本實用新型屬于航空航天發(fā)動機試驗技術(shù)領(lǐng)域，涉及航空發(fā)動機單晶渦輪葉片熱機械疲勞試驗系統(tǒng)，特別涉及一種能夠模擬單晶渦輪葉片溫度梯度服役環(huán)境的旋轉(zhuǎn)氣膜冷卻式溫度梯度熱機械疲勞試驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

單晶渦輪葉片熱機械疲勞(TMF)性能是反映航空發(fā)動機重要性能指標(biāo)之一，是影響渦輪葉片服役壽命的重要因素。葉片服役過程與空氣摩擦在葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣膜冷卻溫度梯度場，該溫度梯度場隨發(fā)動機工作狀態(tài)變化，直接影響渦輪葉片各項力學(xué)性能，甚至造成材料損傷破壞。試驗室環(huán)境下，為確保試驗的準(zhǔn)確性必須真實再現(xiàn)試件服役中相同的氣膜冷卻溫度梯度場，該環(huán)境下試驗結(jié)果才具有真實性。

國內(nèi)現(xiàn)有溫度梯度控制系統(tǒng)中，常用石英管進(jìn)行紅外輻射加熱，該方法簡單易行、成本低廉，但該系統(tǒng)驅(qū)動功率小且熱慣性較大，對溫度場的可控性差。發(fā)明專利201110460131.4中的加溫系統(tǒng)由高頻感應(yīng)加熱爐和感應(yīng)加熱線圈組成，采用雙管分半式結(jié)構(gòu)，利用銅管內(nèi)部的冷卻水，通過改變加熱線圈形狀和與渦輪葉片的距離形成所需溫度梯度。發(fā)明專利201210051835.0中利用多路高能能量束對結(jié)構(gòu)按照設(shè)定軌跡和輸出功率加熱掃描，通過溫度反饋實時調(diào)整掃描軌跡和輸出功率形成溫度梯度場。但上述溫控系統(tǒng)成本高昂，工藝復(fù)雜，冷卻效果差，需購置專門的試驗儀器，專人對試驗過程進(jìn)行監(jiān)控，且對溫度可控性差，溫度場達(dá)不到精確預(yù)期效果，不易于試驗測量。特別地，現(xiàn)有試驗設(shè)備不能真實再現(xiàn)試件因旋轉(zhuǎn)與空氣摩擦產(chǎn)生的氣膜冷卻式溫度梯度場。因此模擬旋轉(zhuǎn)試驗工況下試件的熱機疲勞，保證試件處于服役下溫度梯度環(huán)境，是研究冷卻單晶渦輪葉片亟待解決的重要問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本實用新型提供一種旋轉(zhuǎn)氣膜冷卻式溫度梯度熱機械疲勞試驗系統(tǒng)，改進(jìn)現(xiàn)有試驗儀器，使試件旋轉(zhuǎn)工況下與空氣摩擦產(chǎn)生氣膜冷卻溫度梯度場，保證試件旋轉(zhuǎn)的同時又承受單軸拉伸載荷，較好解決模擬試件溫度梯度場試驗環(huán)境的難點，操作方法簡單易行，成本低廉。轉(zhuǎn)動試件改進(jìn)了傳統(tǒng)熱機械疲勞試驗系統(tǒng)，真實再現(xiàn)葉片工作狀態(tài)下的氣膜冷卻溫度梯度場，確保航空發(fā)動機渦輪葉片熱機械疲勞試驗順利進(jìn)行，為航空發(fā)動機安全可靠工作提供技術(shù)基礎(chǔ)和安全保障。

本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種旋轉(zhuǎn)氣膜冷卻式溫度梯度熱機械疲勞試驗系統(tǒng)，包括：加載子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、氣冷子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，其特征在于，所述加載子系統(tǒng)包括夾頭，夾頭與夾具通過推力軸承連接，夾具與試件螺栓和試件連接鍵連接；加熱子系統(tǒng)水平置于試件部位，環(huán)繞試件對其加熱；動力子系統(tǒng)通過電機控制齒輪轉(zhuǎn)動，聯(lián)動齒輪內(nèi)接與下端夾具，帶動下端夾具轉(zhuǎn)動；氣冷子系統(tǒng)通過空氣壓縮機提供冷卻氣流，由通氣管道連接上端空心夾頭，冷卻空氣通過上端夾頭、上端夾具、試驗試件、下端夾具和下端夾頭后流出；控制子系統(tǒng)由載荷控制器、轉(zhuǎn)子流量計、熱電偶和常閉電磁閥組成，通過線纜與加載子系統(tǒng)、氣冷子系統(tǒng)和加溫子系統(tǒng)連接。本實用新型能用于熱機械疲勞試驗，真實再現(xiàn)試件與空氣摩擦產(chǎn)生的氣膜冷卻溫度梯度場。

