一种涡轮叶片热机械疲劳试验系统的制作方法

本发明涉及航空发动机，特别是一种用于航空发动机涡轮叶片热机械疲劳试验的试验系统。

背景技术：

航空发动机涡轮叶片热机械疲劳(TMF)故障是航空发动机服役期间最主要的失效类型，严重影响航空发动机运行的安全可靠性。通过对航空发动涡轮叶片进行热机械疲劳试验测试其抗热机械疲劳性能及其使用寿命，根据测试结果对叶片进行改进是航空发动机涡轮叶片设计的一项重要工作。

现有高温合金涡轮叶片热机械疲劳试验的方法，大多采用对叶片进行燃气热冲击或高频电加热，同时用疲劳试验机夹持叶片模拟叶片所受离心力载荷进行热机械疲劳试验。而涡轮叶片在实际工作中所受离心力载荷在各个截面上是不相等的，难以通过单纯拉伸进行模拟；此外，发动机运行中由于转子不定心不对中等原因，经常会伴随振动载荷，采用疲劳试验机难以模拟叶片承受的这种振动载荷；

201110460131号中国发明专利申请披露了一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统。该试验系统采取叶片在静止条件下通过高温夹具夹持叶片，由疲劳试验机提供拉力载荷，由高频感应加热炉提供温度载荷进行叶片热机械疲劳试验。该试验系统存在的问题是，采用拉力机模拟对叶片加载离心力，容易使离心力加载到的叶片的叶尖处，与叶片旋转时实际承受的离心力主要作用在叶根处不相符，影响试验结果的准确性。

201710036918号中国发明专利申请披露了一种旋转的气膜冷却式叶片试验系统，该试验系统由于其旋转半径较小，且没有引入水冷却系统，与发动机真实工作状态存在较大差别，同样影响试验结果的准确性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种能够真实模拟涡轮叶片实际运行过程中所受离心载荷和温度载荷的涡轮叶片热机械疲劳试验系统，以提高涡轮叶片热机械疲劳试验的准确可靠性。

为达到上述目的，本发明提供的涡轮叶片热机械疲劳试验系统，包括转速加载装置、温度加载装置、水冷却系统和数据采集与控制系统；

所述转速加载装置包括通过电机支撑座安装在工作台的电机、通过联轴器与电机输出轴相接的主轴和固定安装在主轴中部的轮盘；主轴位于轮盘前面的部分为空心轴；轮盘上设有待测涡轮叶片和配重金属块固定安装机构；空心轴的根部有下端伸入空心轴的轴腔中、上端从所述轮盘中穿出的双通道铜管，双通道铜管的两个管腔的内壁上分别有绝缘涂层；

所述温度加载装置包括高频感应加热炉和为待测涡轮叶片提供热载荷的感应加热线圈；感应加热线圈为两端开口、中部开有圆孔的圆形铜管，铜管的内壁上有绝缘涂层；感应加热线圈通过固定安装在所述轮盘外壁上的塑料三通和塑料四通套在涡轮叶片的中部，并与涡轮叶片所在平面垂直，对叶片进行加热；感应加热线圈的两端通过塑料三通与穿过所述双通道铜管管腔的两根外壁有绝缘涂层的铜导线的上端相接，两根铜导线的下端分别从所述双通道铜管的两个管腔中伸入空心轴的轴腔中，并与通过空心轴开设的孔道套接在空心轴上的滑环引电器相接，滑环引电器与高频感应加热炉的电磁感应线圈相接，构成电流回路；感应加热线圈中部的圆孔通过塑料四通与末端悬空的塑料管相接；

所述水冷却系统包括水箱、分别通过水泵和阀门与水箱相接的喷头A和喷头B及叶片冷却水回路；所述喷头B与轮盘切向水平悬空对着轮盘的外壁，可将冷却水喷向回转的涡轮叶片，使涡轮叶片降温，洒落到工作台上的冷却水通过工作台上的凹槽流回水箱，实现该路冷却水的循环；所述喷头A对着所述空心轴的前端，可将冷却水喷入空心轴中，进入所述叶片冷却水回路；所述叶片冷却水回路为：由喷头A喷入空心轴中的冷却水靠轮盘转动的离心力沿空心轴进入所述双通道铜管的两个管腔中，通过塑料三通进入所述感应加热线圈中，通过所述末端悬空的塑料管甩出，落到工作台上，通过工作台上的凹槽流回水箱，实现该路冷却水的循环；

