一种用于高温振动试验的气冷装置的制作方法

本发明属于高温振动试验技术领域，特别地但不排外地，涉及一种用于高温振动试验的气冷装置

背景技术：

在航空发动机中，将涡轮叶片应用在航空发动机之前必须对其进行一系列的重复性试验，这其中就包括高温高周疲劳试验。这里叶片不仅指转子叶片同时也包括静子叶片及导叶。叶片的高温高周疲劳试验是一种高温振动试验，利用振动台施加振动载荷，并利用高温炉将叶片加热至工作温度。由于振动台普遍不能承受高温甚至有些要求室温低于50℃才能正常工作，而叶片加热环境要达到几百摄氏度甚至上千摄氏度。因此连接叶片和振动台的夹具必须具有冷却结构。如果只是采用通用的隔热装置，夹具中使用大量的软质材料复合材料，这会直接影响振动的传递，导致试验结果不准确。现有夹具依靠的冷却方法都是水冷，水冷式夹具必须有水冷通道接口，会产生以下三点问题，第一接口长期高周振动会导致密封性能不好，漏水。第二，接口密封处采用软质密封环影响振动特性。第三夹具直接连有管路会影响夹具的刚度和振动特性，使固有频率较低。在振动过程中吸收能量，导致振动测试结果不准确。

技术实现要素：

为了解决高温振动试验夹具的冷却问题，实现从高温试验环境到接近室温的冷却，本发明采用气冷方式，保证了气冷装置部分具有较低的温度。除夹具本身之外不需要连接其他管道，实现了底座无其他结构连接，不会产生水冷装置的漏水等其他问题。

根据本发明的一方面，提供一种用于高温振动试验的气冷装置，其特征在于，所述气冷装置成截头锥体形，包括：

-连接于夹具夹持部分的圆法兰盘；

-连接于振动试验台的圆形底座；

-连接所述圆法兰盘和所述圆形底座的侧壁；

-气冷系统，包括设置在所述圆形底座侧面上的长方形气冷流道进气口、设置在所述气冷装置内腔的气冷流道、均匀设置在所述侧壁上的多个长条形气冷流道出气口。

所述气冷流道出气口的高度可以是3mm、长度可以是67mm、个数可以是9-30个，优选地，所述气冷流道出气口的个数可以是9个。

所述气冷装置不附属任何连接管路。冷气直接从所述气冷流道进气口进入气冷装置，通过所述气冷流道，从所述气冷流道出气口流出。

在一些实施例中，在所述圆法兰盘和所述圆形底座之间、所述侧壁上沿圆周向可以均匀焊接3-6个空心肋板，所述空心肋板宽度可以是14-18mm、壁厚可以是2-3mm，优选地，所述空心肋板的个数可以为3个、宽度可以是16mm、壁厚可以是3mm。

在一些实施例中，各所述肋板的侧面可等距设置有15-20个连通于气冷流道的第一气膜孔，优选地，所述第一气膜孔的个数可以是17个。

在一些实施例中，所述圆形底座的底面可以均匀分布有不少于120个连通于气冷流道的第二气膜孔，所述圆形底座的下端沿圆周向可均匀设置有3-5个凹槽，优选地，所述凹槽的个数为3个。

在一些实施例中，除各所述肋板外，所述气冷装置采用k4169铸造成型。一体化铸造成形避免了螺纹连接。

在一些实施例中，所述圆法兰盘的上面和所述圆形底座的底面涂有氧化钇部分稳定的氧化锆涂层，氧化锆涂层可以增强夹具的隔热性能。

在一些实施例中，所述气冷装置是中空结构，外壁厚度可以是7-10mm，内壁厚度可以是5-8mm。这样可以减轻气冷装置的重量。

在一些实施例中，所述气冷流道出气口、各所述第一气膜孔、各所述第二气膜孔的面积和与所述气冷流道进气口的面积大致相等。

在一些实施例中，各所述第一气膜孔的直径可以为0.8-1mm，优选地，各所述第一气膜孔的直径可以为1mm。

在一些实施例中，各所述第二气膜孔的直径可以为0.8-1mm，优选地，各所述第二气膜孔的直径可以为1mm。

优点：本发明的主要优点是：1)气冷装置整体之外的不附属任何连接管路；2)除肋板采用焊接工艺之外，气冷装置一体化成型铸造，装置本身无螺栓连接；3)采用气冷通道和气膜冷却设计，可以使气冷达到良好的降温效果；4)气冷装置采用空心形式设计，减轻了装置的重量。

