用于在自旋式测试环境下燃气涡轮的回转体上产生热机械疲劳的系统和方法

专利名称：用于在自旋式测试环境下燃气涡轮的回转体上产生热机械疲劳的系统和方法
用于在自旋式测试环境下燃气涡轮的回转体上产生热机械
疲劳的系统和方法对相关申请的引用本申请要求于2008年6月20日提交的美国第61/132，686号临时专利申请的利 益，所述申请的全部教导通过引用并入本文。关于联邦政府所发起的研发的申明本发明是在政府所支持的由美国空军授予的第FA 8650-05-025 协议下进行 的。因此，政府享有本发明的某些权利。
背景技术：
现代的燃气涡轮的发动机的流动路径从风扇的输入端到低紊流的释放端上经历 了一系列的轴向上的温度变化。由于流动路径是一种近似封闭的系统，并与内置部件和外 部部件、刮片、翼片隔绝开，因此安装在系统中的圆盘的边缘在气体路径中的操作温度到达 2500 0F (表面温度)，在高涡流中的圆盘的边缘的温度为2500-3200 °F。相反地，位于流 动路径中的圆盘连接板和钻孔被定位在空腔中，通过旋转的迷宫式密封和压力平衡进行隔 绝，以防止热气体被吸入到发动机的内核中。精确设计的二次流系统使圆盘上的钻孔和传动轴保持在较低的温度，以限制刮片 半径的增长和使材料结构的性能最优化。维持和控制圆盘的边缘和钻孔之间的热梯度将会 控制瞬时的圆盘/刮片的增长和使顶部摩擦和合成的空气动力性能的损失最小。边缘-钻孔的热梯度表示的是附加的分应力与旋转力相结合。在许多情况下，热 应力分布可以超过机械应力。因此，在机械应力和热应力之间会存在相位滞后的情况。在 高涡轮中，圆盘上的钻孔越是隔绝的和厚重的，越是容易发生相位滞后。相位的问题也会受 到操作性能的影响，原因就在于，达到一定程度的功率操作确定了梯度的精度。这将产生一 种情况，即不同的操作人员会由于他们操作发动机的方式而可能会经历不一样的旋转部件 的寿命。结构性整体的人员面临尝试建立部件的寿命极限的挑战，同时改变弹性的/非弹 性的张力和材料行为。由于没有通用的材料测试的方法(在喷气式发动机的外部)，来自材 料的订货测试的数据是一些有限值，包括与实际的正在旋转的速度相同步的径向热梯度。 换句话说，目前没有模拟热疲劳和机械疲劳(TMF)的负载循环周期的方法。考虑到现有的与产生耐用性和寿命预测模式的相关测试，和全部的发动机的测试 费用(每一个都是6M+六百万)，没有一种用于实施代表性的TMF测试的具有成本效益的方 法是现实可用的。目前的部件设计方法也是非常昂贵的，通常要求进行若干次重复才能获 得“最好效果”的方案，因此，发动机工程需要增加数百万美元和数月的计划才能得以进行。此外，在发动机的发热部分中与故障有关的TMF是产生A类事故、低的总累计循环 周期(TAC)的有用寿命、故障中的平均时(MTBF)和维修中的平均时(MTBM)的关键因素。由 较好的测试所产生的在设计上的改进具有形成更为抗TMF的影响的部件的潜力，帮助更为 先进的发动机在发热部分达到4300TAC的寿命，并有助于传统发动机将发热部分的寿命延长到5000或者可能是6000TAC。部件的耐受力方面的所述的提高可以为美国空军在未来的 维修成本上节约数百万美元。结合的DOD (国防部)和经济市场节约可以达到数十亿美元。基于使用寿命系统的分析在部件的使用寿命的评估上具有不足，并导致增加操作 人员在替换部件时的经济负担。而且，现有的分析工具可以模仿发动机的部件和TMF负载， 所述的模仿分析的结果可能不足以预测物体的响应和受到通常被燃气式涡轮发动机所包 围的环境影响的材料。举例来说，构建所述的模式进行的假设和估计可能会对测试结果产 生夸大的和不能理解的影响。实际的测试结果和预想的结果之间的联系有时的变化非常 大，通常引导设计人员对发动机部件的预测的使用寿命进行详细的保守估计。商用和军用的发热部分的部件通常在特定数量的循环周期时间或者TAC后进行 更换，给定的发热部分的部件是额定的。这种部件的TAC的循环周期的特殊数量的确定是 部分基于特定的部件。人们通常相信，已经达到TAC的循环周期的特定数量的替换下来的 部件还具有额外有用的使用寿命。举例来说，由于在严格的TMF条件下所缺乏的关于材料 行为的知识所导致的发动保守性通常会导致对发热部分的旋转部件的较短的描述寿命。举 例来说，ERLE(发动机的回转体的使用寿命的延长)等工程需要通过更好的测试方法寻求 验证，当前的部件设计确实需要具有更长的使用寿命。可以预见，通过不用更早地更换部 件，每年将可以节约可观的成本。迄今为止，由于缺少能够复制发动机的热漂移的高热通量炉，TMF测试中的旋转凹 痕在某种程度上是不能实现的。现有技术中的测试已经与循环周期速度进行控制，但并非 是恒量梯度。恒量梯度通常与感应加热器或者阻抗元件的加热器一并产生。在涡轮发热部 分的部件中，边缘的温度可以达到2500 °F或者更高。

发明内容
根据本文所揭示的系统和方法，一种可控的，高热磁通量源将提供可以选定的高 热磁通量来把热负荷施加到测试物体上。测试物体可以定位在自旋式测试工具上，并且可 以经受通过施加在测试物体上的高的旋转速度所产生的机械负荷。根据一个实施方案，热 负荷和机械负荷被同步施加到测试物体上，以便在燃气式涡轮发动机的环境中有效地重复 操作条件。在测试条件下，在部件旋转的过程中，高热的磁通量源可以与部件进行紧密的连 接。可以控制的高热的磁通量源能够周期性地通过与旋转或者自旋周期相结合或者同步的 方式来将热负荷适用到部件上。举例来说，在测试中，热负荷和机械负荷可以施加到部件 上，这是通过将来自高热的磁通量源的高热磁通量应用到部件上，同时使部件以高的旋转 速度发生自旋来实现的。热负荷和机械负荷可以适用在不同的相位阶段中，而且可以施加 到不同的程度，以便在测试部件上重复产生实际的负载条件。举例来说，实际的负载条件可 以模拟在燃气式涡轮发动机中的负载条件，测试中的部件是涡轮回转体或者是为所述发动 机所模拟的涡轮回转体。根据可以效仿的实施方案，高热的磁通量源可以是一种石英灯，其与测试部件紧 密相连。石英灯可以提供定位的高热的磁通量，举例来说，在测试部件中的边缘部分中定位 的高热磁通量。可以控制石英灯以将高热的磁通量适用到测试部件的边缘部分上，或者在 相对紧密的环形中，从而在旋转的测试部件的径向方向上产生热梯度。提供给石英灯的能 量可以被调整用于产生所需要的高热磁通量来适用到测试部件上。石英灯的使用可以允许在测试部件上形成某种可以控制的梯度，根据需要用于提供灵活的和简化的测试环境，其 是可以施加的和可以移除地，以便将任意数量的热负荷和机械负荷适用到测试部件上。根据另外一个可以效仿的实施方案，可以将一种冷却液体源提供到测试工具上， 该冷却液体源可以适用到测试部件的热负荷和机械负荷上。冷却液体源可以提供碰撞的冷 却空气，举例来说，通过分布来控制测试工具中的温度或者热梯度，或者用于测试部件中。 可以在测试工具上的各种不同位置上提供冷却液体，或者在测试部件上提供冷却液体。举 例来说，在燃气式涡轮发动机的回转体的情况下，根据不同的几何分布，冷却液体可以引导 到边缘，连接板或者回转体的钻孔中。