[发明专利]一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，尤其涉及的是一种用于模拟航空发动机涡轮叶片热障涂层作为导向叶片静止即静态、工作叶片即高速旋转工作状态的试验平台，属于航空发动机热障涂层服役环境模拟装置技术领域。

背景技术

航空发动机是飞机的动力装置，被誉为飞机的“心脏”。近年来，随着航空事业的发展，对发动机性能要求不断提高，航空发动机不断向高涵道比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，发动机高温部件的工作温度越来越高，发展到第四代战斗机，航空发动机的燃气进口温度已经达到了1700 °C左右，而目前最先进的镍基高温合金的极限服役温度小于1150 °C。仅仅依靠冷却技术和高温合金技术已经无法满足燃气涡轮发动机迅速发展的技术要求，由此人们提出了热障涂层的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以降低合金表面工作温度从而提高发动机的热效率。经历了几十年的高速发展，先进的热障涂层材料可以有效提高涡轮叶片使用温度200~300 °C左右。热障涂层的应用在提高发动机工作温度的同时，不仅能提高部件的抗腐蚀能力，而且可以减少燃油消耗，延长热端部件的使用寿命。因此，热障涂层技术是航空发动机热端部件热防护领域的重要发展方向。

然而，在实际服役中，航空发动机内涡轮导向叶片、燃烧室内壁、喷嘴等静态高温部件长期处于高温、高燃气冲蚀、腐蚀、高次热疲劳的恶劣服役环境，此外涡轮动叶片则需要承受很大的离心力。这些复杂的服役环境使得热障涂层发生开裂、脱落、界面分离等失效，并最终导致涂层的脱落，从而对航空发动机的安全运行造成致命威胁。因此，发展热障涂层服役环境的试验模拟技术，研究其失效的规律和机理，是热障涂层优化设计与安全应用的重要手段。热障涂层材料主要应用在静止的导向叶片以及高速旋转的涡轮叶片上，离心力的作用对热障涂层的失效性能有重要的影响。因此，要正确的理解热障涂层的破坏机理，必须对热障涂层导向叶片的静止状态、工作叶片高速旋转的状态同时进行模拟。

目前国内外航天工作者主要通过高温风洞实验、单管燃烧器、热冲击试验、红外加热结合材料力学性能试验机试验、发动机试车台整机实验等。如成来飞等人公开了一种航空发动机材料热端环境实验模拟方法与装置(专利公开号：CN1546974A)，装置将常压亚音速风洞和材料性能试验机相结合实现平板热障涂层试样的热震实验。宫声凯等人公开了一种热障涂层服役环境模拟装置及模拟环境控制方法(专利公开号：CN1699994)，利用红外加热和材料性能试验机相结合对空心圆柱形热障涂层试样进行热-力耦合实验。尽管这些方法能够模拟航空发动机高温以及机械载荷的服役环境，但这些设备大多都只针对某一特定形状(如平板状、圆盘状和圆筒状等)的试样进行实验模拟，不能在同一装置上对这几种试样都进行模拟实验以分析几何形状对热障涂层失效的影响。同时，目前还没有一台装置能够模拟实际动态叶片高速旋转而产生强离心力的服役环境。因此，设计既能实现热障涂层应用的静态部件各种复杂形状的模拟、又能实现动态叶片高速旋转服役环境的模拟是热障涂层服役环境试验模拟技术发展的必然需求。

发明内容

为解决现有热障涂层试验模拟装置中试样形状单一、试样角度固定、缺少离心力作用等棘手难题，本发明提供了一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，为正确理解热障涂层的失效机理提供帮助。

本发明采用的技术方案为：测试平台包括动态模块和静态模块。其中动态模块包括旋转电动机、底板、旋转轴、动态试样夹具、带孔的旋转轴支撑端、石英密封室、导轨、传动电机、动态模块冷却气体入口、支座。涡轮叶片强离心力的动态服役环境模拟通过高速旋转电动机带动固定在空心旋转轴的试样高速旋转来实现。静态模块包括静态试样夹具固定孔、圆盘状静态试样夹具、石英密封室、支撑板。圆盘状静态试样夹具由中心轴、旋转圆盘和刻有角度的刻度盘组成，旋转圆盘上有四个不同形状的试样接口，可安装条状，盘状，圆柱和真实涡轮叶片形状四种不同形状的试样，中心轴前端为空心结构，冷却气体可经空心轴再由管道可进入试样接口对试样进行冷却，旋转圆盘上有角度指示线并可绕中心轴旋转，由指示线所指刻度盘的角度即可知试样与水平线或竖直线之间的夹角，实现试样与水平方向角度的调节。动、静态模块之间可进行更换，完成热障涂层分别应用在燃烧室、导向叶片等静态服役以及涡轮叶片等动态服役的模拟。耐高温、耐腐蚀、可以自由拆卸的石英室，将喷枪喷嘴前端、试样夹具及试样封闭，可以防止实验中颗粒的溅射、腐蚀气体对试验装置以及操作人员的伤害。