一種熱障涂層熱振模擬測試裝置及測試方法
【專利摘要】一種熱障涂層熱振模擬測試裝置及測試方法，該裝置燃燒系統(tǒng)中的噴嘴采用了收縮擴張噴管結(jié)構(gòu)，樣品采用了大尺寸的板狀鎳基合金基體與相同尺寸大小的氣包連接，形成了類似于燃氣輪機葉片中空的冷卻結(jié)構(gòu)，噴涂了涂層后，將其與中空送風(fēng)管進行連接，插入轉(zhuǎn)盤的安裝孔中固定，由伺服電機控制單元控制樣品的轉(zhuǎn)動角度以及加熱保溫時間，接通電源以及冷卻水后，打開氣源，即可點火開始熱振，加熱與保溫時間到后，旋轉(zhuǎn)至冷卻位置由涂層樣品冷卻風(fēng)口噴出的冷空氣進行冷卻，樣品完成一次熱振，并記錄于控制與顯示器中；采用本發(fā)明裝置以近似真實工況條件，模擬熱障涂層高溫、高速焰流環(huán)境下的熱振與高溫焰流沖刷過程，可提高測試結(jié)果的準確性、真實性。
【專利說明】
一種熱障涂層熱振模擬測試裝置及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱障涂層熱振模擬測試裝置及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃氣輪機熱通道部件運行工況惡劣，最高溫度接近1500攝氏度。熱障涂層是燃氣輪機熱通道部件的防護手段之一，應(yīng)用于熱通道部件表面對金屬本體進行保護，防止金屬本體在高溫下，發(fā)生抗氧化、屈服、蠕變等失效。燃氣輪機具有啟動頻繁的特點，熱障涂層在燃機啟停過程中受到高溫高速焰流的熱振、沖刷等作用而發(fā)生失效。在熱障涂層熱振壽命評價過程中，尚無統(tǒng)一、完整的測試系統(tǒng)可在近真實工況下模擬熱障涂層的熱振、高溫氣流對涂層的沖刷過程。目前通常采取兩種方式進行模擬考核熱障涂層的熱振性能。第一種為通過高溫爐、電磁波等方式將涂層加熱至熱障涂層常見運行溫度，如1000-1200攝氏度，然后通過急速風(fēng)冷或水冷等方式將涂層和基體整體降溫至300攝氏度以下或室溫狀態(tài)。第二種為通過設(shè)計專用的裝置，通過火焰加熱涂層，在樣品的基體側(cè)，通過調(diào)整冷卻空氣將基體溫度維持在一定溫度，達到一定時間的保溫狀態(tài)后，通過急速風(fēng)冷或水冷的方式將涂層冷卻至300攝氏度以下或室溫狀態(tài)。與第一種方式相比，第二種方式更接近燃機熱障涂層的運行工況，即實現(xiàn)了梯度熱振，與真實工況接近。但這種熱振過程采用的燃燒氣流速度遠遠低于真實的焰流速度，無法模擬出高溫氣流對涂層的沖刷作用。
[0003]真實工況下，熱障涂層不僅僅受到熱振，還存在高溫下氣流的沖刷作用，傳統(tǒng)測試方法中，僅僅模擬了熱障涂層受到的熱振過程，無法模擬高溫氣流對涂層的沖刷作用。此夕卜，傳統(tǒng)熱振模擬通常選用的是小型幣狀試樣，典型的試樣規(guī)格為25.4mmX3mm。這種小型試樣在熱振過程中，試樣邊界對測試結(jié)果影響極大，導(dǎo)致涂層從樣品邊界開始脫落，并向樣品中心進行擴展，這與真實涂層服役過程中的失效不符，涂層過早失效。對涂層的真實熱振壽命產(chǎn)生誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明目的在于提供一種熱障涂層熱振模擬測試裝置及測試方法，通過更接近真實工況的條件測試熱障涂層的熱振性能，以提高熱振性能測試結(jié)果的準確性。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種熱障涂層熱振模擬測試裝置，包括安裝于噴燃器支座15上的燃燒室2，燃燒室2的一端通過管路連接冷卻水、燃氣和空氣，燃燒室2的另一端插入噴嘴3，噴嘴3端部安裝有點火器4;板狀鎳基合金基體6與相同尺寸大小的冷卻氣包17連接，形成中空結(jié)構(gòu)，板狀鎳基合金基體6噴涂熱障涂層后，中空結(jié)構(gòu)與中空送風(fēng)管16連接并插入轉(zhuǎn)盤8的安裝孔9中，通過螺釘與轉(zhuǎn)盤8連接;伺服電機控制與顯示器14與轉(zhuǎn)盤8的伺服電機連接，設(shè)定并控制轉(zhuǎn)盤8的旋轉(zhuǎn)角度并定位，轉(zhuǎn)盤8旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度后中空送風(fēng)管16與連接有空氣的氣管11正對，氣管11上設(shè)置有彈簧10，通過彈簧10自動將氣管11送入中空送風(fēng)管16末端的錐形孔中，并對接供氣;所述轉(zhuǎn)盤8上設(shè)置板狀鎳基合金基體6的個數(shù)為4-8個;還包括連接有空氣的對板狀鎳基合金基體6進行冷卻的涂層樣品冷卻風(fēng)口 7。