所述数据采集与控制系统包括：控制所述电机转速的变频器、控制高频感应加热炉功率的温度控制器、与变频器和温度控制器相接的数据采集卡和与数据采集卡相接的PC控制单元；数据采集卡将电机转速(亦即轮盘带动涡轮叶片的转速)和高频感应加热炉加热功率(亦即涡轮叶片承受的热负荷)信号传递给PC控制单元，PC控制单元通过编程控制电机转速及高频感应加热炉的功率，进而控制叶片载荷。

进一步，所述待测涡轮叶片和配重金属块固定安装机构包括四个对称分布、供涡轮叶片和配重金属块固定安装的榫槽，榫槽的槽形与待测涡轮叶片及配重块的榫头相吻合(配重金属块的榫头与涡轮叶片的榫头相同)；涡轮叶片和配重金属块分别通过榫接安装在轮盘上，并通过可与轮盘侧壁螺栓连接的挡板及塞块固定。

进一步，在工作台的机箱外部有通过三脚架固定安装的红外摄像仪，红外摄像仪的镜头对准轮盘上端面切向位置，与涡轮叶片回转至轮盘最上端时相对应，用于测量涡轮叶片的表面温度，标定叶片温度分布及变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用轮盘安装叶片，用电机带动轮盘旋转，可模拟涡轮叶片在真实工作环境下的离心力载荷。

2、本发明可通过改变感应加热线圈的形状及其与涡轮叶片表面的距离，在不同区域产生不同磁漏，使涡轮叶片表面形成近似于其工作时所承受的温度场；同时调整高频感应加热炉的输入功率，模拟涡轮叶片在真实工作环境下的截面工作温度场，从而解决了涡轮叶片在高速回传状态下温度场难以模拟的技术难题。

3、本发明利用滑环引电器和穿过空心轴及双通道铜管的绝缘铜导线将感应加热线圈和高频感应加热炉连接，解决了静止的高频感应电加热炉在回转运行的感应加热线圈上难以实现电流回路的技术难题。

4、本发明通过将两端开口、中部带有圆孔的圆形感应加热线圈套在涡轮叶片的中部；通过由空心轴、双通道铜管、感应加热线圈管腔和塑料水管构成冷却水回路；通过在双通道铜管和构成感应加热线圈的圆铜管的内壁加涂绝缘层使电流回路与冷却水回路隔离；利用轮盘高速旋转生成的离心力为冷却水循环提供动力等技术措施，解决了既将热源有效加载到待测涡轮叶片上、又使随轮盘高速运转的感应加热线圈能够得到及时冷却降温这一技术难题。

5、航空发动机涡轮叶片使用本发明进行热机械疲劳试验，试验结果比现有技术更准确可靠。

附图说明

附图为本发明涡轮叶片热机械疲劳试验系统实施例的示意图，其中：

图1为本实施例的整体结构框图；

图2为图1中转速加载装置的三维视图；

图3为图2中轮盘的左视图；

图4为沿图3中A—A剖视图；

图5为图1中感应加热线圈结构及其安装示意图；

图6为图2中涡轮叶片及其固定机构的示意图；

图7为图2中轮盘配重金属块的示意图；

图8(a)为图4中双通道铜管的主视图；

图8(b)为图8(a)中B—B断面图；

图9为图5中感应加热线圈的示意图。

图中符号说明：1：电机支撑座、2：联轴器、3、滚棒轴承、4：轮盘、5：电机、6：双通道铜管、7：轴承座、8：滑环引电器、9：轴承座固定螺栓、10：轴承卡块、11：喷头A、12：喷头B、13：轮盘支撑、14：轮盘内圈、15：主轴、151：空心轴、16：涡轮叶片、17：配重金属块、18：塑料三通、19：铜导线、20：塑料四通、21：感应加热线圈、22：塑料管、23：塑料三通支撑柱、24：塑料三通固定板、25：榫槽、26：挡板、27：塞块、28：榫头、29：(感应加热线圈中部的)圆孔。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例涡轮叶片热机械疲劳试验系统，包括转速加载装置、温度加载装置、水冷却系统、数据采集与控制系统和红外摄像仪；

