[发明专利]一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统

说明书

(一)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。

(二)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。

(三)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。