碰撞的冷却液体可以，举例来说，周期性地将热负荷 施加到测试部件上。根据另外一个可以效仿的实施方案，可以提供一种控制系统用于允许进行选定的 热负载和机械负载，以及周期性地施加到测试部件上。控制系统可以包括用户界面，其允许 用户提供设定点或者用于操作测试工具的其他的控制输入设定。用户界面也可以允许用于 接收发送到用户界面上的输出形式的信息。例如，用户界面可以包括自动输出设备，举例来 说，扬声器，喇叭，铃铛，或者可以发出声音的其他物品，以提供关于测试或者测试工具的信 息。用户界面也可以或者可以选择的是，包括可视的输出设备，例如，灯，显示器或者可以发 出可视输出的其他物品，以提供关于测试或者测试工具的信息。控制系统可以用于设定在测试部件上的热负荷和机械负荷的分布，以及用于控制 参数的临界值，出于安全性或者是部件的完整性的考虑。可以提供控制用于允许设定点或 者其他的控制参数，以便在测试过程中可以改变或者更新参数，以允许实时的改变或者控 制，即“匆忙的”。控制系统允许进行控制策略的操作，包括热量控制策略，以有助于将循环 时间最小化，包括热量的循环时间，以减少测试循环周期和费用。根据实施方案，自旋式的凹痕测试，例如，高速自旋式测试，可以与热负荷结合在 一起，所述热负荷是在所使用的各种不同的类型的旋转部件，举例来说，在燃气式涡轮发动 机中进行的定向的热机械疲劳测试中使用的。回转体部件的设计和使用，举例来说，较轻的 压缩机的回转体和较重的涡轮回转体可以受益于所述测试的优势。根据本文所揭示的系统 和方法，高热的磁通量系统可以与自旋式的凹痕试验台相结合，并且可以被控制用于与测 试物体的旋转速度同步，以根据所需要的循环参数和值来允许温度梯度和速度的交替。可 以控制的高热的磁通量系统与自旋式试验台的结合，提供了适用于模拟真实的发动机操作 条件的环境。如同热源一样的可以用于产生高热的磁通量的任何其他类型的设备可以被控 制用于适用到测试物体上，举例来说，回转体。根据可以效仿的实施方案，可以使用多个石英灯作为热源以产生被控的高热磁通 量。在效仿的配置中，可以使用具有反射镜配置的多个石英灯来聚集的热磁通量。反射镜 配置可以用冷却源进行冷却，其可以排列为具有冷却液体的冷却源，举例来说，水。温度反 馈传感器可以在石英灯和/或反射镜的配置中上使用，以便为所适用的热负荷获得控制参 数。在一个可以效仿的实施方案中，测试工具可以配置有自旋式测试以施加机械负 荷，举例来说，旋转速度为40，000RPM。机械负荷可以与热负荷、可变热负荷，热梯度和/或 可变的热梯度相结合。举例来说，在上文中所讨论的温度范围内的热梯度可以与机械负荷 同步适用。
由自旋式测试和热负荷所给予的机械负荷可以通过在给定的速度和温度下测量 张力来确定。举例来说，测量设备和感应设备可以用于测试工具中，以允许在40，000RPM的 速度下和不具有热梯度是测量张力。根据一个实施方案，需要的径向热梯度是通过将热能量聚集到有限的偏离的热辐 射中获得的。热梯度可以通过将高热的磁通量源引导到测试中的物体上的特定位置上来产 生。高热的磁通量源可以通过感应、激光、石英灯、聚焦的石英灯、碰撞、阻抗或者其他能够 产生高热的磁通量的来源产生高热。幸运的是，测试工具可以包括散热设备或者采用散热 方法来提高热效率。根据一个实施方案，重要的代表热梯度被施加在低循环周期疲劳(LCF)自旋式测 试工具环境中的刻度旋转涡轮发动机的部件上。自旋式测试环境可以包括柔性空间，而且 是可以操作的，举例来说，在Iatm下操作。测试工具根据可以包括加热和冷却设备和相关 的仪器装置和控制系统。仪器装置和控制系统可以用于使热控制的策略能够导致真实的 热梯度到旋转物体上，举例来说，典型的尺寸、质量和与燃气式涡轮发动机的部件有关的材 料。一种代表性部件的实施例中的真实的测试条件是希望被施加到刮片式的高压压缩机 (HPC)的回转体中。施加到测试工具中的高压压缩机的回转体的样品上的典型的热梯度是建立在边 缘上的大约1000 1400 围和在钻孔中的大约300 600 °F的范围的内线性的和 非线性的分布或者线性的和非线性的分布的结合。


在此揭示的系统和方法将结合以下对应的附图进行更为详细的描述，其中附图1是轴对称的圆盘模型的示意图；附图2是表示轴对称的辐射热模型的示意图；附图3是边缘温度和钻孔温度vs时间的图形示意图；附图4是圆盘边缘和钻孔的热功率vs温度增加的图形示意图；附图5是加热回转体的边缘的功率vs时间的特征曲线图形示意图；附图6是回转体的边缘上的热传递系数的示意图；附图7-9是一些图表，其对根据本发明的可以效仿的实施方案相关的加热方法所 得到的不同的热传递的系数进行预测的边缘温度进行了说明；附图10-11是一些示意图，显示的是用于热膨胀分析的回转体的机械模型；附图12-13是一些示意图，显示的是在旋转压力作用下的典型回转体的边缘偏转 的模型；附图14-15是一些示意图，显示的是经受热应力和机械应力的回转体的模型；附图16是根据在此揭示的系统和方法的回转体的测试的循环周期的参数进行解 释说明的图表；附图17是根据在此揭示的系统和方法的可以效仿的实施方案的测试工具的侧面 剖视图，显示的是在测试下的回转体上所使用的仪器；附图18是对根据在此揭示的系统和方法的可以效仿的实施方案的加热装置的示 意附图19是根据在此揭示的系统和方法的可以效仿的实施方案的石英加热灯的透 视图；附图20-22是根据在此揭示的系统和方法的可以效仿的实施方案的适用到测试 工具上的冷却装置的示意图；附图23是阀动图，对根据在此揭示的系统和方法的可以效仿的实施方案的冷却 液的流动路径进行了距离说明；附图M是对回转体的温度梯度和时间之间的关系进行解释说明的图表；附图25是对回转体的温度梯度和在测试的循环周期中的时间之间的关系进行解 释说明的图表；附图26- 是对回转体温度在单个的测试的循环周期中的分布进行了解释说明 的图表；附图四是对回转体空腔中的空气温度进行解释说明的图表；以及附图30是对回转体碰撞的冷却温度的图表。
具体实施例方式于2008年6月20日提交的第61/132，686号美国临时申请的全部教导在此通过 引证并入本文。通常人们可以接受的是，存在着一种确定燃气式涡轮发动机的部件的显著的额外 的安全工作寿命的潜能。延长所述的发动机部件的有用的工作寿命意味着为国防部(DOD) 和商业用的涡轮和工业上的燃气涡轮操作节约相当可观的资金。FEA模型和经验上的热梯 度测试之间的相关性可以帮助减少与当前的保守寿命估计相偏离的风险，以及可能潜在地 导致在替换之前，在更多的循环周期或者总累计循环周期(TAC)中的发动机部件的检定。 所述检定可以节约商业上的工业上的操作人员，包括军方的或者其他政府部门的人员，通 过增加检查之间的时间和减少用于满足海军航行器的准备齐全的规范要求的财产清册中 的备件数量来节约大量的资金。测试的燃气式涡轮发动机的部件可以是具有挑战性的，尤其是，如果部件被用于 在模拟真实的燃气式涡轮发动机条件的环境中进行的测试。部分地说，由于对燃气式涡轮 发动机的部件进行测试的挑战性，人们难以确定发动机部件的可操作的寿命。