一种试件液体冷却隔离层的卤素灯复杂梯度热疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及一种试件液体冷却隔离层卤素灯复杂梯度热疲劳加热装置，适用于小面积复杂曲面结构热疲劳加热实验，可用于航空发动机叶片、小型高温热结构件等极端热环境或者稀薄流环境下高温试验的模拟。

背景技术

航空发动机是为“现代工业皇冠上的明珠”，是衡量一个国家综合科技水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志。随着航空飞行器性能的提高，航空发动机所需具备的推重比也有了更高要求。随着航空发动机性能的提高，将导致航空发动机高压涡轮进气口燃气温度提高，对航空发动机叶片寿命服役提出了极其苛刻的要求。针对航空发动机叶片，其内部含流道、高温度梯度(局部加热温度大于200℃/cm)，需要提供更加先进的热考方式。

目前对于如航空发动机叶片内部含流道的试件热疲劳考核问题，当前的方法有：采用高频电磁感应的方式，根据所需加热形面调整高频感应加热元器件的位置，难以对完整的实验工件进行加热；采用石英灯调整距离叶片内部含流道工件的位置，支架间布置裸露的石英灯加热管，对曲面进行加热测试。其中，石英灯加热管难以做到强制冷却，石英灯灯管的电线直接接入加热控制电源总线。实验过程中，首先将加热曲面推入到加热设备的支架内。传统的加热方式有以下几个问题：

1、裸露的石英灯加热管，灯管背部辐射不能高效地利用到加热过程。

2、单一化定制设备，不具有对于不同类型、大小的曲面气动加热试验适应性。

3、航空发动机叶片的温度场分布复杂、温度梯度大、叶片所处的面积小，对于定制设备，控制系统编写难度大，实验周期长。

4、冷却试件时冷却液可能喷溅到石英灯管上，导致石英灯管表面产生较大的热应力而损坏。

5、无法模拟高空稀薄流环境乃至真空环境，也无法利用保护气来进行实验。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种液体冷却夹层的卤素灯与平面加热装置，其具有结构紧凑、性能稳定、可大规模模块化拼接、温度易控、效率更好的特点，同时添加适应保护罩保护石英灯管延长其使用寿命，还为做高空稀薄流等更深一步的实验创造条件。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种试件液体冷却隔离层的卤素灯复杂梯度热疲劳试验装置，包括截面呈六边形的钣金外罩箱体，设置在钣金外罩箱体顶部的箱体上盖，设置在钣金外罩箱体内的石英灯灯座和若干个石英灯灯管，以及设置在石英灯灯座上的试件石英隔离罩；

石英灯灯座上设置有若干个石英灯卡槽，其上按周向均匀布置若干个石英灯灯管，钣金外罩箱体三个不相邻的第一壁面、第三壁面、第五壁面内布置有三个相同的第一冷却管路、第二冷却管路、第三冷却管路，为保证冷却水均匀流动，采用下进上出的流动方式，其中各个壁面上右下孔为第一侧壁水冷管道的进水口，右上孔为第一侧壁水冷管道的出水口，左下孔为第二侧壁水冷管道的进水口，左上孔为第二侧壁水冷管道的出水口；第一壁面的第一冷却管路中，冷却液从第一侧壁水冷管道的进水口流入钣金外罩箱体，从第一侧壁水冷管道的出水口流出后转接到第二侧壁水冷管道的进水口，再从第二侧壁水冷管道的出水口流出；箱体上盖布置有上盖内冷却液管道，冷却液从上盖水冷管路的进水口流入，沿通道从上盖水冷管路的出水口流出。

本发明进一步的改进在于，灯管冷却液从上盖内水冷管道开始，流入上盖水冷管路的进水口后依次通过上盖水冷管路的出水口、第一壁面的第一水冷管路、第三壁面的第二水冷管路、第五壁面的第三水冷管路，之后流出进行后续工业冷却循环过程。

本发明进一步的改进在于，箱体上盖开设有螺纹孔，其孔径大小为试件石英隔离罩的外径大小，试件石英隔离罩插入钣金外罩箱体中，将试件和石英灯灯管隔断，起到保护灯管的作用，同时也可实现密闭环境热疲劳实验；插入之后在箱体上盖的螺纹孔处旋入一个螺纹盖，来起到封闭的作用，在钣金外罩箱体底面设置有下底面固定石英玻璃罩的卡槽，便于固定试件石英隔离罩。

本发明进一步的改进在于，螺纹盖上方延伸出一个固定试件的下凸台，起到支撑试件的作用。

本发明进一步的改进在于，螺纹盖、固定石英玻璃罩的卡槽与固定试件的下凸台均被螺纹盖上的螺纹孔和贯穿下凸台和箱体底面的螺纹孔贯穿，在封闭实验中螺纹盖上的螺纹孔和贯穿下凸台和箱体底面的螺纹孔被螺栓封闭起到密封的作用，在空气流通实验中，螺纹盖上的螺纹孔可接水冷管和风冷管，对试件起到温度调控的作用。

