一种旋转气膜冷却式温度梯度热机械疲劳试验系统的制作方法

本发明属于航空航天发动机试验技术领域，涉及航空发动机单晶涡轮叶片热机械疲劳试验系统，特别涉及一种能够模拟单晶涡轮叶片温度梯度服役环境的旋转气膜冷却式温度梯度热机械疲劳试验系统。

背景技术：

单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)性能是反映航空发动机重要性能指标之一，是影响涡轮叶片服役寿命的重要因素。叶片服役过程与空气摩擦在叶片结构产生气膜冷却温度梯度场，该温度梯度场随发动机工作状态变化，直接影响涡轮叶片各项力学性能，甚至造成材料损伤破坏。试验室环境下，为确保试验的准确性必须真实再现试件服役中相同的气膜冷却温度梯度场，该环境下试验结果才具有真实性。

国内现有温度梯度控制系统中，常用石英管进行红外辐射加热，该方法简单易行、成本低廉，但该系统驱动功率小且热惯性较大，对温度场的可控性差。发明专利201110460131.4中的加温系统由高频感应加热炉和感应加热线圈组成，采用双管分半式结构，利用铜管内部的冷却水，通过改变加热线圈形状和与涡轮叶片的距离形成所需温度梯度。发明专利201210051835.0中利用多路高能能量束对结构按照设定轨迹和输出功率加热扫描，通过温度反馈实时调整扫描轨迹和输出功率形成温度梯度场。但上述温控系统成本高昂，工艺复杂，冷却效果差，需购置专门的试验仪器，专人对试验过程进行监控，且对温度可控性差，温度场达不到精确预期效果，不易于试验测量。特别地，现有试验设备不能真实再现试件因旋转与空气摩擦产生的气膜冷却式温度梯度场。因此模拟旋转试验工况下试件的热机疲劳，保证试件处于服役下温度梯度环境，是研究冷却单晶涡轮叶片亟待解决的重要问题。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供一种旋转气膜冷却式温度梯度热机械疲劳试验系统，改进现有试验仪器，使试件旋转工况下与空气摩擦产生气膜冷却温度梯度场，保证试件旋转的同时又承受单轴拉伸载荷，较好解决模拟试件温度梯度场试验环境的难点，操作方法简单易行，成本低廉。转动试件改进了传统热机械疲劳试验系统，真实再现叶片工作状态下的气膜冷却温度梯度场，确保航空发动机涡轮叶片热机械疲劳试验顺利进行，为航空发动机安全可靠工作提供技术基础和安全保障。

本发明采用如下技术方案：

一种旋转气膜冷却式温度梯度热机械疲劳试验系统，包括：加载子系统、加热子系统、动力子系统、气冷子系统和控制子系统，其特征在于，所述加载子系统包括夹头，夹头与夹具通过推力轴承连接，夹具与试件螺栓和试件连接键连接；加热子系统水平置于试件部位，环绕试件对其加热；动力子系统通过电机控制齿轮转动，联动齿轮内接与下端夹具，带动下端夹具转动；气冷子系统通过空气压缩机提供冷却气流，由通气管道连接上端空心夹头，冷却空气通过上端夹头、上端夹具、试验试件、下端夹具和下端夹头后流出；控制子系统由载荷控制器、转子流量计、热电偶和常闭电磁阀组成，通过线缆与加载子系统、气冷子系统和加温子系统连接。本发明能用于热机械疲劳试验，真实再现试件与空气摩擦产生的气膜冷却温度梯度场。

进一步地，所述加载子系统由疲劳试验机、耐高温夹具和推力轴承组成，它用于提供热机械疲劳试验所需机械载荷。试件与高温夹具螺栓连接，加入试件连接键固定，防止旋转过程螺栓滑动。夹具内接固定于推力轴承内轴，自设计推力轴承套通过铆钉将轴承固定于试验机夹头，疲劳试验机、推力轴承为空心结构，其中夹具材料为耐热合金模具钢。

进一步地，所述加温子系统为电磁感应加热系统，它用于提供热机械疲劳试验温度场。通过交变电流在导体中产生感应电流，导致导体发热，电磁线圈内部设置有石墨圈，线圈产生热量后通过石墨圈传至试件，保证热辐射的均匀性。电磁感应设备市场选购，通过调整输入功率实现对试件温度场的模拟。

进一步地，所述动力子系统由电机、齿轮联动系统组成，它用于提供系统旋转动力。通过齿轮联动系统连接下端夹具和电机，夹具内接齿轮，通过齿轮带动夹具转动，为夹具、试件提供可控恒定旋转速度，用于模拟试件与空气摩擦产生的温度场。

进一步地，所述气冷子系统由空气压缩机、减压稳压阀、转子流量计和进气、排气管组成，其间通过管道相互连接，它用于提供热机械疲劳试验所需冷却气流。通过转子流量计控制气流大小；系统中夹头、夹具、试件、推力轴承均为空心结构，保证冷却气流流畅通过整个系统，保证试件内部强制冷却。

