专利名称：一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及航空发动机涡轮叶片热机械疲劳试验系统，特别是涉及一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，它是一种能够模拟涡轮叶片考核截面应力场、温度场以及载荷谱的试验装置，属于航空航天发动机技术领域。背景技术：
燃气涡轮叶片的热机械疲劳(TMF)故障是航空发动机服役期间最主要的失效类型之一，是影响发动机涡轮叶片使用寿命的主要因素。目前，对于镍基单晶高温合金的热机械疲劳试验大多基于标准试件和叶片近似试件。而实际的涡轮转子叶片在工作过程中要承受离心力、气动力等载荷，产生拉伸、扭转、弯曲变形，为多轴应力状态；对于带有内腔的涡轮叶片，在加热/冷却过程中，气膜冷却孔边和扰流柱倒角等部位会产生较大的温度梯度， 造成显著的应力集中，可能导致裂纹的萌生。上述特征是标准试件和叶片近似试件所难以模拟的。并且对于单晶材料，工艺过程和取样的细微差异，会造成力学性能的不同。因此， 进行真实涡轮叶片的热机械疲劳试验对于涡轮叶片在设计中的定寿研究、叶片故障的分析和预防有重要意义。
俄罗斯Central Institute of Aviation Motors (CIAM)研制出的涡轮叶片热机械疲劳试验系统要求使用能够提供拉伸和扭转载荷的疲劳试验机，而目前一般的疲劳试验机只能提供单轴的拉伸载荷；该试验系统不包括气冷子系统，无法模拟空心涡轮叶片的冷却过程。沈阳发动机设计研究所研制的A714D气冷涡轮叶片热/机械复合疲劳试验器采用尼龙拉伸带将机械载荷传递到叶片上，并通过改变尼龙带与叶片的夹角来调整涡轮叶片的应力分布；但是尼龙耐磨、耐高温、抗拉强度均差于钢，而热机械疲劳试验装置的环境温度较高、承受的机械载荷较大，长期试验会引起尼龙的磨损、老化、伸长等问题，导致该试验器的载荷谱控制精度较低。
发明内容
(1)发明目的
本发明提供了一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，它克服了现有技术的不足，较好的解决了空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱模拟的难点，确保了航空发动机涡轮叶片热机械疲劳试验的顺利进行，为航空发动机安全可靠的工作提供了技术基础和安全保障。
(2)技术方案
本发明一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，主要包括5个子系统加载子系统、加温子系统、气冷子系统、水冷子系统和控制子系统，它们之间的位置连接关系是 加载子系统在竖直方向上夹持涡轮叶片；加温子系统水平放置于加载子系统中部，对涡轮叶片进行加热；气冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统相连；水冷子系统水平放置， 通过管道与加载子系统和加温子系统相连；控制子系统放置于加温子系统上部，通过线缆4与加载子系统、加温子系统和气冷子系统相连。本发明能用于空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱的模拟。
所述加载子系统由疲劳试验机和涡轮叶片专用夹具组成，涡轮叶片专用夹具夹持涡轮叶片后，再放置在疲劳试验机的夹头上；它用于提供热机械疲劳试验所需的机械载荷。疲劳试验机为市场选购，能够提供单轴的拉伸载荷。涡轮叶片专用夹具为自行设计加工，材料为耐热合金模具钢，表面发蓝处理。涡轮叶片专用夹具由上叉子座、下叉子座、销钉(X4)、叉子(X2)、涡轮盘近似件、挡板(X2)、螺钉(X4)、压紧螺栓(X4)、叶片组合夹具和垫片(X40)构成。