一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置和方法，包括高速旋转试验台、电磁感应电源、感应加热线圈、冷却罩、冷却水管、循环冷却水机、热电偶和温度显示器；利用金属的电磁感应加热原理，通过设计合理形式的感应装置实现高速旋转状态下涡轮叶片叶冠处的局部加热，叶冠局部温度升高后，通过热传导使叶根处关键考核部位的温度发生变化，调节感应加热线圈电流和频率实现叶片温度的精确控制，使之达到试验要求。同时，在涡轮盘上下两侧布置循环水冷却装置，确保叶片和涡轮盘形成梯度温度场；保证高速旋转状态下涡轮盘材料强度达标，而不会先于叶片发生低循环疲劳失效。可用于航空发动机燃气涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验。

A rotating fatigue test device and method for realizing gradient temperature field of turbine blade

【技术实现步骤摘要】
一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置及方法
本专利技术涉及一种用于实现航空发动机涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置及方法，用于航空发动机涡轮叶片的高温旋转疲劳试验领域。
技术介绍
航空发动机燃气涡轮转子包括涡轮盘、涡轮轴、涡轮叶片等零件组成，其中涡轮叶片是把高温燃气转变为转子机械能的关键部件。其工作时，不仅被经常变化的高温燃气所包围，产生温度应力；还会承受高速旋转所带来的巨大离心应力，气动力以及振动载荷。这种恶劣的工作环境使得燃气涡轮叶片成为决定航空发动机寿命的主要部件之一，叶片一旦发生破坏失效将导致极其严重的后果，因此涡轮叶片的结构强度十分重要。航空发动机在服役期间发生多次启停工况，会产生所谓的低循环疲劳问题，考虑到涡轮叶片的高温工作状态，需要开展涡轮叶片高温下的低循环疲劳试验。针对涡轮叶片高温低循环疲劳中同时存在高温、高离心应力的特点，目前的试验方法主要有三种：模拟件试验、试车台试验以及高速旋转试验台试验。模拟件试验的主要问题为：模拟件设计困难，与真实涡轮转子叶片的几何、工艺、应力状态均有一定差异。在发动机试车台上进行挂片试验能够较准确的模拟叶片的应力场和温度场，但试车台试验时需要在涡轮盘一周均布置叶片，单个叶片发生疲劳破坏失效后在机匣中与其他叶片碰撞，造成大量叶片失效并损坏机匣，试验过程复杂、试验成本巨大，且试车过程中叶片失效影响因素过多，很难专门分析高温低循环疲劳机理。在实验室利用高速旋转试验台开展叶片高温低循环旋转疲劳试验时，可以在涡轮盘上布置少数对称叶片并添加配重块，试验成本低、试验后便于收集检测和分析叶片失效模式。此时，为了模拟叶片高温工作状态，需要将燃气涡轮转子整体置于高温炉中，将涡轮盘和叶片加热到同一温度。但涡轮叶片转子在实际工作时，在叶片温度较高，涡轮盘温度较低，存在一个梯度温度场。基于此梯度温度场分布特征，实际涡轮盘所用材料与叶片材料有所不同，其适用温度范围小于叶片实际温度，若在试验中使用与实际情况相同的涡轮盘和叶片，则可能会出现涡轮盘先于叶片发生低循环疲劳失效的情况，从而无法达到考核叶片低循环疲劳寿命的目的，导致试验失败。如果选用与叶片相同材料制作试验用涡轮盘，不仅与发动机真实结构不符，还会显著增大试验成本、延长试验周期。由此可见，目前航空发动机涡轮转子叶片高温低循环旋转疲劳试验中无法实现涡轮叶片转子的梯度温度场，从而导致试验成本巨大、试验效率较低，甚至会出现涡轮盘先于叶片发生提前失效的情况。
技术实现思路