本发明进一步的改进在于，在钣金外罩箱体的第二壁面、第四壁面、第六壁面分别开有三个同样大小的圆孔，作为观察孔，利用红外测温技术来测量试件温度；在观察孔中镶嵌有石英玻璃，且在是石英玻璃外侧加一层圆片状莫来石隔热板，起到保温隔热的作用。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、石英灯加热方式属于远程非接触式加热，其原理是将电能输入转换为红外线放射的高效率热源，相比于燃气加热，其温度的分布、大小以及升降速率均有极大的改进，并且石英灯还具有安静、清洁等优点；

2、石英灯热加热方式，加热面积比激光等加热方式加热面积更大，加热，不易受被加热材料的限制。

3、装置通过试件石英隔离罩将试件与石英灯加热元器件进行隔离，在实现试件在小范围中面积加热的同时采用盐雾与水雾急速冷却的功能。进一步地通过试件石英隔离罩，将石英灯与试件隔离开的同时保证石英灯的加热能力不受到损失。同时被试件石英隔离罩隔开的石英灯加热元器件具备了采用独立的集中冷却的能力，不受试件石英隔离罩内部叶片冷却方式的影响，更进一步地提高了石英加热元器件的能力。

5、每个独立的石英灯的功率都独立受到控制系统控制，该装置的加热易于控制与大规模调整。

6、对石英灯灯管背面填涂了反射涂料，降低了加热光线对后方侧壁面的辐照影响，进一步增强了正面受辐射面的辐照强度，提高了加热面的加热效率。

7、采用了模块化的设计理念、控制理论、以及独立的冷却单元。同时单个设备在加热过程中，正常工作时温度恒处于稳定状态。相比于传统的石英灯加热技术，可以大规模拼接、组合，应用到大面积与复杂曲面的加热的场合中。

8、中间插入的石英玻璃罩使得实验物件与灯管组分离开，可以有效地防止喷淋的冷却液飞溅到石英灯管上，防止石英灯管内外温差过大，产生较大的热应力，造成石英灯管损坏。此外，将上下喷淋孔封闭，则形成密闭空间，可在玻璃罩内填充保护气，也可抽气来模拟真实的高空稀薄流环境。

9、预留的三个观察窗用于红外测温技术，实时测量试件温度。

综上所述，本发明提供的一种试件液体冷却隔离层的卤素灯复杂梯度热疲劳试验装置，可对高密度复杂石英灯等阵进行气体冷却又可对被试验工件进行水雾冷却，克服了石英灯加热模块在试件水雾、盐雾环境下寿命急剧损伤的问题。整体装置克服了传统燃气热冲击实验装置成本高、噪音污染大、温度分布大小以及升降速率难以控制、安全性低以及等温热循环试验装置无法实现梯度热冲击的缺点，又克服了传统石英灯加热装置效率低、温升低、持续加热时间短、适应性差等缺点。同时，还可通过调节石英灯加热功率、加热距离、模块化拼接数量实现100℃-1500℃极小范围内大温度梯度200℃/cm，最小加热面积为70mm。通过调节玻璃罩内气体成分来模拟真实环境下的热损伤过程。此外，设计的石英隔离罩通过隔离试验与石英灯加热装置，可实现复杂结构的冷却与复杂结构的水雾、盐雾冷却的同时可延长其使用寿命。因此，本发明实现了一种经济、安全、清洁、安静、灵活和高效的热疲劳试验装置。

附图说明

图1为本发明的整体视图。

图2中(a)至(d)分别为本发明的主视图、后视图、左视图和俯视图。

图3为主视图透视图。

图4中(a)和(b)分别为图3的A-A和B-B剖视图。

图5为主视图透视图。

图6中(a)和(b)分别为图5的C-C和D-D剖视图。

图中：钣金外罩箱体底面为可支承面；

1为钣金外罩箱体，2为箱体上盖，3为石英灯灯座，4为石英灯灯管，5为试件石英隔离罩，6为石英灯卡槽，7为侧壁面内冷却液管道，8为上盖内冷却液管道，9为箱体上盖上的螺纹孔，10为螺纹盖，11为螺纹盖上的螺纹孔，12为试件，13为贯穿下凸台和箱体底面的螺纹孔，14为固定试件的下凸台，15为下底面固定石英玻璃罩的卡槽，16为石英玻璃；

1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6为第一至第六壁面，7-1、7-3、7-5为第一至第三水冷管道，a、c为第一、第二侧壁水冷管道的进水口，b、d为第一、第二侧壁水冷管道的出水口，e为上盖水冷管路的进水口，f为上盖水冷管路的出水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1、2及3所示，本发明提供的一种液体冷却夹层的卤素灯与平面加热装置，钣金外罩箱体1，箱体上盖2，石英灯灯座3，石英灯灯管4，石英玻璃罩5，石英灯卡槽6，侧壁面内冷却液管道7，上盖内冷却液管道8，六边形上盖开的螺纹孔9，螺纹盖10，开在螺纹盖上的螺纹孔11，试件12，贯穿下凸台和箱体底面的螺纹孔13，固定试件的下凸台14，下底面固定石英玻璃罩的卡槽15，以及石英玻璃16。