结合图1、图2、图3、图4、图6和图7，所述转速加载装置包括通过电机支撑座1安装在工作台(未图示)上的电机5、通过联轴器2与电机输出轴相接的主轴15和通过轮盘支撑13和轮盘内圈14固定安装在主轴中部的轮盘4；主轴通过前后两个滚棒轴承3、轴承座7、轴承卡块10和轴承座固定螺栓9固定安装在机台上，主轴位于轮盘前面的部分为空心轴151；轮盘上设有涡轮叶片16和配重金属块17固定安装机构，该固定安装机构包括四个对称分布、供涡轮叶片和配重金属块固定安装的榫槽25，榫槽的槽形与待测涡轮叶片及配重块的榫头28相吻合(配重金属块的榫头与涡轮叶片的榫头相同)；涡轮叶片和配重金属块分别通过榫接安装在轮盘上，并通过可与轮盘侧壁螺栓连接的挡板26及塞块27固定；空心轴的根部有下端伸入空心轴的轴腔中、上端从所述轮盘中穿出的双通道铜管6，双通道铜管的两个管腔的内壁上分别有绝缘涂层；

结合图1、图3、图4、图5、图8和图9，所述温度加载装置包括高频感应加热炉和为待测涡轮叶片提供热载荷的感应加热线圈21；感应加热线圈为两端开口、中部开有圆孔29的圆形铜管，铜管的内壁上有绝缘涂层；感应加热线圈通过固定安装在所述轮盘外壁上的塑料三通18(塑料三通通过塑料三通支撑柱23和塑料三通固定板24固定安装在轮盘上)和塑料四通20套在涡轮叶片16的中部，并与涡轮叶片所在平面垂直，对叶片进行加热；感应加热线圈的两端通过塑料三通与穿过所述双通道铜管管腔的两根外壁有绝缘涂层的铜导线19的上端相接，两根铜导线的下端分别从所述双通道铜管的两个管腔中伸入空心轴的轴腔中，并与通过空心轴开设的孔道套接在空心轴上的滑环引电器8相接，滑环引电器与高频感应加热炉的电磁感应线圈(未图示)相接，构成电流回路；感应加热线圈中部的圆孔29通过塑料四通与末端悬空的塑料管22相接；

所述水冷却系统包括水箱、分别通过水泵和阀门与水箱相接的喷头A11和喷头B12及叶片冷却水回路；所述喷头B与轮盘切向水平悬空对着轮盘的外壁，可将冷却水喷向回转的涡轮叶片，使涡轮叶片降温，洒落到工作台(未图示)上的冷却水通过工作台上的凹槽流回水箱，实现该路冷却水的循环；所述喷头A对着所述空心轴的前端，可将冷却水喷入空心轴中，进入所述叶片冷却水回路；所述叶片冷却水回路为：由喷头A喷入空心轴中的冷却水靠轮盘转动的离心力沿空心轴进入所述双通道铜管的两个管腔中，通过塑料三通进入所述感应加热线圈中，通过所述末端悬空的塑料管22甩出，落到工作台上，通过工作台上的凹槽流回水箱，实现该路冷却水的循环；

所述数据采集与控制系统包括：控制所述电机转速的变频器、控制高频感应加热炉功率的温度控制器、与变频器和温度控制器相接的数据采集卡和与数据采集卡相接的PC控制单元；数据采集卡将电机转速(亦即轮盘带动涡轮叶片的转速)和高频感应加热炉加热功率(亦即涡轮叶片承受的热负荷)信号传递给PC控制单元，PC控制单元通过编程控制电机转速及高频感应加热炉的功率，进而控制叶片载荷。

如图1所示，所述红外摄像仪通过三脚架固定安在工作台的机箱外部(未图示)，使镜头对准轮盘上端面切向位置，与涡轮叶片回转至轮盘最上端时相对应，用于测量涡轮叶片的表面温度，标定叶片温度分布及变化。