其中，上、下叉子座为台阶轴状零件，分别固定于疲劳试验机的上、 下夹头；叉子11、3通过销钉12、2与上、下叉子座连接；叉子11通过销钉10与叶片组合夹具9连接；挡板通过螺钉7与涡轮盘近似件连接；涡轮盘近似件通过其上设置的销钉孔和销钉4固接在叉子3上。该叉子为其上设置有通孔的Y形件；该涡轮盘近似件是其上设置有通孔、盲孔和榫槽的T形状件；该挡板是其上设置有通孔的矩形板料件；该叶片组合夹具为分半式台阶矩形板料结构，并分别设置有内孔、水冷孔和排气孔其内孔与待测工件涡轮叶片的叶冠相配合，用于传递机械载荷，孔数量是一个；其水冷孔与水冷子系统相连，用于冷却叶片组合夹具，孔数量是一个；其排气孔用于排出涡轮叶片的内部冷却气流，孔数量是两个。4个压紧螺栓8将叶片组合夹具的两部分固定在一起，见图3。为了便于机械载荷的可靠传递，对于不带叶冠的涡轮叶片，需要在涡轮叶片的叶尖部位通过浇铸或焊接异型叶冠。涡轮叶片的榫头与涡轮盘近似件的榫槽相配合，用于模拟涡轮叶片在涡轮盘上的安装条件。涡轮盘近似件带有气冷通道，与气冷子系统相连；冷却气流通过气冷通道进入到涡轮叶片的内腔，进行涡轮叶片的内部冷却。2个挡板通过4个螺钉固定在涡轮盘近似件榫槽的两侧，防止涡轮叶片承受机械载荷时滑出榫槽以及冷却气流的泄漏。4个销钉分别连接下叉子座1与叉子3、叉子3与涡轮盘近似件5、叶片组合夹具9与叉子11、叉子11与上叉子座13。每个销钉联接的两个零件间预留有间隙(间隙的尺寸=垫片的厚度X 10)，恰好可以插入10片垫片。由销钉所联接的组件称为关节，本涡轮专用夹具共有4个关节。通过改变各个关节处垫片的组合(即改变间隙左右垫片的数目)，可以调整涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、 扭转变形的分量。结合上述方法，同时调整疲劳试验机的拉伸载荷，可以实现涡轮叶片考核截面工作应力场的模拟。
所述加温子系统由高频感应加热炉和感应加热线圈组成，其间互相连接；它用于提供热机械疲劳试验所需的热载荷。高频感应加热炉为市场选购。感应加热线圈为自行设计制造，采用双管分半式结构，见图9，它由2根铜管、联接铜片和塑料水管构成，塑料水管的两端分别与2根铜管的一端套接，联接铜片将2根铜管固接在一起。2根铜管和联接铜片构成电流回路；2根铜管和塑料水管构成冷却水回路。感应加热线圈与高频感应加热炉相连，并且铜管内部通有冷却水。通过改变感应加热线圈的形状以及感应加热线圈与涡轮叶片表面的距离，可以在不同的区域造成不同的磁漏，在涡轮叶片表面产生所需的温度梯度。 结合上述方法，同时调整高频感应加热炉的输入功率，可以实现涡轮叶片考核截面工作温度场的模拟。
所述气冷子系统由空气压缩机、减压稳压阀、空气质量流量控制器和三通接头组成，其间通过管道互相连接；它用于提供热机械疲劳试验所需的冷却气流。空气压缩机、减压稳压阀、空气质量流量控制器、管道和三通接头均为市场选购。空气压缩机提供连续但压强、流量均不稳定的气流；经减压稳压阀后，气流压强保持恒定；经空气质量流量控制器后，气流流量保持恒定。在空气质量流量控制器的出口处，安装有三通接头。三通接头的一个出口与涡轮盘近似件的气冷通道相连，用于模拟涡轮叶片的内部冷却；另一出口安装有常闭电磁阀，并由控制子系统控制，用于模拟涡轮叶片的外部强制冷却。
所述水冷子系统由水泵和贮水箱组成，其间通过管道互相连接；它用于热机械疲劳试验过程中仪器设备的冷却。水泵、管道和贮水箱均为市场选购。贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为两部分一部分进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈；另一部分进入叶片组合夹具的水冷孔，用于冷却叶片组合夹具。两部分冷却水完成对仪器设备的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环。