进一步地，所述控制子系统由载荷控制器、转子流量计、热电偶和常闭电磁阀组成，通过线缆连接，它用于同步控制系统的拉伸载荷、冷却速率及加热速率，市场选购。载荷控制器由现有疲劳试验机配备，可输入机械载荷波形，控制输入载荷；转子流量计通过控制冷却气流流量调整系统冷却速率；常闭电磁阀通过开/关信号及热电偶点信号控制系统加热速率。

本发明的优点在于：

1.改进现有试验设备，设计高温夹具为中空结构，通冷却空气，模拟气膜冷却温度梯度场；热电偶通道通过滑块连接，解决测量旋转试件内壁温度的难点；夹具两端推力轴承，通过自设计轴承套连接既能可靠传递试验机的机械载荷，又能保证夹具自身旋转与试验机的机械连接；通过控制电机输出功率控制夹具的旋转速度，空气压缩机控制冷却气流量，电磁加热系统控制试验温度场，实现旋转工况下试件的热机械疲劳试验。试验设备制作工艺简单，成本低，可行性高。

2.采用空气压缩机提供冷却气流，转子流量计控制气流流量，能准确控制试件的冷却气流量，冷却效率高，可大幅度调整温度场，夹具端部的热电偶通道，便于测量试件内部温度，整个试验系统对温度场可控性高。

附图说明

图1为本发明热机械疲劳试验机结构示意图

图2为本发明推力轴承结构示意图

图3为本发明推力轴承内轴结构示意图

图4为本发明推力轴承外轴结构示意图

图5为本发明推力轴承的轴承套结构示意图

图6为本发明试件及夹具整体结构示意图

图7为本发明试件及夹具局部分体结构示意图

图8为本发明电磁加热系统结构示意图

图9为本发明夹头的结构示意图

图10为图9的局部结构示意图

图中符号说明如下：

1：疲劳试验机基台 18：推力轴承内轴

2：下冷却空气导管 19：推力轴承外轴

3：电机 20：自设计轴承套

4：下夹头 21：试件

5：下推力轴承 22：试件螺纹

6：齿轮联动系统 23：试件孔

7：下连接夹具齿轮 24：试件连接键

8：下夹具 25：自设计锁紧件下螺纹

9：下自设计锁紧圈 26：自设计锁紧件连接键

10：电磁加热线圈 27：自设计锁紧件上螺纹

11：外接电磁加热系统 28：夹具连接键

12：测量试件外壁热电偶 29：夹具上螺纹

13：上自设计锁紧圈 30：内壁热电偶

14：石墨圈 31：上冷却空气导管

15：上夹具 32：滑块热电偶

16：上推力轴承 33：滑块

17：上夹头 34：滑道

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述：

结合附图，对本发明一种可旋转空心气冷温度梯度试验系统为实现模拟试件旋转与空气摩擦产生温度梯度场所采取的技术方案做进一步说明。热机械疲劳试验机结构如图1所示。

试验条件下，试件热机械疲劳试验系统的机械载荷由疲劳试验机产生，通过加载系统控制上下夹头4、17施加拉伸载荷，经过耐高温上下夹具15、8传递至试件21，载荷类型由热机械疲劳试验机载荷谱控制。上下夹头4、17内接与上下推力轴承5、16，通过内扣与试件连接键24连接。上下推力轴承5、16通过自设计轴承套20由铆钉固定于上、下夹头4、17。

试件及夹具如图3所示。自设计锁紧件通过自设计锁紧件下螺纹25与夹具上螺纹29连接，加入连接键与自设计锁紧件连接键26、夹具连接键28处固定，防止夹具因旋转松动；试件螺纹22与自设计锁紧件上螺纹27连接，加入连接键于试件连接键24、自设计锁紧件连接键26处，防止夹具因旋转松动。系统转动动力由电机3产生，通过齿轮联动系统6和下连接夹具齿轮7带动下夹具8转动使得试件21、上夹具15转动，夹具上下两端使用推力轴承5、16固定，既保证夹具8、15和试件21转动，有效连接夹具与夹头4、17，又很好传递加载系统的拉伸载荷谱。

系统高温由电磁感应加热系统提供，如图4所示。试验条件下，热感应线圈10通过线缆9连接至电磁感应加热系统，热感应线圈10、石墨圈14，环绕试件21，通过调整输入功率实现对试件高温试验环境的模拟，保证恒定温度场，为模拟温度梯度场奠定高温基础。

系统冷却气流由空气压缩机和减压稳压阀提供，试验夹头、夹具、试件均设计成空心结构，冷却空气由上冷却空气导管31进入，通过上夹头17、上夹具15、试件21、下夹具6、下夹头4后由下冷却空气导管2流出，通过转子流量计控制冷却空气流量，保证试件内部强制冷却，使得试件内外壁存在温度差，产生温度梯度场。

夹头如图5所示，测量试件内部温度的内壁热电偶30通过滑块33与滑块上部的滑块热电偶通过金属片在滑道34处连接，保证旋转条件下传输稳定电信号。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。