一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，属于高温结构材料力学性能测试技术领域。目的是为了解决航空发动机空心气冷高压涡轮叶片材料在双热梯度下的综合力学性能测试问题。具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置主要包括高温加热炉、隔热器、转接夹具等部件。高温加热炉用于实现预定测试温度及其精度，基于梯度隔热设计原理的隔热器能够实现沿薄壁管件轴向的线性热梯度，加工通孔的转接夹具通过引入冷却气体实现薄壁管件壁厚上的热梯度。本发明专利技术的优点是基于隔热器产生的线性热梯度和转接夹具引入冷却气体产生的热梯度，实现了薄壁管件在轴向和壁厚上的双热梯度效果，从而可开展不同空间双热梯度条件下的力学性能测试。

A mechanical property test device with space dual thermal gradient function

【技术实现步骤摘要】
一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置
本专利技术公开了一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，用于航空发动机空心气冷高压涡轮叶片材料的轴向疲劳和持久/蠕变等综合力学性能测试，属于高温结构材料力学性能测试

技术介绍
航空发动机空心气冷高压涡轮叶片在实际服役环境下需通过气体冷却来降低工作温度，保证其在“舒适”的温度区间内正常运转。随着先进航空发动机推重比和综合经济指标的提升，气体冷却效率不断提高，从而导致空心气冷高压涡轮叶片工作于复杂空间热梯度场的严酷高温环境中。这种复杂空间热梯度场的形成有两个原因：一是由于燃烧室喷射的高温燃气流经高压涡轮导向叶片后，空心气冷高压涡轮叶片叶根到叶尖的温度不同，叶根温度较低，但叶尖温度较高，从而产生沿空心气冷高压涡轮叶片的径向热梯度，二是因为空心气冷高压涡轮叶片经常采用高效的内部冷却方法，内壁温度较低，但外壁温度较高，从而产生沿空心气冷高压涡轮叶片壁厚的热梯度。可以看出，发动机空心气冷高压涡轮叶片正是在这种双热梯度的极端服役环境下工作，将会发生体积变化，从而产生热应变。当空心气冷高压涡轮叶片的热应变受到约束不能自由发展时，就会产生热应力。相关研究表明，由非均匀的温度分布即热梯度产生的热应力最为常见，开展航空发动机空心气冷高压涡轮叶片材料在这种双热梯度场下的力学性能和损伤演化规律研究工作可为航空发动机综合性能的提升提供科学依据和技术支持。开展航空发动机空心气冷高压涡轮叶片材料在热梯度场下的科学研究工作，离不开其在热梯度场下的综合力学性能试验，从而获得试验数据结果，建立设计用曲线和理论方法，用于航空发动机空心气冷高压涡轮叶片的结构设计和强度评估。据相关资料调研，国内外对处在热梯度场下的航空发动机热端部件材料的力学行为研究较少，但这种热梯度对高温结构材料的性能的影响已有一些工作得到充分的体现，即不能由等温温度场来等效描述。例如，国外Hayashi教授研究表明，当疲劳试样存在热梯度(热梯度为200～400℃/mm)时，其疲劳寿命比试样处于最大温度时的等温疲劳寿命短。可以看出，高温结构材料在热梯度场和等温环境下的力学性能和寿命具有明显的区别，不能仅仅采用等温环境下的高温结构材料试验数据来研究其力学性能和寿命，还必须要考虑热梯度场对高温结构材料力学性能和寿命的影响。目前现有的测试设备主要是在等温环境下开展材料的力学性能试验，尽管试验结果已成功应用于航空发动机的结构设计和强度评估，对航空发动机的研制提供了丰富的数据支持，但同时也要开展高温结构材料在热梯度场下的力学性能试验，充分考虑材料的温度敏感性，研究热应力叠加机械应力条件下高温结构材料的力学性能和寿命。因此，根据空心气冷高压涡轮叶片真实服役的试验技术需求，急需设计和制备出一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，从而开展空心气冷高压涡轮叶片材料的综合力学性能试验研究工作，为航空发动机空心气冷高压涡轮叶片的结构设计和强度评估提供技术支持。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，其目的是提供一种结构简单，操作灵活且采用模块化设计的具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，与诸如疲劳试验机和持久/蠕变试验机配合，从而实现航空发动机空心气冷高压涡轮叶片材料在复杂热梯度场条件下的综合力学性能试验。采用本专利技术提出的力学性能试验装置能够确保空心气冷高压涡轮叶片材料在可控的热梯度下进行力学性能试验，可以获得热梯度影响的力学性能和寿命数据，从而满足空心气冷高压涡轮叶片研制对高温结构材料性能数据的需求。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：该种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置包括一个高温加热炉8，试样被加工成薄壁管件1，薄壁管件1的两端安装在试验机的转接夹具3上置于高温加热炉8中间位置，转接夹具3与试验机的加载轴直接连接，沿上、下两端转接夹具的3的中轴线分别加工有与薄壁管件1中心通孔2对应相通进气孔4、排气孔6，进气孔4的外端通过进气金属管5连接空气压缩机，排气孔6的外端通过排气金属管7将加热的冷却气体排出；在高温加热炉8的炉腔9内的中间，安装一环状、中空、柱状的隔热器10，使薄壁管件1位于隔热器10的中心轴位置，隔热器10的中间环状内壁17为竖直面，隔热器10的外侧环状外壁19的上、下两端向中心收敛呈对称的锥形面。