[发明专利]一种具备空间双热梯度功能的力学性能试验装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。采用本发明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。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：