一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，屬于航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域。所述裝置包括燃燒器、夾具、夾具支撐臺、可移動平臺、支撐架、鼓風機、爐體和排氣裝置。燃燒器、鼓風機和夾具都集成在爐體上，所述支撐架上固定爐體，并通過可移動平臺連接夾具支撐臺，夾具支撐臺上固定夾具，燃燒器和排氣裝置位于爐體側(cè)面；試驗時圓管試驗件內(nèi)始終通過鼓風機提供高壓冷卻空氣，用于在圓管試驗件內(nèi)外產(chǎn)生溫度梯度，以模擬熱障涂層和高溫合金的真實工作環(huán)境。本發(fā)明真實的模擬發(fā)動機熱端部件載荷譜，試驗時能快速調(diào)整試驗件在燃氣火焰中的位置；裝置結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能和便于運輸。
【專利說明】
一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，是一種能模擬航空發(fā)動機熱端部件真實工作環(huán)境、適用于航空煤油燃燒的熱疲勞試驗裝置。該試驗裝置能實現(xiàn)室溫?1300°c燃氣的試驗條件，可用于模擬航空發(fā)動機冷狀態(tài)、啟動、最大狀態(tài)、停車等各個工作狀態(tài)。從而研究發(fā)動機熱端部件在燃氣環(huán)境下的熱疲勞行為，也可用于研究熱障涂層在燃氣環(huán)境下的氧化或熱疲勞行為。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代先進航空發(fā)動機熱端部件的工作溫度(Tt4)已經(jīng)接近1600°C，高壓渦輪導向器使用的高溫合金基體被氣膜和熱障涂層隔絕后的溫度為900°C?1050°C。目前研究熱障涂層和高溫合金的氧化行為都是在大氣環(huán)境下(空氣靜止情況下使用電阻絲加熱或者電渦流加熱)進行的，而燃氣中包含S和未充分霧化的燃油液滴，這些大氣試驗環(huán)境下沒有的成分對高溫合金和熱障涂層的氧化有很重要的影響；高速燃氣對熱障涂層也有沖蝕作用，所以在大氣環(huán)境下研究高溫合金和熱障涂層系統(tǒng)的氧化或熱疲勞行為所得到的損傷數(shù)據(jù)已經(jīng)不能達到工程應用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，該試驗裝置可以進行高溫合金和帶熱障涂層的高溫合金圓管試驗件的氧化或熱疲勞試驗。本發(fā)明提供的模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，包括燃燒器、夾具、夾具支撐臺、可移動平臺、支撐架、鼓風機、爐體和排氣裝置。夾具是本發(fā)明最重要部分，它的作用是支撐圓管試驗件和為圓管試驗件提供冷卻空氣通道。爐體是整個試驗裝置的支撐機構(gòu)，燃燒器、鼓風機和夾具等都集成在爐體上，所述支撐架上固定設(shè)置爐體，支撐架帶有腳輪方便運輸和移動。燃燒器位于爐體側(cè)面，用于產(chǎn)生高溫燃氣，其空氣流量和油門大小均可調(diào)。鼓風機固定在支撐架上，位于爐體下方，通過進氣管為圓管試驗件提供高壓冷卻空氣。通過控制加溫、保溫、降溫時間和溫度值來實現(xiàn)溫度循環(huán)。試驗時燃燒器產(chǎn)生圓柱形火焰，通過時間繼電器來控制燃燒器工作的時間。燃燒器工作時實現(xiàn)試驗件的加熱和保溫功能，燃燒器停機即完成降溫的功能。通過加熱、保溫和降溫得到簡易的梯形溫度循環(huán)。試驗時圓管試驗件內(nèi)始終通有高壓冷卻空氣，用于在圓管試驗件內(nèi)外產(chǎn)生溫度梯度，以模擬熱障涂層和高溫合金的真實工作環(huán)境。