附图说明：

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的一实施例的用于高温振动试验的气冷装置的轴测图。

图2是本发明的一实施例的用于高温振动试验的气冷装置的主视图。

图3是本发明的一实施例的用于高温振动试验的气冷装置的左视图。

图4是本发明的一实施例的用于高温振动试验的气冷装置的俯视图。

图5是本发明的一实施例的用于高温振动试验的气冷装置的仰视图。

图6是本发明的一实施例的用于高温振动试验的气冷装置的轴向剖面图。

图7是本发明的一实施例的用于高温振动试验的气冷装置的横向剖面图。

图8是高温振动试验台及夹具示意图。

图9是本发明的一实施例的气冷装置、装夹装置与涡轮导叶的装配示意图。

图10是涡轮导叶的上缘板的结构示意图。

图11是本发明的一实施例的上夹具与涡轮导叶的定位示意图。

图12是本发明的一实施例的下夹具与涡轮导叶的定位示意图。

图13是涡轮导叶与本发明的一实施例的下夹具的安装步骤示意图。

图14是在图13所示步骤之后，涡轮导叶与本发明的一实施例的上夹具的安装步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细描述。以下实施例用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图5和图6所示，本发明用于高温振动试验的气冷装置成中空的截头锥体形，包括位于上端的圆法兰盘10、位于下端的圆形底座30、连接圆法兰盘和圆形底座的侧壁20、气冷流道进气口301、气冷流道202、9个气冷流道出气口201和在圆法兰盘10和圆形底座30之间、在侧壁20上沿圆周向均匀焊接3个空心肋板40；

气冷装置的侧面外壁厚度为10mm、内壁厚度为5mm；

气冷流道进气口301为一个长方形口，设置在圆形底座30侧面上；

考虑到侧壁结构强度，气冷流道出气口201的高度为3mm、长度为67mm，分三列设置在两个空心肋板40之间；

气膜孔冷却是冷却结构中常用的方法之一，气膜孔的冷却效率与气膜孔的几何结构有关。由于高速电火花加工成的气膜孔尺寸较小、气膜孔孔间距是气膜孔直径的4-5倍，优选地，将底面气膜孔设计为直径1mm。气膜孔的数量和分布通过计算得出，控制圆形底座的底面气膜孔出气面积约为200mm²。为了保证加工的统一性，空心肋板侧面气膜孔直径也设计为1mm。即，在空心肋板40的侧面等距均匀设置有17个连通于气冷流道的直径为1mm的第一气膜孔401；圆形底座30的底面设置有120个连通于气冷流道的直径为1mm的第二气膜孔303。圆形底座30的下端沿圆周向均匀设置有3个凹槽302，从第二气膜孔303流出的气体可以通过凹槽302流出到外部；

除空心肋板40外，气冷装置采用k4169铸造成型；

圆法兰盘10的上面和圆形底座30的底面涂有氧化钇部分稳定的氧化锆涂层，氧化锆涂层可以增强气冷装置的隔热性能；

所有气冷流道出气口201、第一气膜孔401、第二气膜孔303的面积和与气冷流道进气口301的面积大致相等。从而保证进出流量的平衡。

采用非连接的冷气机直接向气冷流道进气口通冷气。

冷气从气冷流道进气口301进入，在夹具腔内沿着气冷流道202分流，一部分冷气从第二气膜孔303流出，一部分冷气通过气冷流道出气口201流出，一部分冷气从第一气膜孔401流出。

在一些实施方式中，本发明用于高温振动试验的气冷装置可以用于涡轮导叶的高温振动试验装夹装置的底座。导叶的高温高周疲劳试验是一种高温振动试验，如图8和图9所示，本发明利用真空或惰性气体保护的高温炉1将导叶60加热至工作温度并利用振动台试验机2施加振动载荷，由于试验机2普遍不能承受高温甚至有些要求室温低于45℃才能正常工作而导叶60加热环境要达到1500℃以上，因此在陶瓷基复合材料导叶60的装夹组件50和试验机2之间设置气冷装置。