進(jìn)一步地，所述加載子系統(tǒng)由疲勞試驗機、耐高溫夾具和推力軸承組成，它用于提供熱機械疲勞試驗所需機械載荷。試件與高溫夾具螺栓連接，加入試件連接鍵固定，防止旋轉(zhuǎn)過程螺栓滑動。夾具內(nèi)接固定于推力軸承內(nèi)軸，自設(shè)計推力軸承套通過鉚釘將軸承固定于試驗機夾頭，疲勞試驗機、推力軸承為空心結(jié)構(gòu)，其中夾具材料為耐熱合金模具鋼。

進(jìn)一步地，所述加溫子系統(tǒng)為電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，它用于提供熱機械疲勞試驗溫度場。通過交變電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，電磁線圈內(nèi)部設(shè)置有石墨圈，線圈產(chǎn)生熱量后通過石墨圈傳至試件，保證熱輻射的均勻性。電磁感應(yīng)設(shè)備市場選購，通過調(diào)整輸入功率實現(xiàn)對試件溫度場的模擬。

進(jìn)一步地，所述動力子系統(tǒng)由電機、齒輪聯(lián)動系統(tǒng)組成，它用于提供系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)動力。通過齒輪聯(lián)動系統(tǒng)連接下端夾具和電機，夾具內(nèi)接齒輪，通過齒輪帶動夾具轉(zhuǎn)動，為夾具、試件提供可控恒定旋轉(zhuǎn)速度，用于模擬試件與空氣摩擦產(chǎn)生的溫度場。

進(jìn)一步地，所述氣冷子系統(tǒng)由空氣壓縮機、減壓穩(wěn)壓閥、轉(zhuǎn)子流量計和進(jìn)氣、排氣管組成，其間通過管道相互連接，它用于提供熱機械疲勞試驗所需冷卻氣流。通過轉(zhuǎn)子流量計控制氣流大小；系統(tǒng)中夾頭、夾具、試件、推力軸承均為空心結(jié)構(gòu)，保證冷卻氣流流暢通過整個系統(tǒng)，保證試件內(nèi)部強制冷卻。

進(jìn)一步地，所述控制子系統(tǒng)由載荷控制器、轉(zhuǎn)子流量計、熱電偶和常閉電磁閥組成，通過線纜連接，它用于同步控制系統(tǒng)的拉伸載荷、冷卻速率及加熱速率，市場選購。載荷控制器由現(xiàn)有疲勞試驗機配備，可輸入機械載荷波形，控制輸入載荷；轉(zhuǎn)子流量計通過控制冷卻氣流流量調(diào)整系統(tǒng)冷卻速率；常閉電磁閥通過開/關(guān)信號及熱電偶點信號控制系統(tǒng)加熱速率。

本實用新型的優(yōu)點在于：

1.改進(jìn)現(xiàn)有試驗設(shè)備，設(shè)計高溫夾具為中空結(jié)構(gòu)，通冷卻空氣，模擬氣膜冷卻溫度梯度場；熱電偶通道通過滑塊連接，解決測量旋轉(zhuǎn)試件內(nèi)壁溫度的難點；夾具兩端推力軸承，通過自設(shè)計軸承套連接既能可靠傳遞試驗機的機械載荷，又能保證夾具自身旋轉(zhuǎn)與試驗機的機械連接；通過控制電機輸出功率控制夾具的旋轉(zhuǎn)速度，空氣壓縮機控制冷卻氣流量，電磁加熱系統(tǒng)控制試驗溫度場，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)工況下試件的熱機械疲勞試驗。試驗設(shè)備制作工藝簡單，成本低，可行性高。

2.采用空氣壓縮機提供冷卻氣流，轉(zhuǎn)子流量計控制氣流流量，能準(zhǔn)確控制試件的冷卻氣流量，冷卻效率高，可大幅度調(diào)整溫度場，夾具端部的熱電偶通道，便于測量試件內(nèi)部溫度，整個試驗系統(tǒng)對溫度場可控性高。

附圖說明

圖1為本實用新型熱機械疲勞試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本實用新型推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本實用新型推力軸承內(nèi)軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為本實用新型推力軸承外軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為本實用新型推力軸承的軸承套結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為本實用新型試件及夾具整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為本實用新型試件及夾具局部分體結(jié)構(gòu)示意圖