通常存在一 种趋势，以提供对于发动机部件的使用寿命的保守的估计，从有限的现有数据来看，归因于 在部件上进行真实的测试的难度。至少部分是由于所述的保守估计，通常人们接受这样的 预测，即存在着一种确定燃气式涡轮发动机的部件的显著的额外的安全工作寿命的潜能。 关于燃气式涡轮发动机的部件的额外的安全操作使用寿命的知识可以有助于延长部件的 有用的使用寿命，其意味着能够帮助燃气式涡轮发动机的军方的或者商业用户节约大量的 资金。在航空应用中的现代的燃气式涡轮发动机的操作过程中，举例来说，涡轮和元数 据的回转体经受着同时发生的旋转速度和温度的快速改变，即地面空转到起飞的提前减 速，维持高速和温度一段停留时间和返回到地面空转和停机。在这些瞬间和稳定的操作点上，旋转部件，尤其是涡轮和压缩机的圆盘，维持着内 部直径(钻孔)和外部直径(边缘)之间的大的温度梯度。这些温度梯度是需要的，而且是经过设计的，用于维持冷却器的内部发动机的温度，即为了保护油槽和轴承免受过高的 温度。然而，在建立这些温度梯度时，以及在维持操作温度，大的热应力被施加到圆盘上，热 应力是除了机械应力之外的的力，举例来说，离心力，举例来说，是由高速旋转所产生的力。 同样地，在瞬时的发动机操作中，或者发动机/圆盘的加速/减速，存在相位差，或者机械应 力和热应力之间的滞后。与热负荷相比，机械负荷和离心负载被更快地施加或者移除。在一种可以控制的环境中，通过圆盘的热和离心循环，举例来说，回转体，可以获 得更容易理解的离心的/热的交互作用，而且可以用于获取对于剩余的圆盘使用寿命的更 为清楚的理解。所述理解可以为设计具有更长的使用寿命的圆盘提供机会，而且可以减少 延长圆盘的服务寿命的风险。根据在此揭示的系统和方法以及根据本文所揭示内容，热负荷和机械负荷被施加 到测试物体上，举例来说，以便对燃气式涡轮发动机的操作条件进行估计。施加到测试物体 上的负载的参数值，其可以是来自燃气式涡轮发动机的高压压缩机的回转体，可以在所述 的发动机的条件的基础上进行相应的选择。举例来说，施加到回转体上的典型的热梯度可 以导致，回转体上的边缘温度在大约450 °F到大约1400 °F之间的范围内进行变化，钻孔温 度在大约300下到大约600 °F之间的范围内进行变化，具有线性的和非线性的分布或者是 线性的和非线性相结合的分布。上文中所述的梯度可以应用到旋转的回转体上，回转体可 以具有的旋转速度是大约1，200RPM到40，000RPM的范围内。根据在此揭示的内容，测试工具提供的热梯度和在测试工具中提供的旋转负载是 可以被控制用于产生所需要的测试分布和循环周期。理想的测试分布和循环周期间隔可以 是在大约30秒到大约300秒的范围之内。作为时间循环周期的一部分，回转体的边缘可以 从室温加热到理想的热峰值(举例来说，在上文中所提到的)，以便在接近30秒或者更少的 时间内建立理想的梯度。举例来说，圆盘边缘可以从室温(300下)加热到峰值热度950下， 举例来说，在30秒的时间内。类似地，用于减少或者去掉在回转体上建立的热梯度的冷却时间的理想的范围是 在大约30秒到大约120秒。这些温度、热梯度、速度和循环时间的类型通常是理想的TMF 负载。然而，根据在此揭示的内容的测试工具可以提供一种广泛变化的热负荷和机械负荷 值，包括上文中提到的内容，以及在本文所揭示的控制系统中可以获得的其他范围值。由于对燃气式涡轮发动机中的部件进行测试所存在的困难导致的可以获得的数 据的局限性的原因，设计人员通常采用的是建模分析的方法，该分析方法使用的是仿真技 术，包括有限因素分析(FEA)模型，具有热负荷和机械负荷的模拟以有助于对可操作的使 用寿命进行预测的确认或者理解。举例来说，燃气式涡轮发动机的部件的热分析可以使用 软件分析工具进行，举例来说，例如，ANSYS 。分析工具，例如，ANSYS可以用于提供对于响 应于在测试工具上的测试物体的热负荷和机械负荷的预测。举例来说，一种分析工具可以 用于预测回转体上的双轴应力，其可以与真实的测量进行对比，以确定从分析软件中获得 的模型预测的有效性。用于对测试物体进行分析以确定或者预测对热负荷或者机械负荷的响应的模型 和分析工具可以根据在此揭示的内容进行应用。举例来说，FEA模型已经被用于对燃气式 涡轮发动机的部件的使用寿命进行估计。通过将FEA模型与根据在此揭示的内容所获得的 热负荷和机械负荷的经验结果进行关联，可以降低与现有的保守使用寿命的估计相偏离的风险，而且可以允许识别有助于提高对使用寿命的估计的设计因素的可能性，或者可以潜 在地导致在对给定的部件进行替换之前的更多的TAC中的部件的论证。一种可以效仿的燃气式涡轮发动机部件，其可以是用于燃气式涡轮发动机的十阶 的压缩机回转体，可以在TMF测试工具中用作测试物体。在本文中，十阶压缩机的回转体也 可以是指能够相互替换的圆盘或者回转体，而且其意为着包括测试物体或者测试部件的术 语使用。在进行真实的测试之前，部件的模型可以使用分析工具进行发展，举例来说，上文 中提到的软件分析工具，以便对应于到TMF负载上的部件的响应进行确定或者预测。测试 部件可以是真实的燃气式涡轮发动机中的部件，也可以是部件的模拟件，部件的一部分或 者是对于TMF负载来说是理想的测试物体的任何类型。根据部件的附图或者其他的示意 图，测试部件的几何形状可以发展和输入到模型中，举例来说，电脑所产生的示意图。举例 来说，可以产生复合制图(UG)的模型，以及可以制作ANSYS的网状结构。所述的模型可以 用于初步的/最终的分析，包括但不限于以下内容 热辐射的加热预报； 碰撞冷却预报； 圆盘挠度分析； 热应力分析； 离心力分析； 偏差分析。根据在该实施例中的圆盘的几何形状，可以包括刮片质量的影响。术语“刮片”包 括用于与回转体部件相连接的楔形榫头部分。在该实施例的十阶的元数据回转体中，六(6) 片代表性的刮片被进行称重，为每一个刮片进行重心估计，并且计算+3σ的统计分布。将 +3σ刮片的重量记录刮片(92)的数量建模为刮片的重心(CG)上的质量点。刮片模型将刮 片负载导入到圆盘边缘中。表1显示的是刮片的重量计算结果
刮片重量1重量2
(gm )( gm )
112.40012.400
213.30012.300
312.10012.100
412.50012.600
512.70012.800
612.50012.800
平均值12.58312.500
减值0.3670.258
总重量75.50075.500
总设定重量1157.667gm
总设定重量 2.549927Lb
+3sig wt3.651062Lb
