[發明專利]一種空心氣冷渦輪葉片熱機械疲勞試驗系統

有效

• 申請號: 201110460131.4
• 申請日: 2011-12-31
• 公開（公告）號: CN102539135A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 王榮橋;荊甫雷;侯貴倉;胡殿印;樊江;申秀麗
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種空心氣冷渦輪葉片熱機械疲勞試驗系統，其特征在于：它包括加載子系統、加溫子系統、氣冷子系統、水冷子系統和控制子系統；加載子系統在豎直方向上夾持渦輪葉片；加溫子系統水平放置于加載子系統中部，對渦輪葉片進行加熱；氣冷子系統水平放置，通過管道與加載子系統相連；水冷子系統水平放置，通過管道與加載子系統和加溫子系統相連；控制子系統放置于加溫子系統上部，通過線纜與加載子系統、加溫子系統和氣冷子系統相連；它用于空心氣冷渦輪葉片考核截面工作應力場、溫度場以及載荷譜的模擬；

所述加載子系統由疲勞試驗機和渦輪葉片專用夾具組成，渦輪葉片專用夾具夾持渦輪葉片后，再放置在疲勞試驗機的夾頭上；它用于提供熱機械疲勞試驗所需的機械載荷；疲勞試驗機提供單軸的拉伸載荷；渦輪葉片專用夾具為自行設計加工，渦輪葉片專用夾具由上叉子座、下叉子座、銷釘、叉子、渦輪盤近似件、擋板、螺釘、壓緊螺栓、葉片組合夾具和墊片構成；其中，上、下叉子座為臺階軸狀零件，分別固定于疲勞試驗機的上、下夾頭；叉子(11)、(3)通過銷釘(12)、(2)與上、下叉子座連接；叉子(11)通過銷釘(10)與葉片組合夾具(9)連接；擋板通過螺釘(7)與渦輪盤近似件連接；渦輪盤近似件通過其上設置的銷釘孔和銷釘(4)固接在叉子(3)上；該叉子為其上設置有通孔的Y形件；該渦輪盤近似件是其上設置有通孔、盲孔和榫槽的T形狀件；該擋板是其上設置有通孔的矩形板料件；該葉片組合夾具為分半式臺階矩形板料結構，并分別設置有內孔、水冷孔和排氣孔：其內孔與待測工件渦輪葉片的葉冠相配合，用于傳遞機械載荷；其水冷孔與水冷子系統相連，用于冷卻葉片組合夾具；其排氣孔用于排出渦輪葉片的內部冷卻氣流；4個壓緊螺栓(8)將葉片組合夾具的兩部分固定在一起，為了便于機械載荷的可靠傳遞，對于不帶葉冠的渦輪葉片，需要在渦輪葉片的葉尖部位通過澆鑄或焊接異型葉冠；渦輪葉片的榫頭與渦輪盤近似件的榫槽相配合，用于模擬渦輪葉片在渦輪盤上的安裝條件；渦輪盤近似件帶有氣冷通道，與氣冷子系統相連；冷卻氣流通過氣冷通道進入到渦輪葉片的內腔，進行渦輪葉片的內部冷卻；2個擋板通過4個螺釘固定在渦輪盤近似件榫槽的兩側，防止渦輪葉片承受機械載荷時滑出榫槽以及冷卻氣流的泄漏；4個銷釘分別連接下叉子座(1)與叉子(3)、叉子(3)與渦輪盤近似件(5)、葉片組合夾具(9)與叉子(11)、叉子(11)與上叉子座(13)；每個銷釘連接的兩個零件間預留有間隙恰好插入10片墊片；由銷釘所連接的組件稱為關節，本渦輪專用夾具共有4個關節，通過改變各個關節處墊片的組合即改變間隙左右墊片的數目，調整渦輪葉片與疲勞試驗機主軸的夾角，實現渦輪葉片的偏心拉伸，將單軸的拉伸載荷分解出使渦輪葉片產生彎曲、扭轉變形的分量；結合上述方法，同時調整疲勞試驗機的拉伸載荷，能實現渦輪葉片考核截面工作應力場的模擬；

所述加溫子系統由高頻感應加熱爐和感應加熱線圈組成，其間互相連接；它用于提供熱機械疲勞試驗所需的熱載荷；感應加熱線圈為自行設計制造，采用雙管分半式結構，它由2根銅管、聯接銅片和塑料水管構成，塑料水管的兩端分別與2根銅管的一端套接，連接銅片將2根銅管固接在一起；2根銅管和連接銅片構成電流回路；2根銅管和塑料水管構成冷卻水回路；感應加熱線圈與高頻感應加熱爐相連，并且銅管內部通有冷卻水；通過改變感應加熱線圈的形狀以及感應加熱線圈與渦輪葉片表面的距離，在不同的區域造成不同的磁漏，在渦輪葉片表面產生所需的溫度梯度；結合上述方法，同時調整高頻感應加熱爐的輸入功率，能實現渦輪葉片考核截面工作溫度場的模擬；

所述氣冷子系統由空氣壓縮機、減壓穩壓閥、空氣質量流量控制器和三通接頭組成，其間通過管道互相連接；它用于提供熱機械疲勞試驗所需的冷卻氣流；空氣壓縮機提供連續但壓強、流量均不穩定的氣流；經減壓穩壓閥后，氣流壓強保持恒定；經空氣質量流量控制器后，氣流流量保持恒定；在空氣質量流量控制器的出口處，安裝有三通接頭，三通接頭的一個出口與渦輪盤近似件的氣冷通道相連，用于模擬渦輪葉片的內部冷卻；另一出口安裝有常閉電磁閥，并由控制子系統控制，用于模擬渦輪葉片的外部強制冷卻；

所述水冷子系統由水泵和貯水箱組成，其間通過管道互相連接；它用于熱機械疲勞試驗過程中儀器設備的冷卻；貯水箱里的冷卻水經過水泵增壓后分為兩部分：一部分進入高頻感應加熱爐，用于冷卻高頻感應加熱爐和感應加熱線圈；另一部分進入葉片組合夾具的水冷孔，用于冷卻葉片組合夾具；兩部分冷卻水完成對儀器設備的冷卻后回到貯水箱，構成冷卻水循環；

所述控制子系統由載荷控制器、溫度控制器以及常閉電磁閥組成，其間通過線纜互相連接；它用于熱機械疲勞試驗各子系統的同步控制；載荷控制器為疲勞試驗機所配備，輸入機械載荷波形，輸出機械載荷電壓信號；機械載荷電壓信號分兩路：一路輸入到疲勞試驗機，對渦輪葉片專用夾具進行加載；另一路輸入到溫度控制器；溫度控制器為自行設計，并與高頻感應加熱爐相配，輸入機械載荷電壓信號，根據機械載荷電壓信號的增大/減小，輸出高頻感應加熱爐的開/關信號和常閉電磁閥的關/開信號。