一种热障涂层热振模拟测试装置及测试方法
【专利摘要】一种热障涂层热振模拟测试装置及测试方法，该装置燃烧系统中的喷嘴采用了收缩扩张喷管结构，样品采用了大尺寸的板状镍基合金基体与相同尺寸大小的气包连接，形成了类似于燃气轮机叶片中空的冷却结构，喷涂了涂层后，将其与中空送风管进行连接，插入转盘的安装孔中固定，由伺服电机控制单元控制样品的转动角度以及加热保温时间，接通电源以及冷却水后，打开气源，即可点火开始热振，加热与保温时间到后，旋转至冷却位置由涂层样品冷却风口喷出的冷空气进行冷却，样品完成一次热振，并记录于控制与显示器中；采用本发明装置以近似真实工况条件，模拟热障涂层高温、高速焰流环境下的热振与高温焰流冲刷过程，可提高测试结果的准确性、真实性。
【专利说明】
一种热障涂层热振模拟测试装置及测试方法
技术领域
[0001]本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种热障涂层热振模拟测试装置及测试方法。
【背景技术】
[0002]燃气轮机热通道部件运行工况恶劣，最高温度接近1500摄氏度。热障涂层是燃气轮机热通道部件的防护手段之一，应用于热通道部件表面对金属本体进行保护，防止金属本体在高温下，发生抗氧化、屈服、蠕变等失效。燃气轮机具有启动频繁的特点，热障涂层在燃机启停过程中受到高温高速焰流的热振、冲刷等作用而发生失效。在热障涂层热振寿命评价过程中，尚无统一、完整的测试系统可在近真实工况下模拟热障涂层的热振、高温气流对涂层的冲刷过程。目前通常采取两种方式进行模拟考核热障涂层的热振性能。第一种为通过高温炉、电磁波等方式将涂层加热至热障涂层常见运行温度，如1000-1200摄氏度，然后通过急速风冷或水冷等方式将涂层和基体整体降温至300摄氏度以下或室温状态。第二种为通过设计专用的装置，通过火焰加热涂层，在样品的基体侧，通过调整冷却空气将基体温度维持在一定温度，达到一定时间的保温状态后，通过急速风冷或水冷的方式将涂层冷却至300摄氏度以下或室温状态。与第一种方式相比，第二种方式更接近燃机热障涂层的运行工况，即实现了梯度热振，与真实工况接近。但这种热振过程采用的燃烧气流速度远远低于真实的焰流速度，无法模拟出高温气流对涂层的冲刷作用。
[0003]真实工况下，热障涂层不仅仅受到热振，还存在高温下气流的冲刷作用，传统测试方法中，仅仅模拟了热障涂层受到的热振过程，无法模拟高温气流对涂层的冲刷作用。此夕卜，传统热振模拟通常选用的是小型币状试样，典型的试样规格为25.4mmX3mm。这种小型试样在热振过程中，试样边界对测试结果影响极大，导致涂层从样品边界开始脱落，并向样品中心进行扩展，这与真实涂层服役过程中的失效不符，涂层过早失效。对涂层的真实热振寿命产生误判。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明目的在于提供一种热障涂层热振模拟测试装置及测试方法，通过更接近真实工况的条件测试热障涂层的热振性能，以提高热振性能测试结果的准确性。
[0005]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0006]—种热障涂层热振模拟测试装置，包括安装于喷燃器支座15上的燃烧室2，燃烧室2的一端通过管路连接冷却水、燃气和空气，燃烧室2的另一端插入喷嘴3，喷嘴3端部安装有点火器4;板状镍基合金基体6与相同尺寸大小的冷却气包17连接，形成中空结构，板状镍基合金基体6喷涂热障涂层后，中空结构与中空送风管16连接并插入转盘8的安装孔9中，通过螺钉与转盘8连接;伺服电机控制与显示器14与转盘8的伺服电机连接，设定并控制转盘8的旋转角度并定位，转盘8旋转规定角度后中空送风管16与连接有空气的气管11正对，气管11上设置有弹簧10，通过弹簧10自动将气管11送入中空送风管16末端的锥形孔中，并对接供气;所述转盘8上设置板状镍基合金基体6的个数为4-8个;还包括连接有空气的对板状镍基合金基体6进行冷却的涂层样品冷却风口 7。