[0004]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0005]1、本發(fā)明試驗裝置很好的模擬了真實的發(fā)動機熱端部件載荷譜；
[0006]2、本發(fā)明試驗裝置試驗件安裝在L型的滑軌支架上，試驗時能快速調(diào)整試驗件在燃氣火焰中的位置；
[0007]3、本發(fā)明試驗裝置試驗件內(nèi)通空氣冷卻，能實現(xiàn)熱障涂層沿厚度方向的溫度梯度；
[0008]4、本發(fā)明試驗裝置能夠?qū)崿F(xiàn)三根試驗件同時開展試驗，提高了試驗效率；
[0009 ] 5、本發(fā)明試驗裝置結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能和便于運輸。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的熱疲勞試驗裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明中圓管試驗件的夾具結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖3為本發(fā)明中圓管試驗件的夾具的爆炸圖；
[0013]圖4為本發(fā)明中夾具冷卻通道示意圖；
[0014]圖5為本發(fā)明中爐體支撐結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)示意圖。
[0015]圖中:
[0016]1.燃燒器;2.夾具;3.夾具支撐臺；4.調(diào)節(jié)手柄;5.支撐架；
[0017]6.鼓風機;7.爐體;8.排氣裝置;9.鋼絲滑輪;10.夾具滑動導軌；
[0018]11.鋼絲；12.可移動平臺；
[0019]2-1.排氣管;2-2.進氣管;2-3.試驗件;2-4.熱電偶安裝套筒A;
[0020]2-5.可移動支座;2-6.滑道;2-7.調(diào)節(jié)螺栓;2-8.夾具安裝螺栓；
[0021 ]2-9.試驗件固定長螺栓;2-10.下集氣腔;2-11.上集氣腔；
[0022]2-12.熱電偶安裝套筒B; 2-13.深孔;2-14.徑向孔。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0024]本發(fā)明提供一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，如圖1所示，所述的試驗裝置包括燃燒器1、夾具2、夾具支撐臺3、可移動平臺12、支撐架5、鼓風機6、爐體7和排氣裝置8。所述的支撐架5底部設(shè)置萬向輪腳輪，便于運輸和移動。在所述的支撐架5上固定設(shè)置有爐體7，爐體7的左右兩個側(cè)面上固定設(shè)置有燃燒器I和排氣裝置8，燃燒器I產(chǎn)生的高溫燃氣加熱完試驗件2-3后經(jīng)由排氣裝置8排出。優(yōu)選的，所述的燃燒器I和排氣裝置8同軸設(shè)置。爐體7底部的支撐架5上可前后滑動連接方式連接夾具支撐臺3，所述的夾具支撐臺3上左右滑動方式連接可移動平臺12，所述夾具2通過連接螺栓2-8固定在可移動平臺12上。所述鼓風機6固定在支撐架5上，位于爐體7下方，用于產(chǎn)生試驗件2-3內(nèi)腔冷卻所需的高壓冷卻空氣。實驗時，將夾具支撐臺3推入爐體7內(nèi)，使得夾具2上的試驗件2-3正對燃燒器I的火焰出口，通過可移動平臺12相對夾具支撐臺3的左右移動調(diào)整試驗件2-3距離所述火焰出口的距離;試驗結(jié)束后，夾具支撐臺3可以向前滑動，帶動夾具2上試驗件2-3離開爐體7。