所述控制子系统由载荷控制器、温度控制器以及常闭电磁阀组成，其间通过线缆互相连接；它用于热机械疲劳试验各子系统的同步控制。载荷控制器为疲劳试验机所配备， 输入机械载荷波形，输出机械载荷电压信号。机械载荷电压信号分两路一路输入到疲劳试验机，对涡轮叶片专用夹具进行加载；另一路输入到温度控制器。温度控制器为自行设计， 并与高频感应加热炉相配，输入机械载荷电压信号，根据机械载荷电压信号的增大/减小， 输出高频感应加热炉的开/关信号和常闭电磁阀的关/开信号。常闭电磁阀为市场选购。
(3)优点及功效
本发明一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，与现有技术相比，优点在于
第一，采用不锈钢制造的涡轮叶片专用夹具，能够可靠的传递机械载荷；通过改变关节处垫片的组合，可以简单方便地调整涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角，实现涡轮叶片考核截面工作应力场的模拟。
第二，感应加热线圈采用双管分半式结构，利用联接铜片和塑料水管，将电流回路和冷却水回路分开，能够制作出形状复杂的感应加热线圈，并且便于拆装；联接铜片的使用增加了感应加热线圈的稳定性，并且降低了铜管的接触电阻，避免了感应加热线圈过热。
第三，采用减压稳压阀和空气质量流量控制器，能够准确控制涡轮叶片的冷却气流量，并且结合三通接头和常闭电磁阀的使用，能够模拟航空发动机停车时涡轮叶片内外冷却气流的变化。
第四，利用控制子系统将加载、加温和气冷过程进行了同步控制，能够比较准确的模拟涡轮叶片热机械疲劳试验的载荷谱。

图1热机械疲劳试验要求的载荷谱示意图
图2热机械疲劳试验系统结构框图
图3涡轮叶片专用夹具正二测视图
图4叶冠俯视图
图5(a)叶片组合夹具主视图
图5(b)叶片组合夹具左视图
图5 (C)叶片组合夹具剖视图
图6(a)涡轮盘近似试件主视图
图6(b)涡轮盘近似试件左视图
图7(a)垫片主视图
图7(b)垫片左视图
图8 (a)间隙左右垫片数目为0-10 ；
图8(b)间隙左右垫片数目为5-5 ；
图8 (C)间隙左右垫片数目为10-0
图9双管分半式感应加热线圈俯视图
图中符号说明如下
1 下叉子座
2 销钉
3 叉子
4 销钉
5 涡轮盘近似件
6:挡板(父2)
7:螺钉
8 压紧螺栓(X 4)
9:叶片组合夹具
10 销钉
11 叉子
12 销钉
13 上叉子座
14 涡轮叶片
15 垫片具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统为实现考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱模拟所采取的技术方案做进一步说明。空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验的载荷谱如图1所示，分为加载(O-A)、峰值保持(A-B)、卸载(B-C)和谷值保持(C-D)四个阶段。涡轮叶片的考核截面为叶身中截面。通过有限元方法，计算在载荷谱的峰值保持阶段涡轮叶片考核截面的工作应力场和温度场，并以此作为试验条件下应力场和温度场模拟的目标。空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统组成如图2所示。
(1)涡轮叶片考核截面工作应力场的模拟
涡轮叶片考核截面工作应力场的模拟是通过加载子系统实现的。在试验条件下， 涡轮叶片的应力场取决于疲劳试验机的拉伸载荷以及涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角。