表 1表1显示的是最终的ANSYS圆盘模型。辐射的热交换器分析被用于对的圆盘的热响应进行量化和预报为辐射的和传导 的热量，以及用于建立作为结果的圆盘温度分布。圆盘的温度响应是通过石英灯作为热磁 通量源来进行分析的，每一盏石英灯都是在10千瓦，20千瓦和32千瓦下进行操作的。可以 适应任何能够达到所需要的热分布的具有适当功率的石英灯。除此之外，也可以使用任何 适当的热源来进行分析，这些热源具有在分析中建立的潜在的不同的特征的来源。可以效 仿的分析的结果被划分，以确定时间与温度和功率之间的关系，以及边缘和钻孔之间的温 度分布。附图2显示了模型的边界条件。石英加热器的输入是稳定的常量，以及抛物线的 反射镜几何形状被建模用于产生辐射的能量输入，其与圆盘的表面一样。在附图3中显示的是IOkW输入的瞬间分析，其解释说明了瞬间温度的响应，其中 钻孔和边缘的温度与时间之比可以进行预报。通过完成在不同的功率水平下进行的相同的 分析，举例来说，20kW和32kW，可以进行对功率、时间和圆盘温度的分布的估计。这些分析 的结果显示在附图4和附图5中，其中分别解释说明了加热器的功率和时间与温度的关系。之前研发的ANSYSY模型被用于进行传导性热传递分析。系统的响应以各种不同 的传导性的热传递系数进行，而且参数值被确定用于设定本文所揭示的测试工具。同样地， 独立的边缘和钻孔的碰撞冷却效果也被进行分析，而且效果被进行量化。使用已知的分析方法对在模型的回转体中的各个不同的位置上的热交换系数(h) 进行估计。附图6解释说明了圆盘的边界条件和传导性的热交换分析的结果。为了确定圆盘温度分布和时间之比，可以采用瞬时的热交换分析。在附图7中显 示了典型的瞬时响应。人们将会注意到，附图7显示的是对传导和碰撞的加热和冷却的圆 盘响应。该结果被用于分析性地预报测试工具的有效性，尤其是对于加热和冷却系统而言。 分析是在变化的h值100，150，200 (BTU/hr-ft2 0F )条件下进行的。上文中关于h值的分 析的结果分别显示在附图7-9中。可以在测试工具中采用的对于碰撞冷却系统的分析产生了多个有用的预报。举例 来说，分析预报了作为实施例的回转体的足够的圆盘冷却时间是可以获得的。分析进一步 指出，可能会发生作为实施例的回转体的从边缘到钻孔的温度逆转，其可以导致关键的膨 胀模式。除此之外，分析指出系统对h值是敏感的。这一分析的信息与辐射的加热分析一 并被用于确定测试工具的配置和用于作为实施例的回转体的TMF测试循环周期。在足够的流动速度下，举例来说，Ilbm/秒，70 T的工作温度，和为可以效仿的 回转体进行的设定选择，举例来说，配置冷却空气的喷嘴设置，预测h的值为100(BTU/ hr-ft2°F )，而且在全部的进一步的计算中使用。h值是测试物体的热响应的测量值，而且 可以在上文进行的分析的基础上作出估计。真实的响应可能是快速的，指明可以获得更高 的h值，或者可能是缓慢减少的，指明可以获得更低的h值。在实践中，可以在经验结果的 基础上，对测试工具的参数进行调整以补偿在预测的h值中的变化。以上分析指明，在圆盘上的相反的温度梯度是可能的，S卩，边缘温度小于钻孔温 度。这种状态可以在测试过程中发生，举例来说，如果钻孔的冷却不如边缘的冷却有效和/ 或钻孔的室温缓慢“蠕变”高于时间而导致逆向的温度分布。作为温度发生逆向的结果，圆 盘连接板可能膨胀并导致机械故障。进行圆盘的机械分析以计算关键温度，其可以导致这一现象。之前讨论的ANSYS模型被用于计算弯膨胀负载。理想的是，获得最低的温度差的保 守的预测，其可以导致基本的膨胀模型以有助于确保获得关键的膨胀模型。对应地，零(0) 旋转速度被假设用于上文所进行的讨论的计算中。—种重复的方案被用于确定关键的温度分布AT边缘/钻孔，其可以导致圆盘膨 胀。在可以效仿的回转体的分析模型中，钻孔温度相对于边缘温度逐步反复升高。可以发 现使用这一方法的二( 特征值和特征向量。由于分析是与没有旋转速度的假设一并进行 的，因袭没有离心扶强，可以为关键温度或者热梯度确定保守的ΔΤ边缘/钻孔，其可以导 致圆盘膨胀。附图10-11显示的是预报关键的膨胀模型的实施例，其可以发生在关键的温 度上。在0旋转速度的条件下，如果Δ T边缘/钻孔高于155 °F或者更高的温度，附图10 显示的基础的圆盘膨胀模型是可以预报为可能发生的。附图11显示的是另外一个圆盘膨 胀模型，其预报发生的条件是ΔΤ边缘/钻孔高于392下。这些可以用于估计测试过程中 的可以效仿的测试部件的安全的操作范围。举例来说，测试过程中的无意识的测试部件的 严重故障可以通过使用安全警报的方式来预防，关闭或者其他的安全响应，当超过给定的 热梯度值，以避免严重的膨胀模式的发生。在测试工具中，两个热电偶可以被监控以计算边 缘到钻孔的温度差。鉴于上文中对可以效仿的回转体进行的讨论，如果ΔT边缘/钻孔变 化很快，举例来说，高于140 °F，可以启动警报或者其他的报警装置。如果圆盘开始旋转，可 以效仿的报警装置可以允许加热器启动以提供热量来减少梯度。用于可以效仿的测试部件的若干其他的分析是可以采用的，包括热偏差和离心偏 差分析，以确保在操作期间的足够的定子/回转体(轮隔片)清洁，以及热应力和离心力 分析为核实圆盘压力，和压力范围，对于圆盘材料来说是可以接受的，以帮助防止或者减少 测试过程中的圆盘故障的风险。这些分析包括可以使用的在回转体结构上的刮片重量的效 果。附图12-15显示的是离心偏离/应力分析和热偏离/应力分析的结果。可以效仿的测试部件的分析结果被用于对可以效仿的测试部件的初步的测试工 具的配置和TMF测试循环周期进行限定。举例来说，分析结果可以用于确定静态的和旋转 的仪器的使用，以设定或者控制安全参数，用于加热和冷却的系统的仪器的限制和/或设 计参数。人们将会理解，在真实的测试开始之前的可以效仿的测试部件的整个采用的分析 是非常有用的，它并不是在每一个循环周期中都是需要的。举例来说，已知的数据或者已经 建立的对于给定的部件的可以操作的参数的估计可以用于确定将用于对给定的部件进行 测试的测试工具的配置和循环周期。用于测试部件的现有的分析也可以用于预报施加在不 同的测试部件上的TMF响应，对于不同的测试部件的响应是已知的或者可以通过足够的精 确度进行估计。根据在此揭示的系统和方法中的一个可以效仿的实施方案，所提供的测试工具可 以获得等同变化的温度梯度和在旋转的测试物体上的机械张力梯度。测试工具可以估计燃 气式涡轮发动机中的一些条件，以将TMF负载施加到测试物体上。考虑到可以效仿的回转 体作为测试物体，边缘-钻孔温度的梯度可以是边缘的峰值温度，1000下。高密度的热磁 通量被施加到测试物体的边缘上以建立峰值温度和测试物体上所需要的温度梯度。温度梯 度可以在大约500 范围内，其可以获得，举例来说，当边缘的峰值温度达到大约1000 T时。测试工具可以在压缩机和用于燃气式涡轮发动机的涡轮部件中使用，适用于航空 器和陆地基础的应用，包括工业化的燃气涡轮。在上文中进行讨论的基础上，可以在测试工 具中设定参数值，或者在进行真实的回转体测试之前，举例来说。石英灯的功率分布、循环 时间、旋转速度分布和安全设定点都可以在测试工具中建立，设定为回转体上的TMF测试。回转体的圆盘可以水平安装或者垂直安装，这取决于测试工具的配置。在可以效 仿的回转体中，圆盘是刮片式的，和刮片可以安装在圆盘的刮片安装器中。任选的独立的刮 片安装器，举例来说，可以使用Ni-chrome带，尽管独立的刮片安装器通常都不是组件中的 一部分。在测试过程中，全部的刮片都维持在回转体上。测试工具包括用于安装测试部件的腔室，其可以经受TMF负载。