应该理解，本申请所述的轴向x、周向y和径向z与发动机中的涡轮导叶的定向一致。

在如图9所示的实例中，装夹组件50包括第一夹具501和第二夹具502，其中，第二夹具502的上定位段5021通过多个成行布置的m8螺纹件可拆卸地连接于第一夹具501，下连接段5022通过圆形法兰盘和螺纹件可拆卸地连接于气冷装置上端的圆法兰盘10。特别地，下连接段5022的圆形法兰盘与气冷装置之间设置有纳米复合材料隔热板7。此处采用刚度和强度优于铝合金的先进复合材料隔热材料，不会造成振动能量的吸收，同时纳米隔热材料的力学性能优秀可以很好的起到隔热作用并且强度达到要求。此种设计可以实现在金属部分没有过大的温度梯度，可以更好的保护装夹组件50。第二夹具502的上定位段5021和下连接段5022相互固连，并且上定位段5021的中轴线与下连接段5022的中轴线重合或成角度。设计不同的夹持角度，可以满足通过更换第二夹具502，来实现涡轮导叶多个方向的振动测试。

在进行涡轮导叶高温振动试验时，需要对导叶的上缘板601(如图10所示)进行固定。为完全固定导叶，需要同时约束上缘板轴向x、周向y及径向z位移。如图11所示，第一夹具501具有钩型槽，该钩型槽与上缘板601相配以在轴向x和径向z上定位上缘板601。如图12所示，第二夹具502的上定位段5021具有方形槽，该方形槽与上缘板601相配以在周向y上定位上缘板601。具体地，约束上缘板601的平面6.1及6.2的法向位移以固定轴向x，约束上缘板601的一对平面6.3及6.4的位移以固定径向z，约束上缘板601的一对平面6.5及6.6的法向位移以固定周向y。

如图10-图12所示，第一夹具501的5.1面及5.2面分别通过直接接触约束上缘板601的平面6.1及6.3的法向位移，上缘板601的6.2面及6.4面分别通过m5螺纹件顶紧，为施加面约束同时防止螺纹件直接压紧上缘板601使上缘板601受损，在螺纹件与上缘板601之间设置有轴向垫块5.3及径向垫块5.4。

第二夹具502的面5.5通过直接接触约束上缘板601的6.5面的法向位移，上缘板的6.6面通过m5螺纹件顶紧。为施加面约束同时防止螺栓直接压紧上缘板601使上缘板601受损，在螺纹件与上缘板601之间设置有周向垫块5.6。各螺纹件的位置和数量应根据上缘板601的形状布置。

特别地，第一夹具501和第二夹具502配置成装夹组件50的上半部分的重心位于其下半部分的中轴线上。由此保证振动试验机的振动传递效果。

特别地，第一夹具501、第二夹具502、轴向垫块5.3、径向垫块5.4、周向垫块5.6以及各顶紧螺纹件由钨钼合金制成，优选地，由tzm合金制成。

本发明的气冷装置与装夹装置和涡轮导叶的安装过程如图13-14所示：第一步，将第二夹具502通过底部的圆形法兰盘上的四个螺纹孔采用螺纹件固定在气冷装置上；第二步，采用热熔胶将轴向垫块5.3、径向垫块5.4、周向垫块5.6分别粘贴到上缘板601的面6.2、面6.4、面6.6(热熔胶应取很薄的一层，仅用于安装，进行高温振动试验时热熔胶会熔化，最终依靠螺纹件顶紧定位)；第三步，将上缘板601沿径向(图13中所示箭头方向)移入第二夹具502中，使上缘板601的面6.3与第二夹具502的面5.7的距离大于5mm，同时保证上缘板601的面6.5与第二夹具502的面5.5接触；第四步，第一夹具501沿(图14中所示箭头方向)周向移动，通过螺纹件与第二夹具502连接并定位，随后调整导叶的位置，使上缘板601的面6.1及面6.3与第一夹具501的面5.1及5.2面接触，然后拧紧螺纹件完成轴向x及径向z的固定；第五步，拧紧螺纹件完成周向y的固定。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。