[0007]所述喷嘴3采用了收缩扩张喷管结构，其喉部的直径为5_30mm，喉部下游扩张角度为0-30°，长度为5-250_，喷嘴3采用水冷或空气冷却方式，喷嘴3采用耐热钢制造。
[0008]所述板状镍基合金基体6的尺寸不小于80mm X 80mm，背面的冷却气包17的出气孔与板状镍基合金基体6背面距离为冷却气包17的出气孔为矩形孔或圆形孔，圆形孔的孔径为0.5mm-10mm。
[0009]上述所述的热障涂层热振模拟测试装置的测试方法，将板状镍基合金基体6、冷却气包17及其中空送风管16插入转盘8的安装孔9中，调整方向后固定于样品转盘8上，插上电源13，通过伺服电机实现所述板状镍基合金基体6及转盘8的旋转，通过伺服电机控制与显示器14控制转盘8的旋转角度；中空送风管16与气管11通过转盘8旋转定位后对接，冷却气体通过中空送风管16内部通道进入中空结构对板状镍基合金基体6进行冷却；打开气源和冷却水，在伺服电机控制与显示器14中通过点击“开始”按钮开始点火，并计时，运行过程中板状镍基合金基体6受到高温高速火焰5加热到规定时间后，由伺服电机驱动转盘8将加热后的板状镍基合金基体6旋转到冷却位置，由涂层样品冷却风口 7进行冷却，同时下一个板状镍基合金基体6进入加热位置进行加热。
[0010]冷却过程中，所述中空送风管16与气管11的连接采用了动态连接方式，中空送风管16与气管11的对接口为锥形结构，气管11底部通过弹簧10对气管11施加向上的力，使气管11顶端与中空送风管16形成公母配合连接，气管11上下伸缩距离为l_30mm。
[0011 ]和现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0012]I)通过不同结构的喷嘴，再配合燃气压力和流量调整，调节燃烧焰流速度，以更真实的工况，模拟热障涂层高温、高速焰流环境下的热振和高温焰流冲刷过程，以提高测试结果的准确性、真实性。
[0013]2)采用了大型板状试样，其面积远大于焰流与涂层作用的区域，减少了涂层在热振过程中受到涂层边界的影响，以提高测试结果的准确性。
[0014]3)样品采用了气包冷却方式，提高了冷却的均匀性，同时降低了样品边缘急冷引起涂层从边缘脱落的可能性。板状镍基合金基体与相同尺寸大小的气包连接，形成了类似于燃气轮机叶片中空的冷却结构。
【附图说明】
[0015]图1为本发明装置整体结构示意图。
[0016]图2为中空送风管与气管对接示意图。
[0017]图中:1-压力表，2-燃烧室，3-喷嘴，4-点火器，5-高温高速火焰，6_板状镍基合金基体，7-涂层样品冷却风口，8-转盘，9-安装孔，I O-弹簧，11-气管，12-箱体，13-电源，14-伺服电机控制与显不器，15-喷燃器支座，16-中空送风管，17-7令却气包。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0019]如图1和图2所示，本发明装置的安装和使用过程为:首先气路、冷却水管路与燃烧室2进行连接，采用喉部直径为15_，扩展角度为10°，长度为25_的耐热钢制喷嘴3插入于燃烧室2内，并通过螺纹连接，将点火器4安装于喷嘴3前端，将上述连接好的燃烧系统，安装于喷燃器支座15上。将10mmX 10mm板状镍基合金基体6与相同尺寸大小的冷却气包17连接，形成中空结构，然后对板状镍基合金基体6喷涂热障涂层，喷涂完毕后，将其与中空送风管16进行连接，插入转盘8中的安装孔9中，并通过螺钉与转盘8连接。在伺服电机控制与显示器14中设置旋转角度为90°，并进行定位，使其每次旋转90°后中空送风管16与气管11正对，通过弹簧10自动将气管11送入中空送风管16末端的锥形孔中，并对接供气。插上电源13，打开气源、冷却水等，在伺服电机控制与显示器14中通过点击“开始”按钮开始点火，并计时，启动热振，加热时间到后，旋转至冷却位置由涂层样品冷却风口7喷出的冷空气进行冷却，样品完成一次热振，并通过伺服电机控制与显示器14记录热振次数。