[0025]如圖1所示，夾具支撐臺3為L型結(jié)構(gòu)，底面的上下表面分別固定可移動平臺12和支撐架5，所述的夾具支撐臺3相對于支撐架5可以前后滑動，所述的可移動平臺12相對于夾具支撐臺3可以左右滑動。在所述的夾具支撐臺3的側(cè)面有三個開口，最上方的開口為觀察窗，玻璃密封；中間的開口用于夾具2上的進氣管2-2與鼓風機6的連接，以及排氣管2-1與大氣環(huán)境的連通，并且所述的中間的開口為左右方向長條開口，以便與在可移動平臺12左右移動的過程中，提供有效的、足夠的量程。最下面的開口包括左右兩個，分別固定一個鋼絲導軌9，鋼絲導軌9上布置鋼絲11。
[0026]所述鋼絲11的兩端分別固定在可移動平臺12的左右兩側(cè)，如圖5所示，所述鋼絲11通過4個鋼絲導輪9形成一個水平面的矩形環(huán)，其中兩個鋼絲導軌9固定在夾具支撐臺3的側(cè)壁開口上，另外兩個固定在夾具支撐臺3的底面上，可移動平平臺12可滑動連接在夾具支撐臺3的兩個平行導軌上，當鋼絲11在水平方向運動，可移動平臺12會受到鋼絲11的左右牽弓丨，產(chǎn)生沿著導軌的左右滑動，達到左右移動夾具2的目的，使得夾具2距離燃燒器I的位置可調(diào)，本發(fā)明中稱為粗調(diào)，調(diào)整距離為300mm。
[0027]所述夾具2結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，所述的夾具2包括試驗件固定長螺栓2-9、熱電偶安裝套筒A2-4、熱電偶安裝套筒B2-12、進氣管2-2及下集氣腔2-10、排氣管2-1及上集氣腔2-11、可移動支座2-5及其滑道2-6、調(diào)節(jié)螺栓2-7和夾具安裝螺栓2-8，所述的夾具安裝螺栓2-8用于將可移動平臺12和滑道2-6之間的固定連接。所述的滑道2-6上設(shè)置有可移動支座2-5，所述的可移動支座2-5可以沿著滑道2-6左右滑動。所述的調(diào)節(jié)螺栓2-7的一端螺紋連接在可移動支座2-5上，另一端伸出爐體7側(cè)壁，通過在爐體7外側(cè)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺栓2-7可以實現(xiàn)可移動支座2-5在滑道2-6上左右方向60mm的調(diào)節(jié)范圍，即實現(xiàn)對試驗件2_3和燃燒器I的火焰出口距離的微調(diào)節(jié)。所述的熱電偶安裝套筒A2-4和熱電偶安裝套筒B2-12用于安裝高溫熱電偶以實時測量冷卻空氣在進/出圓管試驗件2-3的溫度。下集氣腔2-10、上集氣腔2-
11、熱電偶安裝套筒2-4與圓管試驗件2-3之間無機械連接，五者通過試驗件固定長螺栓2-9壓緊，防止試驗件2-3松動，具體為:上集氣腔2-11具有上下三個通孔，下集氣腔2-10上表面上有和試驗件固定長螺栓2-9連接的螺紋孔，試驗時，試驗件固定長螺栓2-9的螺紋端依次穿過上集氣腔2-11、熱電偶安裝套筒A2-4、試驗件2-3、熱電偶安裝套筒B2-12和下集氣腔2-10，并螺紋連接在所述的下集氣腔2-10上。所述夾具2可以同時進行3根試驗件2-3的氧化或熱疲勞試驗，具體試驗件2-3的數(shù)量與上集氣腔2-11上通孔的數(shù)量相應一致。所述下集氣腔2-10通過進氣管2-2連接鼓風機6，所述的上集氣腔2-11通過排氣管2-1與大氣環(huán)境連通。
[0028]所述的試驗件固定長螺栓2-9有兩方面的作用，一是串聯(lián)上集氣腔2-11、熱電偶安裝套筒A2-4、試驗件2-3、熱電偶安裝套筒B2-12和下集氣腔2-10，并通過試驗件固定長螺栓2-9與下集氣腔2-10螺紋連接固定壓緊;二是試驗件固定長螺栓2-9還設(shè)計有一部分冷卻氣體通道。如圖4所示，試驗件固定長螺栓2-9的螺紋端外徑小于試驗件2-3內(nèi)徑，實施例中選取試驗件固定長螺栓2-9的螺紋段外徑為10mm，試驗件2-3外徑15mm。所述試驗件固定長螺栓2-9的螺紋端沿軸向加工有直徑為6mm、深度為20mm的深孔2-13，所述深孔2-13有4個徑向孔2-14，所述徑向孔2-14的直徑為Φ3(直徑單位為mm)，所述四個徑向孔2-14與所述深孔2-13相通。