其中，六边形的石英灯灯座3与钣金外罩箱体1底面固连，石英灯灯座3上加工有圆周均匀分布的石英灯卡槽6，石英灯卡槽6上固定石英灯灯管4。六边形的箱体上盖2与钣金外罩箱体1通过螺栓连接，在箱体上盖2上开有螺纹孔9，便于插入石英灯灯罩5，钣金外罩箱体1的下底面固定石英玻璃罩的卡槽15内测带有密封橡胶圈，灯罩插入后通过下底面固定石英玻璃罩的卡槽15固定密封。螺纹盖10旋入螺纹孔9中，螺纹盖10中心开有小的螺纹盖上的螺纹孔11，便于接外部的气冷水冷管道，在下底面处设置有一个固定试件的下凸台14，固定试件。开设贯穿下凸台和箱体底面的螺纹孔13贯穿下凸台和箱体底面，左右冷却气或冷却液的出口。

在钣金外罩箱体1的第一壁面1-1、第三壁面1-3、第五壁面1-5和箱体上盖2内部还开设有第一至第三冷却液通道7-1、7-2、7-3、上盖内冷却液管道8，灯管冷却液从上盖内冷却液管道8开始，流入上盖水冷管路的进水口e后依次通过上盖水冷管路的出水口f、第一壁面1-1的第一水冷管路7-1、第三壁面1-3的第二水冷管路7-3、第五壁面1-5的第三水冷管路7-5，之后进入水冷箱冷却进行下一步循环。

而第一至第三冷却通道7-1、7-2、7-3均采用下进上出的流动方式，其中各个面右下孔为第一侧壁水冷管道的进水口a，右上孔为第一侧壁水冷管道的出水口b，左下孔为第二侧壁水冷管道的进水口c，左上孔为第二侧壁水冷管道的出水口d。例如第一壁面1-1的第一冷却管路7-1中，冷却液(主要以水基冷却液、油基冷却液为主)从第一侧壁水冷管道的进水口a流入箱体，从第一侧壁水冷管道的出水口b流出后转接到第二侧壁水冷管道的进水口c，再从第二侧壁水冷管道的出水口d流出，接入到第二水冷管道7-3的第一侧壁水冷管道的进水口a，以此循环。

钣金外罩箱体1采用不锈钢直接钣弯制成。灯管背面喷涂有耐高温涂层，从而灯管背面具有80～85％总反射率。

进一步，通过调整灯管组的数量，改变灯管组的长度，并对外部结构件做适应性改变，从而达到对灯的单个模块的尺寸与功率进行改进。改变灯管夹层的形状，对结构件做适应性改变，从而达到所需加热表面适应性变化的目的。对于结构件与灯管的部分表面，喷涂隔热涂层，从而降低部分零部件实际工作时的温度。调整冷却液入流出口的数量与直径，调整内部冷却液管道的布置范围与距离，冷却液冷却效率的改进。

进一步，整个装置的固定，在正常工作温度下(1100℃以下)，可由耐温100℃以上的材料。

对箱体下表面进行固定，对箱体上盖及侧壁面采取冷却通道进行保护。

灯内的电气线路采用高温玻璃纤维编织绝缘线。所述石英灯灯管，采用钨灯丝卤素加热管，额定电压为220V，额定功率2KW，且可调整与定制，发热温度高达3300K，放射能量稳定，可实现1800℃的远程快速加热，不受周围环境影响，仅对被辐射物有效，可通过调节供电量改变卤素灯功率。同时，该种加热方式属于电控非接触式加热，具有经济、安全、清洁、安静和高效的优点，且使用寿命长达5000小时以上。

所述加热灯内部冷却管路、石英灯灯座、石英灯安装端坐为同一材质，拥有高导热系数和低热胀系数。

所述钣金外壳采用不锈钢材质。

本发明提供的一种液体冷却夹层的卤素灯与平面加热装置，其使用方法如下：

步骤一、将装置摆放端正，检查试验装置冷却管路是否完整、无损、无堵，检查石英灯灯管是否有油污、遮挡物，检查电气线路是否短路、裸露。当所有项目符合要求时，完成设备安全性检验。

步骤二、从进水口缓慢注入冷却水，待出水口中冷却水流出时，观察流出水中是否存在气泡。当流出的水中无气泡时，增大冷却水流动速度。当冷却水自流出口稳定、无脉动流出时，可将装置按照所需加热角度与位置摆放端正，完成冷却水注入。

步骤三、接通电源，对灯管根据实际工况提前预热一分钟，观察设备是否存在问题。

步骤四、进入实验阶段，通过控制电源中的信号变化，实现对灯管加热功率的控制，实现长时间加热或热疲劳循环过程。

步骤五、观察试验工件在试件石英隔离罩盐雾冷却氛围中的冷却状况，检查试件石英隔离罩在高温环境下是否出现破损、高温导致的石英雾化。

步骤六、试验结束后，首先关闭电源系统，待设备降至室温后后停止冷却液注入。最后，排出管路内多余的冷却水，结束加热过程。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应当视为属于由本发明提交的权利要求书所确定的专利保护范围。