空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统的机械载荷由疲劳试验机产生。涡轮叶片专用夹具如图3所示，由下叉子座1、销钉2、叉子3、销钉4、涡轮盘近似件5、挡板6 (X2)、 螺钉7(X4)、压紧螺栓8(X4)、叶片组合夹具9、销钉10、叉子11、销钉12、上叉子座13以及垫片15(X40)构成。其中，上叉子座13和下叉子座1分别固定于疲劳试验机的上、下夹16铜管17铜管18联接铜片19塑料水管①叶片组合夹具9的内孔②叶片组合夹具9的水冷孔③叶片组合夹具9的排气孔④涡轮盘近似试件5的气冷通道 F 机械载荷/kNT 温度/°C t 时间/s O-A 加载阶段 A-B 峰值保持阶段 B-C 卸载阶段 C-D 谷值保持阶段头。为了便于机械载荷的可靠传递，对于不带叶冠的涡轮叶片，需要在涡轮叶片的叶尖部位浇铸或焊接异型叶冠，如图4所示。叶片组合夹具9为分半式式台阶矩形板料结构，带有内孔①、水冷孔②和排气孔③，如图5(a)、(b)、(c)所示。叶片组合夹具9的内孔①与涡轮叶片14的叶冠相配合，用于传递机械载荷；水冷孔②与水冷子系统相连，用于冷却叶片组合夹具9，防止热机械疲劳试验过程中叶片组合夹具9由于过热导致的强度不足；排气孔③用于排出涡轮叶片14的内部冷却气流。压紧螺栓8将叶片组合夹具9的两部分固定在一起。 涡轮叶片14的榫头与涡轮盘近似件5(图6(a)、(b))的榫槽相配合，用于模拟涡轮叶片在涡轮盘上的安装条件。涡轮盘近似件5带有气冷通道④(图6(a)、(b))，与气冷子系统相连；冷却气流通过气冷通道④进入到涡轮叶片14的内腔，进行内部冷却。挡板6通过螺钉 7固定在涡轮盘近似件5榫槽的两侧，防止涡轮叶片14承受机械载荷时滑出榫槽以及冷却气流的泄漏。
疲劳试验机产生的拉伸载荷经下叉子座1、销钉2、叉子3、销钉4后，传递到涡轮盘近似件5 ；涡轮盘近似件5的榫槽与涡轮叶片14的榫头相配合，将机械载荷传递到涡轮叶片14上；涡轮叶片14的叶冠与叶片组合夹具9的内孔①相配合，将机械载荷继续向上传递；机械载荷经销钉10、叉子11、销钉12后，传递至上叉子座13。
由销钉2、4、10和12所联接的组件称为关节，涡轮叶片专用夹具共有四个关节销钉2联接的下叉子座1与叉子3 ；销钉4联接的叉子3与涡轮盘近似件5 ；销钉10联接的叶片组合夹具9与叉子11 ；销钉12联接的叉子11与上叉子座13。每个销钉联接的两个零件间预留有间隙(间隙的尺寸=垫片的厚度X 10)，恰好可以插入10片垫片15，垫片15如图 7 (a)、(b)所示。通过改变各个关节处垫片15的组合(以下叉子座1、销钉2和叉子3构成的关节为例，如图8(a)、(b)、(c)所示，间隙左右垫片15的数目分别为0-10、5-5、10-0)，可以调整涡轮叶片14与疲劳试验机主轴的夹角，实现涡轮叶片14的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片14产生弯曲、扭转变形的分量。结合上述方法，同时调整疲劳试验机的拉伸载荷，可以实现涡轮叶片14考核截面工作应力场的模拟。
涡轮叶片专用夹具的材料为30CrMnSiA，表面发蓝处理。疲劳试验机为CssjSO电液伺服疲劳试验机，最大载荷士 IOOkN,并配备有载荷控制器。
(2)涡轮叶片考核截面工作温度场的模拟
对涡轮叶片14考核截面工作温度场的模拟需要借助加温子系统和气冷子系统。 在试验条件下，涡轮叶片14的温度场取决于感应加热线圈的形状、感应加热线圈与涡轮叶片14表面的距离、高频感应加热炉的输入功率以及涡轮叶片14的冷却气流量。在载荷谱的加载和峰值保持阶段，涡轮叶片14内部通有0. lMPa、8g/s的冷却气流，折合体积流量为 371SLPM(标准升/分钟)。
1)涡轮叶片14内部冷却的模拟