所述試驗件固定長螺栓2-9的中段光桿段直徑為Φ8，與試驗件2-3的內(nèi)徑(本實施例中選取試驗件2-3的內(nèi)徑為Φ 11)形成一個環(huán)型冷卻腔。冷卻空氣從進氣管2-2進入下集氣腔2-10，而后沿試驗件固定長螺栓的螺紋段的深孔和徑向孔進入所述的環(huán)型冷卻腔，為試驗件2-3冷卻降溫;然后氣體經(jīng)過上集氣腔2-11匯集后經(jīng)排氣管2-1排出。所述熱電偶安裝套筒A2-4和熱電偶安裝套筒B2-12的結(jié)構(gòu)相同，并且直徑與試驗件2-3相同。
[0029]圖5是本發(fā)明提供的試驗裝置的俯視圖，夾具2固定在可以左右滑動的可移動平臺12上，可移動平臺12左右滑動方式連接在夾具支撐臺3上，可移動平臺12的左右滑動通過鋼絲11牽引在夾具支撐臺3的導軌上滑動實現(xiàn)，使試驗件2-3可停在燃燒器I噴出的火焰柱內(nèi)的任意位置，以獲得所需的穩(wěn)定氧化溫度。所述的夾具支撐臺3可前后滑動的連接在支撐架5上，二者之間用重型滑軌連接。
[0030]本發(fā)明中所述的爐體7為雙層結(jié)構(gòu)，采用201不銹鋼制造，雙層結(jié)構(gòu)之間填充隔熱石棉。當夾具支撐臺3將夾具2推到爐體7內(nèi)部的同時，夾具2上的試驗件2-3位于燃燒器I的火焰出口，夾具支撐臺3剛好密封爐體7前部并鎖緊。
[0031]具體使用時，首先將L型支撐臺3拉出至爐體7外側(cè)，組裝好試驗件2-3并安裝到夾具2上。連接鼓風機6出氣口和夾具2上的進氣管2-2，確認無誤后將夾具支撐臺3推入爐體7內(nèi)，并用爐體7兩側(cè)鎖扣鎖緊。打開燃燒器1，調(diào)整鋼絲11的水平位移，直至試驗件2-3兩端熱電偶顯示溫度與實驗溫度的溫度差為大于10度小于20度，停止調(diào)整鋼絲11;轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺栓2-7，直到測試溫度與實驗溫度的溫度差小于10度，停止轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺栓2-7，開始氧化試驗。進行熱疲勞試驗時，可以在所述的燃燒器I上設(shè)置時間繼電器，來控制燃燒器I的工作時間。
【主權(quán)項】
1.一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:包括燃燒器、夾具、夾具支撐臺、可移動平臺、支撐架、鼓風機、爐體和排氣裝置； 所述的支撐架底部設(shè)置萬向輪腳輪，在所述的支撐架上固定設(shè)置有爐體，爐體的左右兩個側(cè)面上固定設(shè)置有燃燒器和排氣裝置，燃燒器產(chǎn)生的高溫燃氣加熱完試驗件后經(jīng)由排氣裝置排出；爐體底部的支撐架上可前后滑動連接方式連接夾具支撐臺，所述的夾具支撐臺上左右滑動方式連接可移動平臺，所述夾具通過連接螺栓固定在可移動平臺上;所述鼓風機固定在支撐架上，位于爐體下方，用于產(chǎn)生試驗件內(nèi)腔冷卻所需的高壓冷卻空氣;實驗時，將夾具支撐臺推入爐體內(nèi)，使得夾具上的試驗件正對燃燒器的火焰出口，通過可移動平臺相對夾具支撐臺的左右移動調(diào)整試驗件距離所述火焰出口的距離;試驗結(jié)束后，夾具支撐臺向前滑動，帶動夾具上試驗件離開爐體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:夾具支撐臺為L型結(jié)構(gòu)，底面的上下表面分別固定可移動平臺和支撐架，所述的夾具支撐臺相對于支撐架可以前后滑動，所述的可移動平臺相對于夾具支撐臺可以左右滑動;在所述的夾具支撐臺的側(cè)面有三個開口，最上方的開口為觀察窗，玻璃密封；中間的開口用于連接夾具上的進氣管與鼓風機的連接，以及出氣管與大氣環(huán)境的連通;并且所述的中間的開口為左右方向長條開口，以便于在可移動平臺左右移動的過程中，提供足夠的量程;最下面的開口包括左右兩個，分別固定一個鋼絲導軌，鋼絲導軌上布置鋼絲。