一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置的制作方法

本发明属于燃气轮机及航空发动机领域，具体涉及一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置。

背景技术：

1、燃气轮机从诞生之日起，便因功率密度大、反应迅速等特点，受到各国青睐。随着两机专项的开始，燃气轮机热度越来越高，然而，燃气轮机设计难度极大，因此需要进行大量的部件试验验证。低压涡轮导叶是燃气轮机中承受高温的关键部件，发动机的每一次启停，叶片都要受到一次热应力的交变作用。通过研究这种因交变热应力而可能引起的疲劳破坏，对评估低压涡轮导叶的使用寿命具有重要意义。目前，涡轮导叶抗热疲劳能力无法通过计算获得，因此在燃气轮机设计过程中必须开展涡轮导叶热冲击试验。

2、涡轮导叶热冲击试验是模拟叶片在真实燃机中伴随着一次启停，涡轮导叶经历一次高温、低温过程，试验过程中典型的涡轮叶片壁面温度载荷如下图所示，通常燃气轮机的寿命较长，平均全寿命下要经历几千次循环。涡轮导叶热冲击试验中伴随着叶片一次高温、低温过程，试验装置同样经历一次冷热循环，因此试验中对试验台设备及涡轮导叶热冲击试验装置可靠性要求非常高。

3、目前国内成熟的船用燃气轮机燃气初温达到1400℃，涡轮导叶材料耐温等级均很高，然而考虑试验成本，试验装置材料无法采用高额费用的高温合金材料，同时涡轮导叶热冲击试验过程对试验工装的可靠性要求非常高，因此涡轮导叶热冲击试验装置设计难度较大。根据以往试验经验统计，涡轮导叶热冲击试验故障修复时间往往大于正式有效试验时间，因此提高试验装置的可靠性可极大提高试验效率。然而涡轮导叶热冲击试验装置的设计的难点具体体现在以下两点：涡轮叶片和试验装置均暴露在高温燃气环境中，涡轮叶片采用高温合金铸造而成，其耐温等级较高，而热冲击试验装置考虑试验成本和工艺性，通常采用不锈钢或耐温等级较低的高温合金材料，因此涡轮导叶热冲击试验装置设计难度非常大；另一方面试验过程中均在高温、高压环境下进行，试验装置若产生泄露燃气或冷却水套爆裂等故障，会产生严重的危害。

4、由于涡轮导叶热冲击试验难度很大，试验装置工作环境恶劣，在试验过程中经常发生以下故障：一般情况下，试验装置的材料要比涡轮叶片材料耐温等级差很多，因此试验装置使用寿命比叶片疲劳寿命短，在试验过程中多次更换试验装置；试验装置在高温低温环境下循环，其承受的热应力变化剧烈，因此导致试验过程中试验装置焊缝开裂，试验装置冷却水套导致漏水，产生安全隐患或导致试验结果无效；试验装置水套内冷却水流通不畅，在高温高压下水套内汽化，导致冷却水套爆裂故障，严重会导致人员伤亡。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决了试验台低工况下燃烧室不能稳定燃烧的缺点，又保证试验装置安全可靠的工作的一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置。

2、一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，包括测量段、试验工装段和出口段工装；所述测量段、试验工装段和出口段工装采用螺栓连接；所述测量段顶部和底部分别设置有冷却水出口a和冷却水入口a；所述试验工装段上下盖上均设置了冷气通气孔，在低压涡轮导叶上下位置各形成一个冷气腔，为低压涡轮导叶提供冷气；所述出口段工装顶部和底部分别设置有冷却水出口b和冷却水入口b；所述出口段工装在与燃气接触的机匣面上设置有喷淋小孔。

