專利名稱：一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，尤其涉及的是一種用于模擬航空發動機渦輪葉片熱障涂層作為導向葉片靜止即靜態、工作葉片即高速旋轉工作狀態的試驗平臺，屬于航空發動機熱障涂層服役環境模擬裝置技術領域。
背景技術：
航空發動機是飛機的動力裝置，被譽為飛機的“心臟”。近年來，隨著航空事業的發展，對發動機性能要求不斷提高，航空發動機不斷向高涵道比、高推重比、高渦輪進口溫度方向發展，發動機高溫部件的工作溫度越來越高，發展到第四代戰斗機，航空發動機的燃氣進口溫度已經達到了 1700 ° C左右，而目前最先進的鎳基高溫合金的極限服役溫度小于1150 ° C。僅僅依靠冷卻技術和高溫合金技術已經無法滿足燃氣渦輪發動機迅速發展的技術要求，由此人們提出了熱障涂層的概念，即將耐高溫、高隔熱的陶瓷材料涂覆在基體合金表面，以降低合金表面工作溫度從而提高發動機的熱效率。經歷了幾十年的高速發展，先進的熱障涂層材料可以有效提高渦輪葉片使用溫度20(T300 ° C左右。熱障涂層的應用在提高發動機工作溫度的同時，不僅能提高部件的抗腐蝕能力，而且可以減少燃油消耗，延長熱端部件的使用壽命。因此，熱障涂層技術是航空發動機熱端部件熱防護領域的重要發展方向。然而，在實際服役中，航空發動機內渦輪導向葉片、燃燒室內壁、噴嘴等靜態高溫部件長期處于高溫、高燃氣沖蝕、腐蝕、高次熱疲勞的惡劣服役環境，此外渦輪動葉片則需要承受很大的離心力。這些復雜的服役環境使得熱障涂層發生開裂、脫落、界面分離等失效，并最終導致涂層的脫落，從而對航空發動機的安全運行造成致命威脅。因此，發展熱障涂層服役環境的試驗模擬技術，研究其失效的規律和機理，是熱障涂層優化設計與安全應用的重要手段。熱障涂層材料主要應用在靜止的導向葉片以及高速旋轉的渦輪葉片上，離心力的作用對熱障涂層的失效性能有重要的影響。因此，要正確的理解熱障涂層的破壞機理，必須對熱障涂層導向葉片的靜止狀態、工作葉片高速旋轉的狀態同時進行模擬。目前國內外航天工作者主要通過高溫風洞實驗、單管燃燒器、熱沖擊試驗、紅外加熱結合材料力學性能試驗機試驗、發動機試車臺整機實驗等。如成來飛等人公開了一種航空發動機材料熱端環境實驗模擬方法與裝置(專利公開號:CN1546974A)，裝置將常壓亞音速風洞和材料性能試驗機相結合實現平板熱障涂層試樣的熱震實驗。宮聲凱等人公開了一種熱障涂層服役環境模擬裝置及模擬環境控制方法(專利公開號:CN1699994)，利用紅外加熱和材料性能試驗機相結合對空心圓柱形熱障涂層試樣進行熱-力耦合實驗。盡管這些方法能夠模擬航空發動機高溫以及機械載荷的服役環境，但這些設備大多都只針對某一特定形狀(如平板狀、圓盤狀和圓筒狀等)的試樣進行實驗模擬，不能在同一裝置上對這幾種試樣都進行模擬實驗以分析幾何形狀對熱障涂層失效的影響。同時，目前還沒有一臺裝置能夠模擬實際動態葉片高速旋轉而產生強離心力的服役環境。因此，設計既能實現熱障涂層應用的靜態部件各種復雜形狀的模擬、又能實現動態葉片高速旋轉服役環境的模擬是熱障涂層服役環境試驗模擬技術發展的必然需求。
發明內容
為解決現有熱障涂層試驗模擬裝置中試樣形狀單一、試樣角度固定、缺少離心力作用等棘手難題，本發明提供了一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，為正確理解熱障涂層的失效機理提供幫助。本發明采用的技術方案為:測試平臺包括動態模塊和靜態模塊。其中動態模塊包括旋轉電動機、底板、旋轉軸、動態試樣夾具、帶孔的旋轉軸支撐端、石英密封室、導軌、傳動電機、動態模塊冷卻氣體入口、支座。渦輪葉片強離心力的動態服役環境模擬通過高速旋轉電動機帶動固定在空心旋轉軸的試樣高速旋轉來實現。靜態模塊包括靜態試樣夾具固定孔、圓盤狀靜態試樣夾具、石英密封室、支撐板。