驱动马达具有驱 动轴，安装驱动马达是用于允许驱动轴可以延伸到腔室中。驱动轴可以是一种中空的驱动 杆。支架可以安装在驱动轴上，以用作的测试部件的安装结构，举例来说，回转体。驱动马 达可以是涡轮驱动的，其在压缩的空气补给条件下进行操作。压缩空气可以调整为用于控 制马达的速度，举例来说，半影控制。腔室可以是可以选择的或者是部分密封的，以允许变 化的压力可以适用到腔室中。举例来说，压力作用下的流体，举例来说，氮气或者空气可以 引导到腔室中。除此之外，真空可以被吸入到腔室中以以允许TMF负载可以以较小的干扰 来进行施加。在真空腔室的情况下，辐射的热源可以用于传递热负荷和测试部件上的热梯 度。可以使用任何类型的马达驱动来执行机械负荷通过离心力的操作，包括以电子和磁力 为基础的驱动。由于监控TMF回转体的温度的真实的时间是需要的，传感器可以安装在测试工具 上的特定的位置上或者安装在回转体上，以跟踪径向的温度分布。顶传感器可以用于对温 度进行感应，但是可能会经历来自有石英灯系统所产生的高偏离的辐射的干扰，其可能导 致测量值的误差。表面安装的K型热电偶也可以用于进行温度的测量。在目前的测试实施例中，热电偶组可以用于跟踪从边缘到钻孔的圆盘半径范围内 的温度梯度。举例来说，可以使用两组四个⑷热电偶并且可以布局用于对温度进行测量 和对热梯度进行确定。可以效仿的热电偶的位置是在作为实施例的回转体的转动的边缘、 连接板、螺栓圆周和钻孔上。任选的传感器可以用于监测刮片的温度。附加的热电偶可以 安装在支架上以监测热电偶的导线传动点。可以改变热电偶中使用的K型导线以允许被覆 盖的直径可以安装到中空的驱动杆中，其最后将在观接触滑片边缘上停止。附图17对在 测试工具中的回转体上的可以效仿的配置中的热电偶的位置进行了举例说明。可以使用高温粘合剂通过适当的张力环来将小型轴承TC导线连接到圆盘上。在 中空的驱动杆的入口，导线可以改变为覆盖式的，以防止变短和发热。热电偶的位置可以选 择为在圆盘上能够产生均衡的重量分布。举例来说，理想的热电偶的位置可以选择用于进 行温度的测量，以及热电偶的位置，或者均衡的质量位置，都可以被选择为获得在圆盘上的 平均的重量分布。具有所述的均衡分布，在TMF负载作用下的圆盘特性将不会收到仪器的 显著的影响。热电偶可以提供实时的温度数据，可以用于与预测的分别进行对比。可以选择的 是，静态张力的计量器可以用于测量机械应力或负载。可以采用某些防范措施来保护位于 边缘和连接板区域中的张力计量器免受过高的温度。除此之外，或者可以替换的是，测量设备，举例来说，热电偶，可以确定位置和用于监测在测试工具自身中的条件。举例来说，附加 的仪器可以用于监测石英灯和灯具固定夹之间的电连接。测试工具可以具有数据获取系统 (DAQ)，以便记录和测量圆盘和轮隔片的温度。控制器，举例来说，可以是一种可编程的逻辑 控制器(PLC)，通过对传感器和其他的设备参数进行采样的方式来获取数据。所获取的数据 可以用于提供适用于测试工具的闭环控制，而且也可以用于记录以提供测试条件的记录内 容。控制器的采样率是可以调节的，以致可以对TMF负载的循环周期进行数据的改变量的 控制。一旦作为实施例的回转体和/或测试工具根据需要进行装备，测试周期就可以开 始将TMF负载施加到回转体上。人们将会理解，可以使用多变的仪器装备或者这些装备的 改变可以在测试工具中忽略，这取决于所需要进行的测试和/或测试部件。除此之外，仪器 可以用于对测试工具进行控制。根据在此揭示的内容的测试工具中的装备和控制系统可以允许TMF负载根据各 种不同的分布或控制策略而被施加到测试部件上。举例来说，控制的执行可以使用仪器反 馈来引起旋转圆盘中的真实的热梯度，其模拟燃气式涡轮发动机的操作条件。真实的热梯 度的实施例可以具有的温度范围是，在旋转圆盘的边缘处是在大约450下到大约1400 °F之 间，在旋转圆盘的钻孔处是在大约300下到大约600下之间。控制策略可以包括设定点或 者循环分布，以达到所需要的测试目标，举例来说，使循环的加热和冷却时间最小。此外，控 制策略还可以根据给定的分布来施加等同的热负荷和机械负荷，举例来说，通过在热负荷 和之后的机械负荷的应用之间设定特定的相位。举例来说，机械负荷或者机械应力可以是 离心力的形式。控制系统可以提供控制以产生被控制的可变的热梯度，举例来说，从回转体的边 缘到钻孔上的热梯度。热梯度可以是线性的，非线性的或者是线性的和非线性的结合，而且 可以在圆盘旋转的过程中使用或修改。控制系统可以在一段特定的循环周期内维持热梯度 和旋转速度。控制系统也可以允许旋转速度和圆盘温度上的同等的改变。举例来说，回转 体的温度可以通过使用加热和冷却系统来进行控制，当旋转速度被调节时，加热和冷却系 统可以通过控制系统来激活。举例来说，对于多个TMF循环周期或者是结合的低循环疲劳 (LCF)/TMF循环周期而言，控制系统也可以允许进行热梯度和包括机械负荷的旋转的应用。 为了应对宽泛的改变，可以测量好几万次的循环周期的测试工具可以进行编程。除此之外， 控制系统可以允许将可以控制和可以重复的TMF负载条件施加到大量的测试工具上，其可 以为经营性分析提供对比数据，以及成套的标准或者控制条件。通常可以获得石英灯的相对高的精度控制，将石英灯的有吸引力的部分制作为热 源。石英灯可以提供在可编程的功率输入中，其可以系在回转体的速度控制上，以根据需要 产生速度-温度斜度。举例来说，一种可编程的逻辑控制器(PLC)可以连接到一个或更多 的石英灯上，而且可以连接到旋转的速度控制器上，以允许具有特定的旋转速度分布的热 梯度的同步应用。PLC可以用于控制石英灯的开/关，功率级别或者热级别。举例来说，PLC 可以具有反馈环，其控制和监控石英灯的功率或者石英灯的热输出。具有所述的布置，PLC 可以控制石英灯来产生可变的功率或者热输出。操作分布包括，举例来说，在给定点上的操 作或者在时间范围内产生线性的和非线性的斜度。从空间和包装点，石英灯系统可以用于 提供于热源紧密连接的低分布。石英灯的控制系统也可以用于测量设定点，其可以被激活以开始进行其他的测试顺序功能，举例来说，为回转体的转动启动和停止冷却空气的流动 和设定速度停留时间。测试工具可以提供包括多个阶段的测试循环周期。举例来说，循环周期可以由以 下几个部分组成圆盘的周围操作条件；圆盘旋转速度和圆盘温度的同步增加；建立和维 持边缘-圆盘或者圆盘-边缘的热梯度；以及进行制冷和降低周围的速度。许多其他的结 合或者顺序对于控制系统来说也是可能的。除此之外，举例来说，上文中所描述的一个顺序可以重复进行多次循环。可以在各 种不同的循环中引入改变，例如，通过改变设定点或者其他参数值的方式。举例来说，用于 形成热梯度的应用温度可以在多个循环周期中通过控制应用到石英灯上的功率或者通过 控制加热时间来提高、维持或者降低。根据一个可以效仿的顺序，真空被吸入到测试工具的腔室中。在旋转加速期间，空 气动力的加热和负载可以减低循环周期的时间和改变所希望的热值。通过在加速期间抽取 腔室中的空气，可以很快地获得所需要的旋转速度，而对空气动力的加热产生很小的影响。 