在一种实施中，在隔热器10的上、下端面上加工有沿圆周均匀排列的进气管12和排气管13用于向隔热器10的内腔20中充排冷却气体。在一种实施中，进气管12和排气管13交错排列，数量相等。在一种实施中，薄壁管件1是一个呈“哑铃”状的薄壁试样，与转接夹具3之间采用螺纹连接。在一种实施中，所述高温加热炉8采用对开方式，该高温加热炉8由内到外的三层结构分别为：耐火层14、保温层15、不锈钢层16。在一种实施中，所述隔热器10由陶瓷制成。在一种实施中，所述隔热器10的上、下端面的圆形开口处设置环形密封圈18，与中间环状内壁17形成中空腔体11。在一种实施中，所述薄壁管件1的壁厚为0.5～2mm。本专利技术技术方案的特点及有益效果是：1、隔热器10选用耐高温、防氧化的高品质陶瓷，不容易发生氧化烧蚀，稳定工作时间长。2、隔热器10采用梯度隔热设计原理，并与内腔20内流动冷却气体协同工作，保证在隔热器10的中间环状内壁17上产生线性温度分布，从而实现薄壁管件1在轴向上的热梯度，薄壁管件1圆柱形通孔2通冷却气体后，可在薄壁管件1的壁厚方向上形成稳定的热梯度，因此，通过以上两股冷却气体的协同工作，可同时实现薄壁管件在轴向和壁厚上的双热梯度效果。3、通过改变隔热器10外侧环状外壁19的弯度，以及调节两股冷却气体的流量和压力，从而可以开展不同空间双热梯度条件下的力学性能试验。附图说明图1为本专利技术装置的结构示意图。图2为图1的A-A剖面图。具体实施方式以下将结合附图和实施例对本专利技术装置作进一步地详述：参照附图1-图2所示，该种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，其特征在于：所述薄壁管件1是一个呈“哑铃”状的试样，薄壁管件1的壁厚为0.5～2mm，沿薄壁管件1中轴线加工有用于通入冷却气体的圆柱形通孔2，薄壁管件1两端通过螺纹安装在试验机的转接夹具3上，完成各种试验载荷的稳定传递，沿转接夹具3的中轴线加工有与通孔2对应相通的进气孔4，进气孔4的外端通过进气金属管5连接空气压缩机，沿另一端转接夹具3的中轴线加工有与通孔2对应相通的排气孔6，排气孔6的外端通过排气金属管7将加热的冷却气体排出，当需要冷却气体时，启动空气压缩机提供相应规格的冷却气体，冷却气体通过进气金属管5输入到薄壁管件1的通孔2中，然后冷却气体流经转接夹具3的排气孔6，接着从排气金属管7将加热的冷却气体排出，完成冷却气体在薄壁管件1中的流动，从而实现薄壁管件1的内部冷却，并形成沿薄壁管件1壁厚方向的热梯度，在薄壁管件1的周围安装一个具备热梯度功能的高温加热炉8，使薄壁管件1位于高温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，其特征在于：该装置包括一个高温加热炉(8)，试样被加工成薄壁管件(1)，薄壁管件(1)的两端安装在试验机的转接夹具(3)上置于高温加热炉(8)中间位置，转接夹具(3)与试验机的加载轴直接连接，沿上、下两端转接夹具的(3)的中轴线分别加工有与薄壁管件(1)中心通孔(2)对应相通进气孔(4)、排气孔(6)，进气孔(4)的外端通过进气金属管(5)连接空气压缩机，排气孔(6)的外端通过排气金属管(7)将加热的冷却气体排出；在高温加热炉(8)的炉腔(9)内的中间，安装一环状、中空、柱状的隔热器(10)，使薄壁管件(1)位于隔热器(10)的中心轴位置，隔热器(10)的中间环状内壁(17)为竖直面，隔热器(10)的外侧环状外壁(19)的上、下两端向中心收敛呈对称的锥形面。/n

【技术特征摘要】
1.一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，其特征在于：该装置包括一个高温加热炉(8)，试样被加工成薄壁管件(1)，薄壁管件(1)的两端安装在试验机的转接夹具(3)上置于高温加热炉(8)中间位置，转接夹具(3)与试验机的加载轴直接连接，沿上、下两端转接夹具的(3)的中轴线分别加工有与薄壁管件(1)中心通孔(2)对应相通进气孔(4)、排气孔(6)，进气孔(4)的外端通过进气金属管(5)连接空气压缩机，排气孔(6)的外端通过排气金属管(7)将加热的冷却气体排出；在高温加热炉(8)的炉腔(9)内的中间，安装一环状、中空、柱状的隔热器(10)，使薄壁管件(1)位于隔热器(10)的中心轴位置，隔热器(10)的中间环状内壁(17)为竖直面，隔热器(10)的外侧环状外壁(19)的上、下两端向中心收敛呈对称的锥形面。


2.根据权利要求1所述的具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置，其特征在于：在隔热器(10)的上、下端面上加工有沿圆周均匀排列的进气管(12)和排气管(13)用于向隔热器(10)的内腔(20)中充排冷却气体。


3.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：董成利，王浩，李兴无，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11