本专利技术针对现有试验技术的不足，创造性的提出通过在叶片叶冠部位进行局部感应加热，实现了从叶片顶部到叶根到涡轮盘的梯度温度分布特征，提供了一种可用于航空发动机燃气涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置及方法。本专利技术的基本原理是利用金属的电磁感应加热原理，通过设计合理形式的感应装置实现高速旋转状态下涡轮叶片叶冠处的局部加热，叶冠局部温度升高后，通过热传导使叶根处关键考核部位的温度发生变化，调节感应加热线圈电流和频率实现叶片温度的精确控制，使之达到试验要求。同时，在涡轮盘上下两侧布置循环水冷却装置，确保叶片和涡轮盘形成梯度温度场，保证高速旋转状态下涡轮盘材料强度达标，而不会先于叶片发生低循环疲劳失效。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，包括高速旋转试验台、电磁感应电源、感应加热线圈、冷却罩、冷却水管、循环冷却水机、热电偶和温度显示器；所述的高速旋转试验台包括由盖板和底座围成的试验腔体、电机、增速头、芯轴、涡轮盘和涡轮叶片；所述增速头的一端与电机连接，另一端穿过盖板中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与芯轴连接；涡轮盘安装在芯轴上，涡轮盘与涡轮叶片榫接固定；涡轮叶片的外圈设有带开口的环形感应加热线圈；带开口的环形感应加热线圈通过底座上的支架固定，并与试验腔体外部的变频感应电源连接；涡轮盘的外围设有冷却罩，冷却罩通过支撑座固定在试验腔体内；冷却罩的外壁上缠绕冷却水管，冷却水管与试验腔体外部的循环冷水机连接；涡轮叶片侧壁、涡轮盘和冷却罩表面靠近涡轮叶片的位置安装热电偶，热电偶引线与试验腔体外部的温度显示器连接。优选的，所述带开口的环形感应加热线圈到涡轮叶片顶部的距离为1.8～5.8mm，优选为1.8～3.8mm。优选的，所述高速旋转试验台的盖板上设有供冷却水管穿过的通孔，通孔处填塞绝缘胶。优选的，所述带开口的环形感应加热线圈包括绕成4/5～5/6圆环状的上下双层感应铜管，双层感应铜管由一根感应铜管来回绕制而成；感应铜管周围布置U型束磁装置，U型束磁装置开口向内；感应铜管的上方和下方分别设有绝缘上固定板和下固定板，上、下固定板之间通过螺栓紧固。优选的，所述高速旋转试验台的盖板上设有安装孔，安装孔处安装绝缘法兰，绝缘法兰上设有连接感应加热线圈中的感应铜管的接头，变频感应电源与感应铜管的接头连接。优选的，所述冷却罩包括上冷却罩和下冷却罩，所述上冷却罩套设在位于涡轮叶片上方的涡轮盘的外壁外围，下冷却罩套设在位于涡轮叶片下方的涡轮盘的外壁外围；上冷却罩和下冷却罩分别通过支撑座固定在试验腔体内。优选的，所述上冷却罩和下冷却罩的内壁与涡轮盘的外壁平行，上、下冷却罩内壁与涡轮盘外壁之间的缝隙为2～8mm，优选为2～4mm。优选的，所述冷却罩和冷却水管的材质为铜。本专利技术具备的有益效果：1)本专利技术采用感应加热线圈对叶片叶冠局部位置进行加热，使局部温度迅速升高；在热传导作用下，热量向叶根及涡轮盘方向扩展，从根本上实现了整个转子的温度梯度场分布特征。盖板上的绝缘法兰确保感应加热线圈在通过盖板时其感应磁场不会对盖板产生明显的感应加热效应。变频感应电源自带电流和功率显示器，可以监测感应线圈的电流和功率变化情况；试验中，可以调节感应频率或电流的大小从而改变叶片局部位置温度场，实现叶片考核部位温度精确控制。2)本专利技术在涡轮盘的外壁上套设冷却罩，冷却罩固定在试验腔体中不随涡轮盘旋转，在铜制冷却罩上缠绕铜管，内通冷水以带走涡轮盘辐射到冷却罩上的热量，从而降低涡轮盘温度。循环冷水机可通过改变水管内压力差确保冷水在水管内具有足够的流速以带走足够热量，进一步保证了涡轮转子的梯度温度场分布特征。3)本专利技术布置多个热电偶用于检测涡轮盘和涡轮叶片典型位置处的温度，作为转子梯度温度场检测参数；由于涡轮盘和涡轮叶片上的热电偶不能随涡轮盘旋转，因此本专利技术还在冷却罩上的参考位置布置热电偶，通过涡轮盘、涡轮叶片和冷却罩上不同位置的温度值之间的关系，在试验过程中也能够通过冷却罩上的参考温度值对涡轮盘、涡轮叶片上的温度进行调控，保证了试验过程中的温度场稳定。