空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验所需的冷却气流量大，且要求气流的压强、流量恒定。冷却气流由气冷子系统提供。气冷子系统由空气压缩机、减压稳压阀、空气质量流量控制器和三通接头组成，如图2所示。空气压缩机提供连续但压强、流量均不稳定的气流；气流经减压稳压阀后，压强稳定为0. 45MPa ；气流经空气质量流量控制器后，流量稳定为371SLPM。在空气质量流量控制器的出口处，安装有三通接头。三通接头的一个出口与涡轮盘近似件5的气冷通道④相连，另一出口安装有常闭电磁阀。在加载和峰值保持阶段，常闭电磁阀关闭，冷却气流全部经过涡轮盘近似件5的气冷通道④，由涡轮叶片14的榫头底部进入其内腔，并从气膜冷却孔、叶尖排气孔以及尾缘排气孔排出，完成对涡轮叶片14的内部冷却。
空气压缩机型号为TA-125，排气量2. 0m7min，功率15kW，最高排气压力0. 7MPa ； 减压稳压阀型号为QTY-25，调压范围0. 05 0. 85MPa，最大输入压力IMPa ；空气质量流量控制器型号为V10FC-VC，流量控制范围250 500SLPM，最大耐压IMPa，工作压差0. 03 0. 5MPa，准确度士0. 8%。
2)热疲劳载荷的施加
涡轮叶片热机械疲劳试验要求温度变化速率快，采用高频感应的方式进行加热。 本发明空心气涡轮叶片热机械疲劳试验系统的热载荷是由高频感应加热炉提供的。
本发明所用的感应加热线圈采用双管分半式结构，由铜管16、铜管17、联接铜片 18和塑料水管19构成，塑料水管19的两端分别与铜管16、17的一端套接，联接铜片18将铜管16、17固接在一起；如图9所示。铜管16、铜管17和联接铜片18构成电流回路；铜管 16、铜管17和塑料水管19构成冷却水回路。感应加热线圈直接与高频感应加热炉相连。通过改变感应加热线圈的形状以及感应加热线圈与涡轮叶片14的距离，可以在不同的区域造成不同的磁漏，在涡轮叶片14的表面产生所需的温度梯度。结合上述方法，同时调整高频感应加热炉的输入功率，可以实现涡轮叶片14考核截面工作温度场的模拟。
高频感应加热炉型号为SPG-30B，输入功率5 30kW，振荡频率50 200kHz，冷却水要求0. 2MPa、6L/min，并配备有温度控制器。
(3)涡轮叶片考核截面载荷谱的模拟
热机械疲劳试验载荷谱要求涡轮叶片14考核截面的应力和温度同时变化，需要对加载、加温以及气冷子系统进行同步控制。各子系统的同步控制由控制子系统完成。
控制子系统由载荷控制器、温度控制器以及常闭电磁阀组成，如图2所示。载荷控制器输入机械载荷波形，输出机械载荷电压信号至疲劳试验机和温度控制器。疲劳试验机接收到机械载荷电压信号后，对涡轮叶片专用夹具进行加载。温度控制器接收到机械载荷信号后，根据机械载荷电压信号的增大/减小，输出高频感应加热炉的开/关信号和常闭电磁阀的关/开信号当机械载荷电压信号增大时，高频感应加热炉开启，对涡轮叶片14进行加热；当机械载荷电压信号减小时，高频感应加热炉关闭，同时打开常闭电磁阀，使一半的冷却气流直接吹向涡轮叶片14表面，用于模拟航空发动机停车时空气对涡轮叶片14的外部强制冷却；当机械载荷电压信号不变时，高频感应加热炉和常闭电磁阀的状态保持不变。
载荷控制器为CssjSO电液伺服疲劳试验机所配备，输出电压-5V 5V ；温度控制器为自行设计，并与SPG-30B高频感应加热炉相配，输入电压-5V 5V，输出两路开关信号。
(4)仪器设备的冷却
为了保证热机械疲劳试验过程中仪器设备的正常运行，需要对仪器设备进行冷却。冷却水由水冷子系统提供，为了节省水资源，采用循环水冷却。
水冷子系统由水泵和贮水箱组成，如图2所示。贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为两部分一部分进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈； 另一部分进入叶片组合夹具9的水冷孔②，用于冷却叶片组合夹具9。两部分冷却水完成对仪器设备的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环。当贮水箱的水温达到40°C时，需要更换冷却水。