圓盤狀靜態試樣夾具由中心軸、旋轉圓盤和刻有角度的刻度盤組成，旋轉圓盤上有四個不同形狀的試樣接口，可安裝條狀，盤狀，圓柱和真實渦輪葉片形狀四種不同形狀的試樣，中心軸前端為空心結構，冷卻氣體可經空心軸再由管道可進入試樣接口對試樣進行冷卻，旋轉圓盤上有角度指示線并可繞中心軸旋轉，由指示線所指刻度盤的角度即可知試樣與水平線或豎直線之間的夾角，實現試樣與水平方向角度的調節。動、靜態模塊之間可進行更換，完成熱障涂層分別應用在燃燒室、導向葉片等靜態服役以及渦輪葉片等動態服役的模擬。耐高溫、耐腐蝕、可以自由拆卸的石英室，將噴槍噴嘴前端、試樣夾具及試樣封閉，可以防止實驗中顆粒的濺射、腐蝕氣體對試驗裝置以及操作人員的傷害。所述高速旋轉電動機可由變頻器直接控制，也可以通過上位機軟件操作控制變頻器調節旋轉參數。最高旋轉速度可達15000 r/min。所述石英密封室可固定在支座上也可以安裝在支撐板上，左右兩邊各留有一孔，用以連接試樣加載裝置如高溫燃氣噴槍。此時，由高溫燃氣噴槍所加載的高溫燃氣等載荷可以進入石英密封室沖擊到試樣上。密封室上端有廢氣出口和各種檢測設備連接孔。所述旋轉軸一端連接在固定在底板的電動機上，另一端穿過支座與帶孔的旋轉軸支撐端連接，以保證旋轉軸高速旋轉時不發生偏移。旋轉軸為空心結構，冷卻氣體可通入其中進入動態試樣架，再進入試樣冷卻通道。底板安裝在導軌上，可由電機控制前后移動。所述靜態圓盤狀試樣夾具由中心軸、可圍繞中心軸轉動的旋轉圓盤和固定在中心軸上并標有角刻度的刻度盤組成，夾具可通過靜態圓盤狀試樣夾具固定孔自由的裝卸在試驗臺上，夾具上設置有四個不同形狀試樣的試樣接口，可安裝條狀，盤狀，圓柱狀和真實渦輪葉片形狀的試樣。旋轉圓盤可繞中心軸轉動，由旋轉圓盤指示線所指刻度盤的角度值即可知試樣與水平或豎直方向的夾角。本發明能夠模擬高性能航空發動機渦輪葉片強離心力的作用，同時可以模擬燃燒室、導向葉片靜止的靜態服役環境，通過與試樣加載裝置的結合，實現渦輪葉片熱障涂層在極端服役條件下的動、靜態環境一體化模擬。本發明解決了現有熱障涂層試驗模擬裝置中試樣形狀單一、試樣角度固定、缺少離心力作用等棘手難題，提供了熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，為正確理解熱障涂層的失效機理提供重要的試驗平臺。
圖1是本發明整體示意圖；圖2是本發明動態模塊的結構示意圖；圖3是本發明圓盤狀靜態試樣夾具結構示意圖；圖4是本發明石英密封室結構示意圖。圖中標號:1 一聞速旋轉電動機；2—底板；3—旋轉軸；4一動態試樣夾具；5—帶孔的旋轉軸支撐端；6—石英密封室；7—導軌；8—傳動電機；9一靜態夾具固定孔；10—旋轉圓盤；11—靜態試樣；12—噴槍導軌；13—噴槍；14一動態模塊冷卻氣體入口 ；15—支座、16一支撐板、17—中心軸、18—旋轉圓盤、21—指不線；22—靜態試樣接口 ；23—刻度盤；31—石英室廢氣出口 ；32—檢測設備連接端；33—與試樣加載裝置如噴槍的連接孔；34—旋轉軸孔。
具體實施例方式下面通過
和具體實施方式
對本發明做進一步說明。發明通過電動機帶動試樣高速旋轉模擬渦輪葉片的強離心力。根據不同實驗模擬要求調整電機的轉速；并在試樣內部通冷卻氣體,模擬動葉片熱梯度環境,試樣外部通過試樣加載裝置——噴槍添加沖蝕顆粒和腐蝕氣體模擬航空發動機內葉片的沖擊和化學腐蝕氛圍；同時動、靜態模塊之間可進行更換。如要進行靜態模擬，移開動態模塊并安裝好靜態模塊，此時圓盤狀靜態試樣夾具可以調 節試樣的角度，以分析不同沖蝕角度對熱障涂層破壞行為的影響。耐高溫、耐腐蝕、可以自由拆卸的石英密封室，將噴槍噴嘴前端、試樣夾具及試樣封閉，防止顆粒四處飛散及腐蝕氣體對試驗裝置以及操作人員的傷害。此時，可以實現各種服役環境作用下熱障涂層分別應用在燃燒室、導向葉片等靜態服役以及渦輪葉片等動態服役狀態的模擬。如圖1所示，圖1是本發明的整體示意圖。