圖8為本實用新型電磁加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9為本實用新型夾頭的結(jié)構(gòu)示意圖

圖10為圖9的局部結(jié)構(gòu)示意圖

圖中符號說明如下：

1：疲勞試驗機基臺 18：推力軸承內(nèi)軸

2：下冷卻空氣導(dǎo)管 19：推力軸承外軸

3：電機 20：自設(shè)計軸承套

4：下夾頭 21：試件

5：下推力軸承 22：試件螺紋

6：齒輪聯(lián)動系統(tǒng) 23：試件孔

7：下連接夾具齒輪 24：試件連接鍵

8：下夾具 25：自設(shè)計鎖緊件下螺紋

9：下自設(shè)計鎖緊圈 26：自設(shè)計鎖緊件連接鍵

10：電磁加熱線圈 27：自設(shè)計鎖緊件上螺紋

11：外接電磁加熱系統(tǒng) 28：夾具連接鍵

12：測量試件外壁熱電偶 29：夾具上螺紋

13：上自設(shè)計鎖緊圈 30：內(nèi)壁熱電偶

14：石墨圈 31：上冷卻空氣導(dǎo)管

15：上夾具 32：滑塊熱電偶

16：上推力軸承 33：滑塊

17：上夾頭 34：滑道

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)一步描述：

結(jié)合附圖，對本實用新型一種可旋轉(zhuǎn)空心氣冷溫度梯度試驗系統(tǒng)為實現(xiàn)模擬試件旋轉(zhuǎn)與空氣摩擦產(chǎn)生溫度梯度場所采取的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。熱機械疲勞試驗機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗條件下，試件熱機械疲勞試驗系統(tǒng)的機械載荷由疲勞試驗機產(chǎn)生，通過加載系統(tǒng)控制上下夾頭4、17施加拉伸載荷，經(jīng)過耐高溫上下夾具15、8傳遞至試件21，載荷類型由熱機械疲勞試驗機載荷譜控制。上下夾頭4、17內(nèi)接與上下推力軸承5、16，通過內(nèi)扣與試件連接鍵24連接。上下推力軸承5、16通過自設(shè)計軸承套20由鉚釘固定于上、下夾頭4、17。

試件及夾具如圖3所示。自設(shè)計鎖緊件通過自設(shè)計鎖緊件下螺紋25與夾具上螺紋29連接，加入連接鍵與自設(shè)計鎖緊件連接鍵26、夾具連接鍵28處固定，防止夾具因旋轉(zhuǎn)松動；試件螺紋22與自設(shè)計鎖緊件上螺紋27連接，加入連接鍵于試件連接鍵24、自設(shè)計鎖緊件連接鍵26處，防止夾具因旋轉(zhuǎn)松動。系統(tǒng)轉(zhuǎn)動動力由電機3產(chǎn)生，通過齒輪聯(lián)動系統(tǒng)6和下連接夾具齒輪7帶動下夾具8轉(zhuǎn)動使得試件21、上夾具15轉(zhuǎn)動，夾具上下兩端使用推力軸承5、16固定，既保證夾具8、15和試件21轉(zhuǎn)動，有效連接夾具與夾頭4、17，又很好傳遞加載系統(tǒng)的拉伸載荷譜。

系統(tǒng)高溫由電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)提供，如圖4所示。試驗條件下，熱感應(yīng)線圈10通過線纜9連接至電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，熱感應(yīng)線圈10、石墨圈14，環(huán)繞試件21，通過調(diào)整輸入功率實現(xiàn)對試件高溫試驗環(huán)境的模擬，保證恒定溫度場，為模擬溫度梯度場奠定高溫基礎(chǔ)。

系統(tǒng)冷卻氣流由空氣壓縮機和減壓穩(wěn)壓閥提供，試驗夾頭、夾具、試件均設(shè)計成空心結(jié)構(gòu)，冷卻空氣由上冷卻空氣導(dǎo)管31進(jìn)入，通過上夾頭17、上夾具15、試件21、下夾具6、下夾頭4后由下冷卻空氣導(dǎo)管2流出，通過轉(zhuǎn)子流量計控制冷卻空氣流量，保證試件內(nèi)部強制冷卻，使得試件內(nèi)外壁存在溫度差，產(chǎn)生溫度梯度場。

夾頭如圖5所示，測量試件內(nèi)部溫度的內(nèi)壁熱電偶30通過滑塊33與滑塊上部的滑塊熱電偶通過金屬片在滑道34處連接，保證旋轉(zhuǎn)條件下傳輸穩(wěn)定電信號。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。