贮水箱容量1. Om3 ；水泵型号1WZB-25-0. 37，流量1. 8m7h。
权利要求
1. 一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，其特征在于它包括加载子系统、加温子系统、气冷子系统、水冷子系统和控制子系统；加载子系统在竖直方向上夹持涡轮叶片；加温子系统水平放置于加载子系统中部，对涡轮叶片进行加热；气冷子系统水平放置， 通过管道与加载子系统相连；水冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统和加温子系统相连；控制子系统放置于加温子系统上部，通过线缆与加载子系统、加温子系统和气冷子系统相连；它用于空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱的模拟；所述加载子系统由疲劳试验机和涡轮叶片专用夹具组成，涡轮叶片专用夹具夹持涡轮叶片后，再放置在疲劳试验机的夹头上；它用于提供热机械疲劳试验所需的机械载荷； 疲劳试验机提供单轴的拉伸载荷；涡轮叶片专用夹具为自行设计加工，涡轮叶片专用夹具由上叉子座、下叉子座、销钉、叉子、涡轮盘近似件、挡板、螺钉、压紧螺栓、叶片组合夹具和垫片构成；其中，上、下叉子座为台阶轴状零件，分别固定于疲劳试验机的上、下夹头 ’叉子 (11)、(3)通过销钉(12)、(2)与上、下叉子座连接；叉子(11)通过销钉(10)与叶片组合夹具(9)连接；挡板通过螺钉(7)与涡轮盘近似件连接；涡轮盘近似件通过其上设置的销钉孔和销钉固接在叉子C3)上；该叉子为其上设置有通孔的Y形件；该涡轮盘近似件是其上设置有通孔、盲孔和榫槽的T形状件；该挡板是其上设置有通孔的矩形板料件；该叶片组合夹具为分半式台阶矩形板料结构，并分别设置有内孔、水冷孔和排气孔其内孔与待测工件涡轮叶片的叶冠相配合，用于传递机械载荷；其水冷孔与水冷子系统相连，用于冷却叶片组合夹具；其排气孔用于排出涡轮叶片的内部冷却气流；4个压紧螺栓(8)将叶片组合夹具的两部分固定在一起，为了便于机械载荷的可靠传递，对于不带叶冠的涡轮叶片，需要在涡轮叶片的叶尖部位通过浇铸或焊接异型叶冠；涡轮叶片的榫头与涡轮盘近似件的榫槽相配合，用于模拟涡轮叶片在涡轮盘上的安装条件；涡轮盘近似件带有气冷通道，与气冷子系统相连；冷却气流通过气冷通道进入到涡轮叶片的内腔，进行涡轮叶片的内部冷却；2个挡板通过4个螺钉固定在涡轮盘近似件榫槽的两侧，防止涡轮叶片承受机械载荷时滑出榫槽以及冷却气流的泄漏；4个销钉分别连接下叉子座(1)与叉子(3)、叉子C3)与涡轮盘近似件(5)、叶片组合夹具(9)与叉子(11)、叉子(11)与上叉子座(13)；每个销钉连接的两个零件间预留有间隙恰好插入10片垫片；由销钉所连接的组件称为关节，本涡轮专用夹具共有 4个关节，通过改变各个关节处垫片的组合即改变间隙左右垫片的数目，调整涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、扭转变形的分量；结合上述方法，同时调整疲劳试验机的拉伸载荷，能实现涡轮叶片考核截面工作应力场的模拟；所述加温子系统由高频感应加热炉和感应加热线圈组成，其间互相连接；它用于提供热机械疲劳试验所需的热载荷；感应加热线圈为自行设计制造，采用双管分半式结构，它由 