本試驗裝置結構包括動態和靜態兩個模塊，其中動態模塊包括旋轉電動機(I)、底板(2)、旋轉軸(3)、動態試樣夾具(4)、帶孔的旋轉軸支撐端(5)、石英密封室(6)、導軌(7)、傳動電機(8)、動態模塊冷卻氣體入口(14)、支座(15)。靜態模塊包括靜態試樣夾具固定孔(9)、圓盤狀靜態試樣夾具(10);石英密封室(6)、支撐板(16)。通過更換動態和靜態模塊可實現熱障涂層動靜態服役環境模擬的一體化。高速旋轉電動機可由變頻器直接控制，也可以通過上位機軟件操作控制變頻器調節旋轉參數。可控制電動機的啟動時間、急停時間、旋轉時間、旋轉速度并可進行啟動--穩定一停止一啟動的循環工作，其中最高旋轉速度可達15000 r/min。如圖2所示，圖2是本發明動態模塊的結構示意圖。旋轉軸一端連接在固定在底板上的電動機上，另一端穿過支座與帶孔的旋轉軸支撐端連接，以保證旋轉軸高速旋轉時不發生偏移。旋轉軸為空心結構，冷卻氣體可通入其中進入動態夾具，再進入試樣冷卻通道。底板安裝在導軌上，可由傳動電機控制其前后移動。圖3是本發明圓盤狀靜態試樣夾具結構示意圖。如圖3所示，圓盤狀靜態試樣夾具可自由裝卸在試驗臺上，其中旋轉圓盤上安有四個不同形狀的試樣接口，可安裝條狀，盤狀，圓柱和真實渦輪葉片形狀的試樣。帶角度指示線的旋轉圓盤可繞中心軸旋轉，且中心軸上固定有一標有角度的刻度盤，由此調節試樣的角度。圖4是本發明石英密封室結構示意圖。如圖4所示，石英密封室可以自由拆卸，可以分別安裝在動態模塊的支座上或者靜態模塊的支撐板上，左右兩邊各留有一孔(33)，用以連接試樣加載裝置如高溫燃氣噴槍。密封室上端有廢氣出口(31)和各種檢測設備連接孔(32)。動、靜態模擬的控制方法步驟為:動態模擬:取下靜態模塊，將動態模塊移動到固定位置，安裝好試樣并緊固，將石英室安裝在支座上，對各模擬參數進行設定，以及動態信號采集進行參數設定。連接好各裝置，在旋轉軸中通入冷卻氣體，根據實驗溫度將噴槍移動到一定位置，在噴槍與石英密封室之間由管道連接密封。啟動所需模擬條件的裝置，啟動高速旋轉電動機，電動機的啟動時間，旋轉時間和急停時間由軟件進行控制，并可由軟件控制進行循環工作。記錄實驗數據，完成實驗。靜態模擬:啟動傳動電機將動態模塊向后移動至一定位置，將試樣安裝到與之對應的圓盤支架界面上，將整個靜態支架安裝到實驗平臺的靜態支架孔并緊固。安裝好支撐板，將石英密封室從動態模塊卸下后罩住靜態支架并把密封室固定在支撐板上，調整旋轉圓盤至實驗所需角度并固定，連接好各裝置，對各模擬參數進行設定，以及動態信號采集進行參數設定。根據實驗溫度將噴槍移動到一定位置，在噴槍與石英室之間由管道連接密封，啟動各裝置開始實驗。實驗完成后可拆下密封室和靜態支架。本發明能夠模擬高性能航空發動機內強離心力的作用，靜態試樣夾具設置了多種形狀試樣的連接口，且試樣角度可調。通過更換動態和靜態模擬模塊，可實現熱障涂層渦輪葉片動、靜態服役環境的一體化模擬。解決了現有熱障涂層試驗模擬裝置中試樣形狀單一、角度固定、缺少離心力作用等棘手難題，為正確理解熱障涂層的失效機理，提供重要的試驗
T D O
權利要求
1.一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，其特征在于，該試驗平臺包括動態模塊和靜態模塊兩部分: 動態模塊:包括旋轉電動機(1)、底板(2)、旋轉軸(3)、動態試樣夾具(4)、帶孔的旋轉軸支撐端(5)、石英密封室(6)、導軌(7)、傳動電機(8)、動態模塊冷卻氣體入口(14)、支座(15)； 靜態模塊:包括靜態試樣夾具固定孔(9)、圓盤狀靜態試樣夾具(10)、石英密封室(6)、支撐板(16)； 動態模塊的結構:整個模塊通過底板(2)安裝在導軌(7)上，在傳動電機(8)的推動下可沿著導軌前后移動；底板上固定有高速旋轉電動機(1)，支座(15)，帶孔的旋轉軸支撐端(5)，旋轉軸穿過支座(15)中所預留的孔分別連接在高速電機和支撐端(5)上，在支座(15)內旋轉軸的中間安裝有動態試樣夾具(4)，石英密封室(6)可固定在支座上也可自由拆卸，石英密封室上端開有廢氣出口(31)和檢測設備連接孔(32);試驗臺可以通過傳動電機(8)和導軌(7)以及支撐座(15)的移動來調節動態試樣夾具的位置，保證與試樣加載裝置如高溫燃氣噴槍(13)呈現所需要的角度、高度和距離； 