损伤进行检测。

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，包括：工作状态模拟设备(1)、服役环境模拟设备(2)和检测设备(3)；所述工作状态模拟设备(1)设置于待测涡轮叶片热障涂层一侧，与所述待测涡轮叶片热障涂层连接，用于模拟所述待测涡轮叶片热障涂层的高速旋转工作状态；所述服役环境模拟设备(2)设置于所述待测涡轮叶片热障涂层另一侧，用于模拟所述待测涡轮叶片热障涂层在高速旋转工作状态下的服役环境；所述检测设备(3)，用于对待测涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中高速旋转时产生的损伤进行检测。2.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，所述工作状态模拟设备(1)包括第一电机(11)、低速轴(12)、齿轮箱(13)和高速轴；所述第一电机(11)与所述低速轴(12)一端连接，带动所述低速轴(12)做转动运动；所述齿轮箱(13)内设置有相互啮合的第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮的半径大于所述第二齿轮的半径；所述低速轴(12)另一端与所述第一齿轮连接，带动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮带动所述第二齿轮做转动；所述第二齿轮与所述高速轴一端连接，带动所述高速轴转动；所述高速轴另一端连接所述待测涡轮叶片热障涂层，带动所述待测涡轮叶片热障涂层高速旋转。3.根据权利要求2所述的涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，所述工作状态模拟设备(1)包括负载压气机(14)；所述负载压气机(14)与所述第二齿轮连接，用于吸收所述待测涡轮叶片热障涂层高速旋转过程中产生的能量，使所述待测涡轮叶片热障涂层平稳转动。4.根据权利要求3所述的涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，所述服役环境模拟设备(2)包括：高温热冲击加载装置(21)，用于提供高温工况服役的模拟环境；冲蚀工况加载装置(22)，用于提供冲蚀工况服役的模拟环境；腐蚀工况加载装置(23)，用于提供腐蚀工况服役的模拟环境；冷却工况加载装置(24)，用于提供对所述待测涡轮叶片热障涂层进行冷却的温度梯度工况服役的模拟环境。5.根据权利要求4所述的涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，所述高温热冲击加载装置(21)包括可燃液体供给部件(211)、助燃气体供给部件(212)和喷射部件(213)；所述可燃液体供给部件(211)与所述喷射部件(213)的输入端连通，将可燃液体输入所述喷射部件(213)；所述助燃气体供给部件(212)与所述喷射部件(213)的输入端连通，将助燃气体输入所述喷射部件(213)；所述助燃气体为所述可燃液体助燃；所述喷射部件(213)的输出端对准所述待测涡轮叶片热障涂层，将燃烧后的高温气体喷射到所述待测涡轮叶片热障涂层。6.根据权利要求5所述的涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，所述冲蚀工况加载装置(22)包括冲蚀颗粒存储器(221)、第一精密送粉机(222)和第二电机(223)；所述冲蚀颗粒存储器(221)储存冲蚀颗粒；所述第一精密送粉机(222)分别与所述冲蚀颗粒存储器(221)和所述喷射部件(213)连通，将所述冲蚀颗粒输送至所述喷射部件(213)，与所述高温气体混合；所述第二电机(223)与所述第一精密送粉机(222)电连接，给所述第一精密送粉机(222)供电；所述喷射部件(213)的输出端对准所述待测涡轮叶片热障涂层，将所述混合后的高温气体喷射到所述待测涡轮叶片热障涂层。7.根据权利要求6所述的涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，所述冲蚀工况加载装置(22)还包括第一管道(224)、第一流量控制器(225)和第一调压阀(226)；所述第一精密送粉机(222)与所述喷射部件(213)通过所述第一管道(224)连通；所述第一管道(224)上设置有第一流量控制器(225)和第一调压阀(226)，分别控制所述冲蚀颗粒传输的流量和压力。8.根据权利要求5所述的涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，其特征在于，所述腐蚀工况加载装置(23)包括腐蚀颗粒存储器(231)、第二精密送粉机(232)和第三电机(233)；所述腐蚀颗粒存储器(231)储存腐蚀颗粒；所述第二精密送粉机(232)分别与所述腐蚀颗粒存储器(23...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽，周益春，刘志远，罗毅，朱旺，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43