在冷却期间，碰撞的空气可以引导用于制冷和降低测试中的圆盘，可以潜在地进一步缩短 循环周期的时间。上文中描述的测试使用了控制策略的建立内容，其可以与旋转速度、真空、加热、 停留时间和冷却顺序结合在一起。同样地，测试用具、数据获取系统(DAQ)和测试工具可以 以这样一种方式进行操作，即在安全和节约的有效环境中获取所需要的数据。各种不同的加热和冷却系统可以在测试工具中使用以便建立理想的热梯度。以下是一些实施例 碰撞(对流)加热 感应性加热 激光加热 石英灯加热，单独地和/或在真空中 空气动力加热 上述几种方式的结合冷却系统的某些实施例是制冷部件冷却和碰撞冷却。可以使用能够产生具有所需要的温度的理想的梯度的任何其他类型的加热或者 冷却设备或者技术。热源应该是可以在测试物体上产生所需要的温度梯度的，测试物体以 需要的速度进行旋转以获得本文所揭示的系统和方法中的物体。所产生的热磁通量足以连 接到测试物体上的负载区域，以防止从测试物体的热特征的偏离辐射，其与所需要的测试 是不相干的。不足的热磁通量可能降低达到理想的梯度的效率。足够的和特定的热磁通量 连接可以通过这样的方式获得，举例来说，将能量聚集在紧密的圆环中，采用热损耗或者合 成的冷却策略。举例来说，热梯度可以从直接的热源中产生，通过从直接的加热源中屏蔽一 部分测试部件，以允许该部分进行间接加热。测试部件也可以被构造为在部分或者全部中 具有有限的部件辐射量，举例来说，通过在测试部件上使用覆盖层，例如，黑色的高温涂料。关于感应性加热，在包括具有薄的刮片作为测试物体的回转体的应用中，施加到 圆盘边缘上的热能量也可以对刮片进行加热。加热的薄的部分，举例来说，后程高压压缩机 (HPC)的刮片可以代表圆盘，就是由于所导致的涡流收集几乎自由的边缘形成过热和局部熔化。感应性加热在对大型的旋转结构的加热是有效的，所述的大型旋转结构在几何形状 上具有少量的改变，举例来说，半成品的音速外形或者材料的测试样品。用作定位加热器的激光赋予聚焦能量一定的能力。然而，相对高的费用和对于高 能激光有时难以获得的情况可能对选择产生实际的影响，举例来说，热源。这些年，石英灯技术对现有技术做出很大发展，其在制造方面具有很多用法。工业 上的加工工艺，举例来说，热处理和热加工通过石英灯的加热来已经获得显著的优势。功率 密度可以相对高，同时灯具在4000 T的温度下工作。更优的是，水冷却的铝反射镜可以用 于从所述的窄带宽的灯具中聚焦能量，其可以潜在地复制压缩机的流动路径的加热效果。在使用快速加热率、精确控制和迅速的热打开和关闭时间的应用中的石英卤素灯 是有效的。石英灯通过使用具有穿透力的短波红外线输出来提供聚焦的热，其可以直接加 热到测试物体的深度中，从而产生更为均勻的物体加热。石英卤素灯包括石英灯的外套，其可以抵挡相对高的温度。灯具的灯丝与，举例来 说，白炽灯，相比更粗，其可以提高灯具的使用寿命而增加发射面积。灯丝是螺旋缠绕的金 属钨，其包裹在石英灯的外套中。金属钨具有相对快速的响应，其具有电阻元件，而且能够 经受超过2750 T的温度。石英灯的外套允许传递红外线能量，同时保护灯丝免受传导性冷 却和腐蚀。石英灯的外套可以拆除和填充惰性气体的。可以添加少量的卤素气体以延长作 为发射体进行操作的灯丝的使用寿命。大部分的金属钨灯丝石英灯的额定寿命是大约5000 小时。实际的使用寿命通常取决于应用和环境吗，而且可以比额定寿命更长或者更短。石英卤素灯的灯丝在与当前使用的加热应用中的灯丝相比是较小的，其允许输出 的热能量可以任意地超西欧昂目标进行聚焦。灯具可以作为线性发射器或者点源发射器来 获得。使用线性发射器和椭圆形的反射镜的形状，灯的能量可以改变方向到细线上。椭圆 形的反射镜可以与点源灯具一并使用，以便将能量聚焦到点上。类似的反射镜产生平行的 光线(光线不是展开的)，并导致热的窄带。反射镜可以用镜铝、陶瓷或者其他的金属制成。 铝制反射镜系统的优势在于，其可以不断被冷却而不会变为红外线的重要的发射器。举例 来说，铝也可以被抛光以反射和聚焦超过90%的伴随能量。具有经过制冷的铝的反射镜的石英灯允许非接触性的热交换，其在将热适用到移 动物体上是非常有用的。所述的配置在本文所揭示的测试工具中实施方案中使用，以获得 在回转体上的TMF负载。附图18解释说明了布置在圆盘或者环形配置中的石英灯加热器， 其将高热的磁通量适用到测试物体的外部边缘的一侧上。对应类似的布置可以提供用于将 高热的磁通量适用到测试物体的另外一侧上。附图19举例说明了具有把持夹具和安装结 构的石英灯配置。施加到测试物体上的温度和热梯度是通过加热系统和由冷却系统所提供的制冷 进行控制的。根据本文所揭示的实施方案，碰撞冷却系统可以用于温度和梯度的控制，而 且，举例来说，可以用于移除热梯度。一种有效的碰撞冷却系统可以用于冷却圆盘的边缘和 /或钻孔，这些圆盘的边缘和/或钻孔是位于作为测试物体的回转体的实施例中的，根据各 种不同的标准，其可以是定制的。举例来说，冷却系统可以在参数，举例来说，所需要的冷却 时间、数量和碰撞流体的物理特性，举例来说，空气、压力、温度和流动速度，的基础上进行 特定化。冷却系统可以部分基于传导性的热交换系数(h)的估计的基础上进行设计。此外， 在碰撞流体的情况下，喷嘴方向、位置和数量可以是有选择性的，以获得所需要的制冷率或者参数。在一种基本形式中，传导性的热交换可以用以下方程式表示Q/A = h (To-Ta)其中，Q/A=热磁通量 Btu/hr ft2h =热交换系数 Btu/hr ft2 °FTa =自由源的温度。FTo =壁的温度。F传导性热交换器的机械装置是通过边界层进行传导的。h的实际值和流体的类型， 即，受力的，自由的，层流或者涡流，确定了圆盘的热交换，从而确定圆盘温度和时间之间的 关系。h值的准确确定是超过在此公开的范围的，并且将不会在本文中进行详细的讨论。各 种不同参考文献，举例来说，通过引证并入本文的参考文献，对用于确定h值的方法进行了 更为深入的描述。可以效仿的碰撞冷却系统使用以下参数进行设计总流量(Q) = Ilbm/秒运送空气 假设边缘和钻孔碰撞空气在相同的时间内施加Q边缘最大值=0. 7Ibm/秒directedO边缘Q钻孔最大值=0. 3Ibm/秒directedO边缘 70°F可用运送空气· 115PSIA可用运送空气这些参数可以在上文讨论的圆盘热分析中使用。碰撞空气的流动可以进行均勻地 分布在圆盘的边缘和钻孔来进行处理了。如果碰撞空气的分布是不均勻的，将不会获得在 分析中所使用的h值，而且冷却时间可能要比预测的时间长。在可以效仿的实施方案中，回转体边缘的两侧都是碰撞制冷的。所述的配置将有 助于避免在边缘上的过多的热量分布，而且也可以在连接板中实现最少量地膨胀。碰撞流 体可以当作通过孔口的阻流进行处理，而且可以通过以下方程式进行确定。Q = CAP[G K M/TR]1/2 [2/(k+1) ] [k+1/(2k"2)]其中Q=流动速度(lbm/秒)C=释放系数0.8A=喷嘴面积(in2)ρ =压力(PSIA)G = 386. 04 (ft/秒 2)K =特定的热比例=1. 4 (空气)M，R=通用气体常数T =绝对温度=520 ( T )假设到每一个喷嘴上的流体是均勻的，而且喷嘴的数量是已知的，那么就可以确 定喷嘴的尺寸。为了使施加在系统上的压力最小，上流管道的尺寸可以通过将面积比维持 到5-10 1的范围内来进行确定，其可以使上流的流体流动速度最小。类似的方法可以用 于确定钻孔的碰撞管道设计。额外的设计参数可以喷嘴相对于圆盘的定位。