[0007]所述噴嘴3采用了收縮擴張噴管結(jié)構(gòu)，其喉部的直徑為5_30mm，喉部下游擴張角度為0-30°，長度為5-250_，噴嘴3采用水冷或空氣冷卻方式，噴嘴3采用耐熱鋼制造。
[0008]所述板狀鎳基合金基體6的尺寸不小于80mm X 80mm，背面的冷卻氣包17的出氣孔與板狀鎳基合金基體6背面距離為冷卻氣包17的出氣孔為矩形孔或圓形孔，圓形孔的孔徑為0.5mm-10mm。
[0009]上述所述的熱障涂層熱振模擬測試裝置的測試方法，將板狀鎳基合金基體6、冷卻氣包17及其中空送風(fēng)管16插入轉(zhuǎn)盤8的安裝孔9中，調(diào)整方向后固定于樣品轉(zhuǎn)盤8上，插上電源13，通過伺服電機實現(xiàn)所述板狀鎳基合金基體6及轉(zhuǎn)盤8的旋轉(zhuǎn)，通過伺服電機控制與顯示器14控制轉(zhuǎn)盤8的旋轉(zhuǎn)角度；中空送風(fēng)管16與氣管11通過轉(zhuǎn)盤8旋轉(zhuǎn)定位后對接，冷卻氣體通過中空送風(fēng)管16內(nèi)部通道進入中空結(jié)構(gòu)對板狀鎳基合金基體6進行冷卻；打開氣源和冷卻水，在伺服電機控制與顯示器14中通過點擊“開始”按鈕開始點火，并計時，運行過程中板狀鎳基合金基體6受到高溫高速火焰5加熱到規(guī)定時間后，由伺服電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤8將加熱后的板狀鎳基合金基體6旋轉(zhuǎn)到冷卻位置，由涂層樣品冷卻風(fēng)口 7進行冷卻，同時下一個板狀鎳基合金基體6進入加熱位置進行加熱。
[0010]冷卻過程中，所述中空送風(fēng)管16與氣管11的連接采用了動態(tài)連接方式，中空送風(fēng)管16與氣管11的對接口為錐形結(jié)構(gòu)，氣管11底部通過彈簧10對氣管11施加向上的力，使氣管11頂端與中空送風(fēng)管16形成公母配合連接，氣管11上下伸縮距離為l_30mm。
[0011 ]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0012]I)通過不同結(jié)構(gòu)的噴嘴，再配合燃氣壓力和流量調(diào)整，調(diào)節(jié)燃燒焰流速度，以更真實的工況，模擬熱障涂層高溫、高速焰流環(huán)境下的熱振和高溫焰流沖刷過程，以提高測試結(jié)果的準確性、真實性。
[0013]2)采用了大型板狀試樣，其面積遠大于焰流與涂層作用的區(qū)域，減少了涂層在熱振過程中受到涂層邊界的影響，以提高測試結(jié)果的準確性。
[0014]3)樣品采用了氣包冷卻方式，提高了冷卻的均勻性，同時降低了樣品邊緣急冷引起涂層從邊緣脫落的可能性。板狀鎳基合金基體與相同尺寸大小的氣包連接，形成了類似于燃氣輪機葉片中空的冷卻結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為中空送風(fēng)管與氣管對接示意圖。
[0017]圖中:1-壓力表，2-燃燒室，3-噴嘴，4-點火器，5-高溫高速火焰，6_板狀鎳基合金基體，7-涂層樣品冷卻風(fēng)口，8-轉(zhuǎn)盤，9-安裝孔，I O-彈簧，11-氣管，12-箱體，13-電源，14-伺服電機控制與顯不器，15-噴燃器支座，16-中空送風(fēng)管，17-7令卻氣包。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0019]如圖1和圖2所示，本發(fā)明裝置的安裝和使用過程為:首先氣路、冷卻水管路與燃燒室2進行連接，采用喉部直徑為15_，擴展角度為10°，長度為25_的耐熱鋼制噴嘴3插入于燃燒室2內(nèi)，并通過螺紋連接，將點火器4安裝于噴嘴3前端，將上述連接好的燃燒系統(tǒng)，安裝于噴燃器支座15上。將10mmX 10mm板狀鎳基合金基體6與相同尺寸大小的冷卻氣包17連接，形成中空結(jié)構(gòu)，然后對板狀鎳基合金基體6噴涂熱障涂層，噴涂完畢后，將其與中空送風(fēng)管16進行連接，插入轉(zhuǎn)盤8中的安裝孔9中，并通過螺釘與轉(zhuǎn)盤8連接。在伺服電機控制與顯示器14中設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為90°，并進行定位，使其每次旋轉(zhuǎn)90°后中空送風(fēng)管16與氣管11正對，通過彈簧10自動將氣管11送入中空送風(fēng)管16末端的錐形孔中，并對接供氣。