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:所述鋼絲的兩端分別固定在可移動平臺的左右兩側(cè)，所述鋼絲通過4個鋼絲導輪形成一個水平面的矩形環(huán)，其中兩個鋼絲導軌固定在夾具支撐臺的側(cè)壁開口上，另外兩個固定在夾具支撐臺的底面上，可移動平平臺可滑動連接在夾具支撐臺的兩個平行導軌上，當鋼絲在水平方向運動，可移動平臺會受到鋼絲的左右牽引，產(chǎn)生沿著導軌的左右滑動，達到左右移動夾具的目的，使得夾具距離燃燒器的位置可調(diào)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:所述夾具包括試驗件固定長螺栓、熱電偶安裝套筒A、熱電偶安裝套筒B、進氣管及下集氣腔、排氣管及上集氣腔、可移動支座及其滑道、調(diào)節(jié)螺栓和夾具安裝螺栓，所述的夾具安裝螺栓用于將可移動平臺和滑道之間的固定連接;所述的滑道上設(shè)置有可移動支座，所述的可移動支座可以沿著滑道左右滑動;所述的調(diào)節(jié)螺栓的一端螺紋連接在可移動支座上，另一端伸出爐體側(cè)壁，通過在爐體外側(cè)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺栓實現(xiàn)可移動支座在滑道上左右方向的調(diào)節(jié)范圍，即實現(xiàn)對試驗件和燃燒器的火焰出口距離的微調(diào)節(jié);所述的熱電偶安裝套筒A和熱電偶安裝套筒B用于安裝高溫熱電偶以實時測量冷卻空氣在進/出圓管試驗件的溫度;上集氣腔具有上下三個通孔，下集氣腔上表面上有和試驗件固定長螺栓連接的螺紋孔，試驗時，試驗件固定長螺栓的螺紋端依次穿過上集氣腔、熱電偶安裝套筒A、試驗件、熱電偶安裝套筒B和下集氣腔，并螺紋連接在所述的下集氣腔上;所述下集氣腔通過進氣管連接鼓風機，所述的上集氣腔通過排氣管與大氣環(huán)境連通。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:所述的試驗件固定長螺栓的螺紋端外徑小于試驗件內(nèi)徑，所述試驗件固定長螺栓的螺紋端沿軸向加工有直徑為深孔，所述深孔有4個徑向孔，所述徑向孔，所述四個徑向孔與所述深孔相通；所述試驗件固定長螺栓的中段光桿段與試驗件的內(nèi)徑形成一個環(huán)型冷卻腔;冷卻空氣從進氣管進入下集氣腔，而后沿試驗件固定長螺栓的螺紋段的深孔和徑向孔進入所述的環(huán)型冷卻腔，為試驗件冷卻降溫;然后氣體經(jīng)過上集氣腔匯集后經(jīng)排氣管排出。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:所述的爐體為雙層結(jié)構(gòu)，采用201不銹鋼制造，雙層結(jié)構(gòu)之間填充隔熱石棉；當夾具支撐臺將夾具推到爐體內(nèi)部的同時，夾具上的試驗件位于燃燒器的火焰出口，夾具支撐臺剛好密封爐體前部并鎖緊。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:所述的燃燒器和排氣裝置同軸設(shè)置。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬燃氣環(huán)境下的熱疲勞試驗裝置，其特征在于:所述熱電偶安裝套筒A和熱電偶安裝套筒B的結(jié)構(gòu)相同，并且直徑與試驗件相同。
【文檔編號】G01N25/00GK105890881SQ201610207798
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】齊紅宇, 張蜃之, 楊洪偉, 楊曉光
【申請人】北京航空航天大學