为了使得碰撞的效果最大化，可以确定喷嘴的方向以致碰撞的流体可以以一定的 角度流动到旋转的圆盘上。具有角度的碰撞流体与旋转的圆盘表面的结合可以导致有效的 碰撞流动，其与圆盘的表面正交。已知圆盘的旋转速度，举例来说，12，000RPM，碰撞喷出速 度，那么就可以确定相对的角度。在测试循环周期的一部分中，当实施碰撞冷却时，回转体的旋转速度可能减少数 千RPM，就是由于在回转体和刮片上的空气拖曳所导致的气流紊乱。碰撞喷嘴可以以固定 的方位来提供，其被配置为平均的回转体的速度操作。可以形成其他的属于动力学的或者 是由速度决定的碰撞冷却布局。在固定喷嘴方位的情况下，碰撞冷却对于某些速度范围可 能是效率较低的。如果需要，可以以理想的速度范围来准备其他的冷却以提供额外的冷却。 举例来说，冷却的气体，比如，氮气或者是被冷却的空气可以选择性地适用到碰撞喷嘴中。作为一种任选的碰撞，石英灯固定夹和电连接可以配置有热挡板以保护所述部件 免受空气涡轮和辐射的热量的影响。自旋式测试的工具的布置可以为给定的测试物体提供碰撞冷却和温度测量方面 的考虑。举例来说，进入到支架上的冷却多支管可能是受到限制的。在所述情况下，两个 (2)钻孔的喷嘴可以安装到钻孔的次腔室中，以确保足够的冷却效率。被重压入圆盘的钻孔 中的支架防止进入到钻孔的上层空腔中，而且可以减少圆盘钻孔的碰撞冷却到一侧上。根据可以效仿的实施方案，16边的喷嘴被布置在测试工具中，在圆盘的每一侧上 布置8个，其中边缘喷嘴的直径是0. 194英寸和边缘的喷嘴面积是0.0296平方英寸。除此 之外，有两个喷嘴被布置在钻孔中，其中一个钻孔喷嘴的直径为0. 2998英寸和钻孔的喷嘴 面积为0. 07059平方英寸。完整的系统布局和尺寸显示在附图20-22中。由于有限的边缘碰撞覆盖，估计最大的h值为75-100之间。作为实施例的回转体 中，钻孔碰撞的冷却系统可以包括额外的或者更多的对于重大膨胀的温度的监控。用于冷却的碰撞空气的使用在测试工具的操作和响应中可以具有其他含义。在测 试工具中使用的驱动马达可以用于操作马达的驱动，以及补给碰撞的冷却空气。当在自旋 式测试期间，碰撞的冷却空气被施加到测试工具上时，驱动马达的最高速度将会被降低。对 应地，TMF出循环周期可以影响最大的RPM，驱动涡轮可以维持。附图23显示的就是工具和 空气系统的流程图。除此之外，在某些环境中可能会出现这样的情况，空气动力加热在对部分循环周 期的冷却中提高圆盘温度。对这些事件和参数值的预报与刮片在回转体的配置中是复杂 的。可以被量化的其他效果包括流入刮片中的空气流的方式和在测试空腔中建立的压力。 在其他的实施方案中，驱动马达，腔室中的大气压为15PSIA，可以维持在数千RPM。在一个 可以效仿的测试中，驱动马达能够维持在4500RPM，次腔室中的压力可以设定足够低，以致 空气动力加热不会在对圆盘膨胀的响应中产生问题。在上文中所讨论的测试工具配置的可以效仿的测试中，回转体用作测试部件，其 是一种实际的刮片式高程压缩机的回转体。测试工具被配置为通过使用电阻加热元件将热 梯度施加到回转体上。使用上文中所描述的分析方法和模型技术，预测的边缘-钻孔的热 梯度被确定为450下。在实践中，实际的热梯度达到225下到250下。测试中的回转体的 边缘温度最大达到大约700 T。在测试过程中产生的实际的热梯度小于在模型和分析阶段 所预测的热梯度。减少的热梯度是由于辐射的热量分布是在回转体的圆盘和连接板的两侧的。从回转体的边缘到连接板上的热损失，与连接板的热发射率相连接，指明可以执行回转 体测试中的不同的测试设定获得需要的测试条件和结果。辐射的热量分布部分源于从测试 物体间隔一段距离的热源，并且缺少聚焦的热磁通量。此外，模型和分析的参数可以升级为与实际的测试条件之间的更好的相关性。举 例来说，用于预测边缘温度为1000 梯度为450 峰值的模型假设仅仅是径向范围大 约为0. 5英寸，将会经历热磁通量，而没有热磁通量施加到连接板中。通过升级模型和分析 拉力反应出实际的测试条件和可以替换或者是额外的加热和/或冷却源，可以获得给既定 的部件提供更好的预报。根据另外一个可以效仿的测试，测试工具被操作为变化的控制系统和测试工具的 功能。真空、控制、使用仪器的标度、安全系统、过速度限制器、石英灯加热、碰撞冷却和石英 灯加热水冷却系统都是可以改变和刻度的。启动控制系统和根据需要调节控制逻辑。除此 之外，控制启动顺序被确定，其允许对测试工具进行全自动控制。在完成一个完整的TMF测 试循环周期之前，若干的“减少的”循环周期可以完成，具有可以效仿的参数值为圆盘边缘 的8000RPM和650 T。作为结果的数据被进行分析和与所希望的数据进行比价，以校验测 试工具的操作。在完成这一测试的过程中，测试工具对于TMF测试来说是可以获得的。作 为初始的测试工具操作的结果，可以获得在受控的经验数据的基础上进行的大量观测。举例来说，研究人员观察到，碰撞冷却系统与预报相比更为有效。观察到的碰撞 冷却系统的流动速度是大约lib/秒，其与预报值相吻合。也可以观察到涡轮驱动维持在 4500RPM,而碰撞冷却空气是在最大的驱动空气流动速度。石英灯加热器可以如同所预测的 那样允许，以及可以观察到圆盘速度控制的操作是令人满意的。最初的测试显示圆盘的热 梯度是可以控制和可以重复的。附图M显示的是，对于上文中可以效仿的测试工具的操作的TMF测试循环周期的 数据。附图M中的图表显示操作参数和操作系统是全自动的。温度控制环显示为在测试 期间是启动的。工具的空气和真空通过控制系统的控制是循环的。圆盘的速度和温度也是 循环的，以及重大的圆盘膨胀温度通过边缘和螺栓孔的热电偶进行监控。根据另外一个可以效仿的实施例，根据在此揭示的系统和方法的TMF测试可以使 用石英灯加热器进行加热，以建立和维持圆盘的温度分布，举例来说，边缘-钻孔温度梯 度。加热源的有效性和所使用的功率在确定用于将圆盘从室温加热到最大的理想温度的时 间中是非常重要的。石英灯加热器可以用于建立真空中的热梯度，其被吸入到腔室中以减 少施加在正在加速的回转体上的机械负荷。石英灯加热器可以对边缘进行辐射加热，其热 量从边缘弓I导通过连接板进入到钻孔中。从以上进行的建模分析中可知，正如在附图5中所指出的那样，石英灯的功率是 20kW，希望其能够提供峰值温度。在石英灯的加热系统的效率中的功率级别是良好的，其具 有的最大功率级是36kW。在实际的测试中，可以对石英灯进行调制，以便能够达到所需要的温度并维持该 温度。因此，实际的石英灯的功率不是必须恒定的。所使用的仪器，举例来说，热电偶可以 用于读取石英灯的功率。边缘温度/时间读数可以在测试期间读取，以确定在附图5中所 显示的预报之间的关联性，以及边缘的温度获得在附图4中所解释说明的预报。作为实施例的回转，体的TMF测试循环周期可以进行如下限定