插上電源13，打開氣源、冷卻水等，在伺服電機控制與顯示器14中通過點擊“開始”按鈕開始點火，并計時，啟動熱振，加熱時間到后，旋轉(zhuǎn)至冷卻位置由涂層樣品冷卻風(fēng)口7噴出的冷空氣進行冷卻，樣品完成一次熱振，并通過伺服電機控制與顯示器14記錄熱振次數(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種熱障涂層熱振模擬測試裝置，其特征在于:包括安裝于噴燃器支座(15)上的燃燒室(2)，燃燒室(2)的一端通過管路連接冷卻水、燃氣和空氣，燃燒室(2)的另一端插入噴嘴(3)，噴嘴(3)端部安裝有點火器(4);板狀鎳基合金基體(6)與相同尺寸大小的冷卻氣包(17)連接，形成中空結(jié)構(gòu)，板狀鎳基合金基體(6)噴涂熱障涂層后，中空結(jié)構(gòu)與中空送風(fēng)管(16)連接并插入轉(zhuǎn)盤(8)的安裝孔(9)中，通過螺釘與轉(zhuǎn)盤(8)連接;伺服電機控制與顯示器(14)與轉(zhuǎn)盤(8)的伺服電機連接，設(shè)定并控制轉(zhuǎn)盤(8)的旋轉(zhuǎn)角度并定位，轉(zhuǎn)盤(8)旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度后中空送風(fēng)管(16)與連接有空氣的氣管(11)正對，氣管(11)上設(shè)置有彈簧(10)，通過彈簧(10)自動將氣管(11)送入中空送風(fēng)管(16)末端的錐形孔中，并對接供氣;所述轉(zhuǎn)盤(8)上設(shè)置板狀鎳基合金基體(6)的個數(shù)為4-8個;還包括連接有空氣的對板狀鎳基合金基體(6)進行冷卻的涂層樣品冷卻風(fēng)口(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱障涂層熱振模擬測試裝置，其特征在于:所述噴嘴(3)喉部的直徑為5-30mm，喉部下游擴張角度為0-30°，長度為5_250mm，噴嘴(3)采用水冷或空氣冷卻方式，噴嘴(3)采用耐熱鋼制造。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱障涂層熱振模擬測試裝置，其特征在于:所述板狀鎳基合金基體(6)的尺寸不小于80mm X 80mm，背面的冷卻氣包(17)的出氣孔與板狀鎳基合金基體(6)背面距離為冷卻氣包(17)的出氣孔為矩形孔或圓形孔，圓形孔的孔徑為0.5mm-10mmo4.權(quán)利要求1至3任一項所述的熱障涂層熱振模擬測試裝置的測試方法，其特征在于:將板狀鎳基合金基體(6)、冷卻氣包(17)及其中空送風(fēng)管(16)插入轉(zhuǎn)盤(8)的安裝孔(9)中，調(diào)整方向后固定于樣品轉(zhuǎn)盤(8)上，插上電源(13)，通過伺服電機實現(xiàn)所述板狀鎳基合金基體(6)及轉(zhuǎn)盤(8)的旋轉(zhuǎn)，通過伺服電機控制與顯示器(14)控制轉(zhuǎn)盤(8)的旋轉(zhuǎn)角度；中空送風(fēng)管(16)與氣管(11)通過轉(zhuǎn)盤(8)旋轉(zhuǎn)定位后對接，冷卻氣體通過中空送風(fēng)管(16)內(nèi)部通道進入中空結(jié)構(gòu)冷卻氣包(17)對板狀鎳基合金基體(6)進行冷卻;打開氣源和冷卻水，在伺服電機控制與顯示器(14)中通過點擊“開始”按鈕開始點火，并計時，運行過程中板狀鎳基合金基體(6)受到高溫高速火焰(5)加熱到規(guī)定時間后，由伺服電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤(8)將加熱后的板狀鎳基合金基體(6)旋轉(zhuǎn)到冷卻位置，由涂層樣品冷卻風(fēng)口(7)進行冷卻，同時下一個板狀鎳基合金基體(6)進入加熱位置進行加熱。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測試方法，其特征在于:冷卻過程中，所述中空送風(fēng)管(16)與氣管(II)的連接采用了動態(tài)連接方式，中空送風(fēng)管(16)與氣管(II)的對接口為錐形結(jié)構(gòu)，氣管(11)底部通過彈簧(10)對氣管(11)施加向上的力，使氣管(11)頂端與中空送風(fēng)管(16)形成公母配合連接，氣管(11)上下伸縮距離為l_30mm。
【文檔編號】G01N3/60GK105823701SQ201610299134
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】李太江, 李巍, 李勇, 楊二娟, 劉剛, 李聚濤
【申請人】華能國際電力股份有限公司, 西安熱工研究院有限公司