2根铜管、联接铜片和塑料水管构成，塑料水管的两端分别与2根铜管的一端套接，连接铜片将2根铜管固接在一起；2根铜管和连接铜片构成电流回路；2根铜管和塑料水管构成冷却水回路；感应加热线圈与高频感应加热炉相连，并且铜管内部通有冷却水；通过改变感应加热线圈的形状以及感应加热线圈与涡轮叶片表面的距离，在不同的区域造成不同的磁漏，在涡轮叶片表面产生所需的温度梯度；结合上述方法，同时调整高频感应加热炉的输入功率，能实现涡轮叶片考核截面工作温度场的模拟；所述气冷子系统由空气压缩机、减压稳压阀、空气质量流量控制器和三通接头组成，其间通过管道互相连接；它用于提供热机械疲劳试验所需的冷却气流；空气压缩机提供连续但压强、流量均不稳定的气流；经减压稳压阀后，气流压强保持恒定；经空气质量流量控制器后，气流流量保持恒定；在空气质量流量控制器的出口处，安装有三通接头，三通接头的一个出口与涡轮盘近似件的气冷通道相连，用于模拟涡轮叶片的内部冷却；另一出口安装有常闭电磁阀，并由控制子系统控制，用于模拟涡轮叶片的外部强制冷却；所述水冷子系统由水泵和贮水箱组成，其间通过管道互相连接；它用于热机械疲劳试验过程中仪器设备的冷却；贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为两部分一部分进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈；另一部分进入叶片组合夹具的水冷孔，用于冷却叶片组合夹具；两部分冷却水完成对仪器设备的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环；所述控制子系统由载荷控制器、温度控制器以及常闭电磁阀组成，其间通过线缆互相连接；它用于热机械疲劳试验各子系统的同步控制；载荷控制器为疲劳试验机所配备，输入机械载荷波形，输出机械载荷电压信号；机械载荷电压信号分两路一路输入到疲劳试验机，对涡轮叶片专用夹具进行加载；另一路输入到温度控制器；温度控制器为自行设计， 并与高频感应加热炉相配，输入机械载荷电压信号，根据机械载荷电压信号的增大/减小， 输出高频感应加热炉的开/关信号和常闭电磁阀的关/开信号。
2.根据权利要求1所述的一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，其特征在于 该涡轮叶片专用夹具的材料为耐热合金模具钢，表面发蓝处理。
3.根据权利要求1所述的一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，其特征在于 涡轮叶片专用夹具中垫片的数量是40片。
4.根据权利要求1所述的一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，其特征在于 该叶片组合夹具中内孔、水冷孔和排气孔的数量分别是一个、一个和两个。
全文摘要
一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，它包括加载子系统、加温子系统、气冷子系统、水冷子系统和控制子系统；加载子系统在竖直方向上夹持涡轮叶片；加温子系统水平放置于加载子系统中部，对涡轮叶片进行加热；气冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统相连；水冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统和加温子系统相连；控制子系统放置于加温子系统上部，通过线缆与加载子系统、加温子系统和气冷子系统相连；它用于空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱的模拟；本发明较好的解决了空心气冷涡轮叶片考核截面工作应力场、温度场以及载荷谱模拟的难点，为航空发动机安全可靠的工作提供了技术基础和安全保障。
文档编号G01M13/00GK102539135SQ20111046013
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者侯贵仓, 樊江, 王荣桥, 申秀丽, 胡殿印, 荆甫雷 申请人:北京航空航天大学