3、进一步地，所述测量段整体采用双层水套结构，机匣分两层，中间通冷却水。

4、进一步地，所述双层水套结构中水套焊接位置结构形式采用开槽焊接，法兰面上开设2mm深的槽，用于与双层水套机匣对接。

5、进一步地，所述测量段顶部安装有总温探针安装座，在试验过程中对燃气温度进行监测，保证进入试验件的燃气温度满足试验要求。

6、进一步地，所述试验工装段的上下盖均设置有测试引线孔，试验过程中引出用于测量叶片壁温的热电偶，在不使用时用堵盖进行密封。

7、进一步地，所述试验工装段上盖设置有两个肋板，用于压紧低压涡轮导叶缘板，使导叶在试验过程中安全可靠的固定。

8、进一步地，所述出口段工装整体采用双层水套结构，双层水套焊接结构采用开槽焊接。

9、本发明的有益效果在于：本发明解决了在涡轮导叶热冲击试验过程中试验装置使用寿命短、焊缝开裂问题及冷却水不流畅导致水套爆裂等安全问题；试验过程中，本试验装置更加真实的模拟叶片工作状态，试验数据更加真实反映叶片的疲劳寿命，使试验数据更加真实有效。使用本发明的涡轮导叶热冲击试验装置，首次突破了试验装置寿命大于热冲击试验总时长，试验过程中不需进行更换试验装置，并且首次实现了在涡轮叶片热冲击试验过程中未出现冷却水套焊缝开裂、漏水或试验装置损坏的试验先例。使用本发明的试验装置，明显减少了试验过程中试验装置故障率，极大了提高了试验效率和安全可靠性。

技术特征：

1.一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，包括测量段、试验工装段和出口段工装；所述测量段、试验工装段和出口段工装采用螺栓连接；所述测量段顶部和底部分别设置有冷却水出口a和冷却水入口a；所述试验工装段上下盖上均设置了冷气通气孔，在低压涡轮导叶上下位置各形成一个冷气腔，为低压涡轮导叶提供冷气；所述出口段工装顶部和底部分别设置有冷却水出口b和冷却水入口b；所述出口段工装在与燃气接触的机匣面上设置有喷淋小孔。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，所述测量段整体采用双层水套结构，机匣分两层，中间通冷却水。

3.根据权利要求2所述的一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，所述双层水套结构中水套焊接位置结构形式采用开槽焊接，法兰面上开设2mm深的槽，用于与双层水套机匣对接。

4.根据权利要求1所述的一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，所述测量段顶部安装有总温探针安装座，在试验过程中对燃气温度进行监测，保证进入试验件的燃气温度满足试验要求。

5.根据权利要求1所述的一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，所述试验工装段的上下盖均设置有测试引线孔，试验过程中引出用于测量叶片壁温的热电偶，在不使用时用堵盖进行密封。

6.根据权利要求5所述的一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，所述试验工装段上盖设置有两个肋板，用于压紧低压涡轮导叶缘板，使导叶在试验过程中安全可靠的固定。

7.根据权利要求1所述的一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，其特征在于，所述出口段工装整体采用双层水套结构，双层水套焊接结构采用开槽焊接。

技术总结
本发明提供一种高可靠性的低压涡轮导叶热冲击试验装置，本发明解决了在涡轮导叶热冲击试验过程中试验装置使用寿命短、焊缝开裂问题及冷却水不流畅导致水套爆裂等安全问题；试验过程中，本试验装置更加真实的模拟叶片工作状态，试验数据更加真实反映叶片的疲劳寿命，使试验数据更加真实有效。使用本发明的涡轮导叶热冲击试验装置，首次突破了试验装置寿命大于热冲击试验总时长，试验过程中不需进行更换试验装置，并且首次实现了在涡轮叶片热冲击试验过程中未出现冷却水套焊缝开裂、漏水或试验装置损坏的试验先例。使用本发明的试验装置，明显减少了试验过程中试验装置故障率，极大了提高了试验效率和安全可靠性。

技术研发人员：徐波,刘宇,林洪飞,霍玉鑫,牛夕莹,梁晨,孙鹏,林枫
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16