操作的 RPM :1200 < = RPM < = 12000 周围温度=300 °F 最大的边缘温度=950 °F 最大的边钻孔温度=450 °F 停留时间&最大的边缘温度/RPM = 100秒 冷却时间100-120秒 建立周围环境温度的时间=60秒 圆盘加速和热初始化之间的延迟时间5秒 总的循环周期时间 225秒 冷却空气的最小RPM =4000-8000以上参数可也在控制系统中定义，以用于执行所需要的测试循环周期。使用这些 参数进行的预测的循环周期和测试响应显示在附图16中。在可以效仿的实施方案中，运行的是使用以上的参数的四个⑷TMF循环周期，正 如在附图25中所解释说明的那样。循环周期被设计为TMF00，TMFO1, TMF02和TMF03。在 TMFOl的末端和TMF02的开始之间的间隔的时间表示的是参数的设定点的改变，由于允许 控制系统的配置。正如将要在下文中进行更为详细的描述那样，具有碰撞冷却系统的TMF测试结果 超出预期值，而且与预期值相比，显示为更加快速的冷却冷却时间。正如在附图25- 中所 显示的那样，可以令人满意地获得测试观察。举例来说，建立的可以重复的圆盘温度梯度为 T边缘=T950 0F，T钻孔=350-370 0F。温度梯度和圆盘RPM是同时进行循环的。研究人 员观察到，螺栓孔温度在时间上变化是“缓慢的”，循环周期TMFOl中的TW1 = 342 °F和循环 周期 TMF03 中的 Tbh = 381 °F。石英灯加热系统根据需要进行操作，而且控制系统可以适当进行操作。可以观察 到边缘和钻孔碰撞的冷却系统是有效地进行工作的。计划中的全部的循环周期时间为 220秒。圆盘在温度和速度方面是可以重复进行循环的。同样地，在测试期间，可以观察到 若干数据项目，包括圆盘的钻孔温度，其比预期的温度更低，是 100下。正如所进行比较 的那样，123 0F < =钻孔测试< =371 0F vs300 0F < =钻孔测试< =450 0F。与预测值的偏 离的钻孔温度差可以是由于出现了圆盘支架，其不是包括在初始的建模分析中的。循环周期中的热量停留时间可以通过修改控制系统的参数来控制，举例来说，改 变用于控制热停留时间间隔中的设定点的值，或者通过改变石英灯的功率来进行。在测试 的循环周期中，可以观察到均衡的圆盘温度分布在空转(1200PRM)是不能建立的。这一结 果有助于支架作为热接收槽进行工作。测试循环显示边缘和连接板的温度分布可以是和可以再次建立。测试循环周期中 的碰撞冷却时间小于预测的测量52秒与120秒之比。冷却时间的差值有助于形成更高的 保守热传递系数。研究人员发现，圆盘边缘的辐射加热的时间能够很好地与预测试估计吻合。分析 预测石英灯的30秒内加热使用的功率为20kW，周围环境的初始温度(300 T )以及温度梯 度是21.874下/秒。测试数据显示在下面的表格2和表格3中，其显示为与预测的情况很 好地吻合。
权利要求
1.一种用于在测试物体上产生联动的热负荷和机械负荷的系统，该系统包括自旋式试验台，其用于支撑和自旋式测试物体以便能机械式地负荷到测试物体上；具有输出端的热源，其被热连接到测试物体的一部分上，以致从热源上施加到该部分 上的热量能够在测试物体进行旋转的过程中在测试物体上形成热梯度。
2.根据权利要求1的系统，其中热源包括辐射热源。
3.根据权利要求2的系统，其中辐射热源是石英灯。
4.根据权利要求3的系统，进一步包括在石英灯附近定位的反射镜，以便允许从石英 灯施加的热量能够聚焦在部分上。
5.根据权利要求4的系统，进一步包括具有输出端的制冷源，其被热连接到反射镜上， 以便对反射镜进行制冷。
6.根据权利要求1的系统，进一步包括具有输出端的冷却源，其被热连接到测试物体 上，以便对测试物体进行冷却。
7.根据权利要求6的系统，其中冷却源进一步包括碰撞冷却源，其可以被操作用于将 经过碰撞冷却的液体提供给测试物体。
8.根据权利要求1的系统，其中自旋式试验台包括用于放置测试物体的可选择的能够 密封的腔室。
9.根据权利要求8的系统，进一步包括真空源，其连接到腔室中用于抽取腔室中的空气。
10.根据权利要求1的系统，进一步包括连接到自旋式试验台和热源上的控制器，控制 器可以被操作用于将信号提供给自旋式试验台，以便能以可变的速度来自旋式测试物体， 和在测试物体旋转时，可以被进一步操作用于将信号提供给热源，以便对热源进行控制，从 而将数量可变的热量提供给测试物体。
11.根据权利要求10的系统，进一步包括连接到冷却源上的控制器，冷却源包括热连 接到测试物体上的以便对测试物体进行冷却的输出端，控制器可以被操作用于将信号提供 给冷却源，以在测试物体旋转时对冷却源进行控制，从而将数量可变的冷却提供给测试物 体。
12.根据权利要求10的系统，进一步包括控制器，其可以被操作用于将信号提供给自 旋式试验台和热源，以获得热梯度和机械负荷之间的特定的相位差。
13.根据权利要求1的系统，其中测试物体是燃气式涡轮发动机的回转体。
14.一种用于在测试物体上产生联动的热负荷和机械负荷的方法，该方法包括自旋式测试物体以便能机械地负载到测试物体上；将热量施加到旋转的测试物体的一部分上，以便在旋转的测试物体上产生热梯度。
15.根据权利要求14的方法，进一步包括通过辐射热源将热量施加到部分上。
16.根据权利要求15的方法，进一步包括将石英灯作用辐射热源。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括将石英灯施加的热量聚集到部分上。
18.根据权利要求14的方法，进一步包括从测试物体中析出的热量。
19.根据权利要求18的方法，进一步包括通过碰撞冷却从测试物体中析出的热量。
20.根据权利要求14的方法，进一步包括在测试物体的周围围绕布置真空。
21.根据权利要求14的方法，进一步包括以与施加到测试物体上的可变的热量相等同的可变的速度来自旋式测试物体。
22.根据权利要求21的方法，进一步包括与在可变速度下旋转的测试物体相等同的速 度来冷却测试物体。
23.根据权利要求21的方法，进一步包括获得热梯度和机械负荷之间的特定的相位差。
全文摘要
一种测试工具包括热源，以便能够通过自旋式试验台所施加的旋转来机械式地将热负荷负载到测试物体上。热源可以是一种石英灯，其被控制用于提供与机械负荷相比的具有不同的相位的热负荷。测试的循环周期可以根据测试物体确定，其中的碰撞冷却允许移除循环周期之间的热负荷。测试工具模拟燃气式涡轮发动机中的操作条件，以将实际的热疲劳和机械疲劳应力施加到测试部件上。
文档编号G01M1/00GK102124314SQ200980131940
公开日2011年7月13日 申请日期2009年6月22日 优先权日2008年6月20日
发明者H·E·桑尼查森, P·瓦沃祖内克, R·L·墨那 申请人:测试设备公司