利用傳動電機(8)將動態模塊向后移動之后，可以安裝或拆卸靜態模塊；所述靜態模塊的結構為:在試驗臺上安裝上可拆卸并可以沿各個方向移動的支撐板(16)，然后將可自由拆卸的圓盤狀靜態試樣夾具(10)安裝在靜態試樣夾具固定孔(9)，石英密封室￠)固定在支撐板(16)上也可自由拆卸；此時，通過調節支撐板的位置可以調節靜態試樣圓盤夾具(10)的位置。
2.根據權利要求1所述的。一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，其特征在于，所述旋轉軸(3)為一空心軸，一端連接在固定在底板(2)上的旋轉電動機(1)上，另一端穿過支座(15)連接在底板(2)上的帶孔旋轉軸支撐端(5)上，以保證旋轉軸高速旋轉時不發生偏移，旋轉軸前端為空心結構，冷卻氣體通過冷卻氣體入口(15)和帶孔的旋轉軸支撐端(5)充入到旋轉軸(3)中再進入動態試樣夾具(4)，從而到達試樣冷卻通道。
3.根據權利要求1所述的。一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，其特征在于，所述石英密封室(6)即可安裝在支座(2)上也可安裝在支撐板(16)上，且支座(2)和支撐板(16)的高度均可調，使得石英密封室(6)所處的高度與試樣加載實驗裝置如高溫燃氣噴槍(13)的高度一致。動態模擬時石英密封室(6)對動態試樣夾具(4)以及所覆蓋的一段旋轉軸(3)進行密封，靜態模擬時石英密封室將整個靜態夾具密封，以防止試樣試驗時腐蝕氣體的揮發、沖蝕顆粒的飛濺。
4.根據權利要求1所述的。一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，其特征在于，所述圓盤狀靜態試樣夾具(10)可自由裝卸在試驗臺上的靜態試樣夾具固定孔(9)上，且高度可調，圓盤狀靜態試樣夾具主要由刻有角刻度的刻度盤(23)、中心軸(17)和旋轉圓盤(18)組成，旋轉圓盤(18)上設置有四個不同形狀的試樣接口(22)，可安裝條狀，盤狀，圓柱和真實渦輪葉片形狀的試樣。而且，旋轉圓盤(18)上可繞中心軸(17)旋轉，由旋轉圓盤(18)上的指示線所指刻度盤角度即可知試樣與沖蝕粒子之間的角度，中心軸前端為空心結構，冷卻氣體可經空心軸再由管道可進入試樣接口對試樣進行冷卻。
5.根據權利要求1所述的。一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，其特征在于，所述 旋轉電動機最高旋轉速度為15000 r/min。
全文摘要
一種熱障涂層渦輪葉片動靜態服役環境一體化的試驗平臺，屬于航空發動機熱障涂層渦輪葉片服役環境模擬裝置技術領域。試驗平臺包括動旋轉電動機(1)、底板(2)、旋轉軸(3)，動態試樣夾具、圓盤狀靜態試樣夾具等；旋轉軸(3)一端固定在底板(2)上的旋轉電動機(1)上，另一端穿過底板上帶孔的旋轉軸支撐端(5)；動、靜態試樣夾具分別安裝在旋轉軸(3)和支撐板(16)上。本發明的靜態試樣夾具設置了多種形狀試樣的連接口，動態模塊能模擬航空發動機渦輪葉片強離心力的作用，而且動態和靜態模塊可以在一個試驗平臺上進行轉換，從而實現了熱障涂層渦輪葉片動靜態環境一體化的模擬，為正確理解熱障涂層失效機理提供重要的試驗平臺。
文檔編號G01N17/00GK103091238SQ201310009178
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月10日 優先權日2013年1月10日
發明者楊麗, 周長春, 周益春, 蔡燦英 申請人:湘潭大學