一种带喷淋降温的高压涡轮导叶热冲击试验装置

技术领域

本发明属于燃气轮机及航空发动机领域，具体涉及一种带喷淋降温的高压涡轮导叶热冲击试验装置。

背景技术

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。高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，对评估高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。

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。

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。

由于涡轮导叶热冲击试验难度很大，在试验过程中经常出现以下问题和故障。一方面试验参数苛刻，试验参数难以满足试验要求，试验台参数均在最大值和最小值之间循环剧烈的波动，试验台试验参数与试验条件不匹配，热冲击试验过程中在低工况下不能稳定燃烧，导致熄火，无法满足试验要求。另一方面试验装置工作环境恶劣，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。

发明内容

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带喷淋降温的高压涡轮导叶热冲击试验装置。

一种带喷淋降温的高压涡轮导叶热冲击试验装置，包括测量喷淋段、试验工装段和出口段工装；所述测量喷淋段、试验工装段和出口段工装采用螺栓连接；所述测量喷淋段顶部和底部分别设置有冷却水出口A和冷却水入口A；所述测量喷淋段上设置有喷淋装置；所述试验工装段上下盖上均设置了冷气通气孔，在高压涡轮导叶上下位置各形成一个冷气腔，为高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。

进一步地，所述测量喷淋段整体采用双层水套结构，机匣分两层，中间通冷却水。

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。

进一步地，所述喷淋装置后方设置有总温探针安装座，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。

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。

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

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。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明解决了燃气轮机涡轮导叶热冲击试验中试验台在低工况参数下燃烧室不能稳定燃烧，存在熄火的问题；(2)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；(3)本发明在试验过程中，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，首次实现不改变试验台设备和功能基础上，解决了因试验台参数不足无法进行热冲击试验的问题；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。

附图说明

图1为典型的热冲击试验1个周期内的涡轮叶片温度载荷曲线图；

图2为本发明整体结构图；

图3为本发明测量喷淋段图；

图4为本发明测量喷淋段三维模型图；

图5为本发明试验工装段图；

图6为本发明试验工装段三维模型图；

图7为本发明出口段图；

图8为本发明出口段三维模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种带喷淋降温的高压涡轮导叶热冲击试验装置，包括测量喷淋段、试验工装段和出口段工装。所述测量喷淋段、试验工装段和出口段工装采用螺栓连接装配，相比于整体焊接的热冲击试验装置，该组装形式能够在任意一个工装段损坏时，都可以单独进行维修更换。

所述测量喷淋段，其主要功能为监测和调整燃气温度，保证进入试验件的燃气温度满足试验条件。测量喷淋段整体采用双层水套结构，机匣分两层，中间通冷却水，用于给机匣降温，冷却水入口A2设置在测量喷淋段底部，冷却水出口A1设置在测量喷淋段顶部，以此保证水套循环水正常流通，防止水在水套内阻塞，高温下气化引起水套爆裂从而产生危险；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，该焊接形式极大提高了测量喷淋段焊接可靠性，从而避免了之前试验过程中，冷却水套焊缝开裂漏水等安全问题，采用该焊接结构形式后，首次创造了涡轮导叶热冲击试验过程中冷却水套不开裂的试验先例；该测量喷淋段设置软化水喷淋装置5，在热冲击试验低温工况点，在试验件前的测量喷淋段进行喷淋软化水用于给燃气快速降温，使进入试验件前的燃气温度满足试验要求，从而保证热冲击试验低工况状态下燃烧室不会因喷油太少而导致燃烧室熄火，另外喷淋管接头采用标准的锥头接口，可与标准的球头金属管连接，连接可靠安装方便；喷淋装置5后方设置有总温探针安装座6，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。

所述试验工装段主要功能为安装涡轮导叶试验件，模拟真实涡轮导叶燃气和冷气工作。试验工装段上下盖上均设置了冷气通气孔7，在高压涡轮导叶上下位置各形成一个冷气腔，能为高压涡轮导叶提供冷气，模拟涡轮叶片真实工作状态下冷气供气工作状态，同时冷气冷却了试验工装段，保证试验工装段温度满足使用要求，相比于涡轮导叶上焊接供气管供气的结构形式，冷气冷却状态更加接近真实工况，并彻底解决了涡轮导叶在焊接供气管位置开裂问题，保证了试验数据的有效性。同时冷气接头采用标准锥头，可与标准球头金属管连接，连接可靠、方便；试验工装段的上下盖均设置了测试引线孔9，试验调试或试验过程中可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；试验工装段上盖上设置两个肋板，用于压紧高压涡轮导叶缘板，使导叶在试验过程中安全可靠的固定。

所述出口段工装主要作用为引导高温燃气排到排气管道，同时给燃气降温。出口段工装顶部和底部分别设置有冷却水出口B3和冷却水入口B4；出口段整体采用双层水套结构形式，其结构形式与测量喷淋段结构双层水套相同；出口段双层水套焊接结构形式采用开槽焊接，与测量喷淋段结构相同；在燃气接触的机匣面上设置有喷淋小孔9，试验过程中通过调节阀门控制进入冷却水套的进水量，实现通过喷淋小孔向燃气通道内喷冷却水，给燃气排气降温，防止后面管道和阀门因燃气温度过高导致损坏。相比传统出口段结构，要实现以上两个功能，需单独设立两个独立的水路系统，一个实现冷却水套的冷却，另一个水路系统实现燃气喷水，并且喷淋降温水路通常采用环管供水方式，该形式在试验段工装四周设置环管，在工装吊装和拆装过程中容易损坏。使用本发明中的出口段工装，采用一套水系统即可实现出口段功能，并且可极大简化试验工装结构和加工成本，使出口段工装安装和拆卸更加方便；管道出口角度与涡轮叶片出口角度一致，保证叶片出口燃气流场与设计相符，尽可能减小尾部气动损失和阻力。

本发明既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，能够有效解决试验过程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，同时更加真实的模拟叶片真正的工作状态，使试验数据更真实有效。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。