附图说明图1为涡轮叶片梯度温度场旋转疲劳试验装置结构示意图；图2(a)为感应加热线圈结构示意图；图2(b)为感应加热线圈原理图；图3为冷却罩和冷却水管的结构示意图；图4热电偶布置位置示意图；图5为叶片旋转疲劳试验过程中温度和转速变化曲线图；图6为叶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，包括高速旋转试验台、电磁感应电源、感应加热线圈、冷却罩、冷却水管、循环冷却水机、热电偶和温度显示器；/n所述的高速旋转试验台包括由盖板和底座围成的试验腔体、电机、增速头、芯轴、涡轮盘和涡轮叶片；所述增速头的一端与电机连接，另一端穿过盖板中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与芯轴连接；涡轮盘安装在芯轴上，涡轮盘与涡轮叶片榫接固定；/n涡轮叶片的外圈设有带开口的环形感应加热线圈；带开口的环形感应加热线圈通过底座上的支架固定，并与试验腔体外部的变频感应电源连接；/n涡轮盘的外围设有冷却罩，冷却罩通过支撑座固定在试验腔体内；冷却罩的外壁上缠绕冷却水管，冷却水管与试验腔体外部的循环冷水机连接；/n涡轮叶片侧壁、涡轮盘和冷却罩表面靠近涡轮叶片的位置安装热电偶，热电偶引线与试验腔体外部的温度显示器连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，包括高速旋转试验台、电磁感应电源、感应加热线圈、冷却罩、冷却水管、循环冷却水机、热电偶和温度显示器；
所述的高速旋转试验台包括由盖板和底座围成的试验腔体、电机、增速头、芯轴、涡轮盘和涡轮叶片；所述增速头的一端与电机连接，另一端穿过盖板中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与芯轴连接；涡轮盘安装在芯轴上，涡轮盘与涡轮叶片榫接固定；
涡轮叶片的外圈设有带开口的环形感应加热线圈；带开口的环形感应加热线圈通过底座上的支架固定，并与试验腔体外部的变频感应电源连接；
涡轮盘的外围设有冷却罩，冷却罩通过支撑座固定在试验腔体内；冷却罩的外壁上缠绕冷却水管，冷却水管与试验腔体外部的循环冷水机连接；
涡轮叶片侧壁、涡轮盘和冷却罩表面靠近涡轮叶片的位置安装热电偶，热电偶引线与试验腔体外部的温度显示器连接。


2.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述带开口的环形感应加热线圈到涡轮叶片顶部的距离为1.8～5.8mm。


3.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述高速旋转试验台的盖板上设有供冷却水管穿过的通孔，通孔处填塞绝缘胶。


4.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述带开口的环形感应加热线圈包括绕成4/5～5/6圆环状的上下双层感应铜管，双层感应铜管由一根感应铜管来回绕制而成；感应铜管周围布置U型束磁装置，U型束磁装置开口向内；感应铜管的上方和下方分别设有绝缘上固定板和下固定板，上、下固定板之间通过螺栓紧固。


5.如权利要求4所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述高速旋转试验台的盖板上设有安装孔，安装孔处安装绝缘法兰，绝缘法兰上设有连接感应加热线圈中的感应铜管的接头，变频感应电源与感应铜管的接头连接。


6.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述冷却罩包括上冷却罩和下冷却罩，所述上冷却罩套设在位于涡轮叶片上方的涡轮盘的外壁外围，下冷却罩套设在位于涡轮叶片下方的涡轮盘的外壁外围；上冷却罩和下冷却罩分别通过支撑座固定在试验腔体内。


7.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：宣海军，陈传勇，范晓敬，瞿明敏，
申请(专利权)人：浙江海骆航空科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33