【主权项】
1.一种热障涂层热振模拟测试装置，其特征在于:包括安装于喷燃器支座(15)上的燃烧室(2)，燃烧室(2)的一端通过管路连接冷却水、燃气和空气，燃烧室(2)的另一端插入喷嘴(3)，喷嘴(3)端部安装有点火器(4);板状镍基合金基体(6)与相同尺寸大小的冷却气包(17)连接，形成中空结构，板状镍基合金基体(6)喷涂热障涂层后，中空结构与中空送风管(16)连接并插入转盘(8)的安装孔(9)中，通过螺钉与转盘(8)连接;伺服电机控制与显示器(14)与转盘(8)的伺服电机连接，设定并控制转盘(8)的旋转角度并定位，转盘(8)旋转规定角度后中空送风管(16)与连接有空气的气管(11)正对，气管(11)上设置有弹簧(10)，通过弹簧(10)自动将气管(11)送入中空送风管(16)末端的锥形孔中，并对接供气;所述转盘(8)上设置板状镍基合金基体(6)的个数为4-8个;还包括连接有空气的对板状镍基合金基体(6)进行冷却的涂层样品冷却风口(7)。2.根据权利要求1所述的一种热障涂层热振模拟测试装置，其特征在于:所述喷嘴(3)喉部的直径为5-30mm，喉部下游扩张角度为0-30°，长度为5_250mm，喷嘴(3)采用水冷或空气冷却方式，喷嘴(3)采用耐热钢制造。3.根据权利要求1所述的一种热障涂层热振模拟测试装置，其特征在于:所述板状镍基合金基体(6)的尺寸不小于80mm X 80mm，背面的冷却气包(17)的出气孔与板状镍基合金基体(6)背面距离为冷却气包(17)的出气孔为矩形孔或圆形孔，圆形孔的孔径为0.5mm-10mmo4.权利要求1至3任一项所述的热障涂层热振模拟测试装置的测试方法，其特征在于:将板状镍基合金基体(6)、冷却气包(17)及其中空送风管(16)插入转盘(8)的安装孔(9)中，调整方向后固定于样品转盘(8)上，插上电源(13)，通过伺服电机实现所述板状镍基合金基体(6)及转盘(8)的旋转，通过伺服电机控制与显示器(14)控制转盘(8)的旋转角度；中空送风管(16)与气管(11)通过转盘(8)旋转定位后对接，冷却气体通过中空送风管(16)内部通道进入中空结构冷却气包(17)对板状镍基合金基体(6)进行冷却;打开气源和冷却水，在伺服电机控制与显示器(14)中通过点击“开始”按钮开始点火，并计时，运行过程中板状镍基合金基体(6)受到高温高速火焰(5)加热到规定时间后，由伺服电机驱动转盘(8)将加热后的板状镍基合金基体(6)旋转到冷却位置，由涂层样品冷却风口(7)进行冷却，同时下一个板状镍基合金基体(6)进入加热位置进行加热。5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于:冷却过程中，所述中空送风管(16)与气管(II)的连接采用了动态连接方式，中空送风管(16)与气管(II)的对接口为锥形结构，气管(11)底部通过弹簧(10)对气管(11)施加向上的力，使气管(11)顶端与中空送风管(16)形成公母配合连接，气管(11)上下伸缩距离为l_30mm。
【文档编号】G01N3/60GK105823701SQ201610299134
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】李太江, 李巍, 李勇, 杨二娟, 刘刚, 李聚涛
【申请人】华能国际电力股份有限公司, 西安热工研究院有限公司