[发明专利]一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统

摘要

一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，它包括加载子系统、加温子系统、气冷子系统、水冷子系统和控制子系统；加载子系统在竖直方向上夹持涡轮叶片；加温子系统水平放置于加载子系统中部，对涡轮叶片进行加热；气冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统相连；水冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统和加温子系统相连；控制子系统放置于加温子系统上部，通过线缆与加载子系统、加温子系统和气冷子系统相连；它用于空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱的模拟；本发明较好的解决了空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱模拟的难点，为航空发动机安全可靠的工作提供了技术基础和安全保障。

主权项

一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，其特征在于：它包括加载子系统、加温子系统、气冷子系统、水冷子系统和控制子系统；加载子系统在竖直方向上夹持涡轮叶片；加温子系统水平放置于加载子系统中部，对涡轮叶片进行加热；气冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统相连；水冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统和加温子系统相连；控制子系统放置于加温子系统上部，通过线缆与加载子系统、加温子系统和气冷子系统相连；它用于空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱的模拟；所述加载子系统由疲劳试验机和涡轮叶片专用夹具组成，涡轮叶片专用夹具夹持涡轮叶片后，再放置在疲劳试验机的夹头上；它用于提供热机械疲劳试验所需的机械载荷；疲劳试验机提供单轴的拉伸载荷；涡轮叶片专用夹具为自行设计加工，涡轮叶片专用夹具由上叉子座、下叉子座、销钉、叉子、涡轮盘近似件、挡板、螺钉、压紧螺栓、叶片组合夹具和垫片构成；其中，上、下叉子座为台阶轴状零件，分别固定于疲劳试验机的上、下夹头；叉子(11)、(3)通过销钉(12)、(2)与上、下叉子座连接；叉子(11)通过销钉(10)与叶片组合夹具(9)连接；挡板通过螺钉(7)与涡轮盘近似件连接；涡轮盘近似件通过其上设置的销钉孔和销钉(4)固接在叉子(3)上；该叉子为其上设置有通孔的Y形件；该涡轮盘近似件是其上设置有通孔、盲孔和榫槽的T形状件；该挡板是其上设置有通孔的矩形板料件；该叶片组合夹具为分半式台阶矩形板料结构，并分别设置有内孔、水冷孔和排气孔：其内孔与待测工件涡轮叶片的叶冠相配合，用于传递机械载荷；其水冷孔与水冷子系统相连，用于冷却叶片组合夹具；其排气孔用于排出涡轮叶片的内部冷却气流；4个压紧螺栓(8)将叶片组合夹具的两部分固定在一起，为了便于机械载荷的可靠传递，对于不带叶冠的涡轮叶片，需要在涡轮叶片的叶尖部位通过浇铸或焊接异型叶冠；涡轮叶片的榫头与涡轮盘近似件的榫槽相配合，用于模拟涡轮叶片在涡轮盘上的安装条件；涡轮盘近似件带有气冷通道，与气冷子系统相连；冷却气流通过气冷通道进入到涡轮叶片的内腔，进行涡轮叶片的内部冷却；2个挡板通过4个螺钉固定在涡轮盘近似件榫槽的两侧，防止涡轮叶片承受机械载荷时滑出榫槽以及冷却气流的泄漏；4个销钉分别连接下叉子座(1)与叉子(3)、叉子(3)与涡轮盘近似件(5)、叶片组合夹具(9)与叉子(11)、叉子(11)与上叉子座(13)；每个销钉连接的两个零件间预留有间隙恰好插入10片垫片；由销钉所连接的组件称为关节，本涡轮专用夹具共有4个关节，通过改变各个关节处垫片的组合即改变间隙左右垫片的数目，调整涡轮叶片与疲 劳试验机主轴的夹角，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、扭转变形的分量；结合上述方法，同时调整疲劳试验机的拉伸载荷，能实现涡轮叶片考核截面工作应力场的模拟；所述加温子系统由高频感应加热炉和感应加热线圈组成，其间互相连接；它用于提供热机械疲劳试验所需的热载荷；感应加热线圈为自行设计制造，采用双管分半式结构，它由2根铜管、联接铜片和塑料水管构成，塑料水管的两端分别与2根铜管的一端套接，连接铜片将2根铜管固接在一起；2根铜管和连接铜片构成电流回路；2根铜管和塑料水管构成冷却水回路；感应加热线圈与高频感应加热炉相连，并且铜管内部通有冷却水；通过改变感应加热线圈的形状以及感应加热线圈与涡轮叶片表面的距离，在不同的区域造成不同的磁漏，在涡轮叶片表面产生所需的温度梯度；结合上述方法，同时调整高频感应加热炉的输入功率，能实现涡轮叶片考核截面工作温度场的模拟；所述气冷子系统由空气压缩机、减压稳压阀、空气质量流量控制器和三通接头组成，其间通过管道互相连接；它用于提供热机械疲劳试验所需的冷却气流；空气压缩机提供连续但压强、流量均不稳定的气流；经减压稳压阀后，气流压强保持恒定；经空气质量流量控制器后，气流流量保持恒定；在空气质量流量控制器的出口处，安装有三通接头，三通接头的一个出口与涡轮盘近似件的气冷通道相连，用于模拟涡轮叶片的内部冷却；另一出口安装有常闭电磁阀，并由控制子系统控制，用于模拟涡轮叶片的外部强制冷却；所述水冷子系统由水泵和贮水箱组成，其间通过管道互相连接；它用于热机械疲劳试验过程中仪器设备的冷却；贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为两部分：一部分进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈；另一部分进入叶片组合夹具的水冷孔，用于冷却叶片组合夹具；两部分冷却水完成对仪器设备的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环；所述控制子系统由载荷控制器、温度控制器以及常闭电磁阀组成，其间通过线缆互相连接；它用于热机械疲劳试验各子系统的同步控制；载荷控制器为疲劳试验机所配备，输入机械载荷波形，输出机械载荷电压信号；机械载荷电压信号分两路：一路输入到疲劳试验机，对涡轮叶片专用夹具进行加载；另一路输入到温度控制器；温度控制器为自行设计，并与高频感应加热炉相配，输入机械载荷电压信号，根据机械载荷电压信号的增大/减小，输出高频感应加热炉的开/关信号和常闭电磁阀的关/开信号。