CN112903275B - 一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，包括拉力机构、篦齿封严套管和蜂窝密封套管；所述拉力机构包括拉力机主体以及用于拉力输出的拉杆，所述拉杆内部沿纵向设置第一冷却通道；所述拉杆上依次套接所述篦齿封严套管和所述蜂窝密封套管；所述篦齿封严套管与所述蜂窝密封套管通过法兰连接结构连接且连接部位为中空，所述拉杆分为通过法兰连接结构连接的第一段杆和第二段杆，所述第一段杆与所述第二段杆通过法兰连接结构连接的位置位于所述篦齿封严套管与所述蜂窝密封套管之间的中空的连接部位内。本发明解决了由于拉杆在高温环境下容易变形受损而需要频繁更换的问题，以及高温环境下的试验舱密封问题。

Description

一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，更具体地涉及一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***。

背景技术

航空发动机涡轮叶片热机耦合疲劳故障是航空发动机服役期间主要的失效模式，严重影响航空发动机的使用寿命。通过对航空发动机涡轮叶片进行热机耦合疲劳测试对考核涡轮叶片设计水平，制定业内涡轮叶片生产标准具有重要意义和工程价值。

传统的涡轮叶片热机耦合疲劳试验的方法，大多采用电加热提供热源，采用疲劳试验机提供机械载荷。尽管，目前已知的热机耦合疲劳试验机能够实现最大温度和拉力的协同加载，但由于机械载荷的施加需要由实验舱外部的拉力机通过拉杆来施加，而拉杆在高温环境下容易变形受损，其试验结果的可靠性和准确性难以得到进一步的提升；拉杆需要经常性更换，导致试验成本增加。因此，有必要提供一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，以克服上述问题。

发明内容

本发明提供了一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，以解决由于拉杆在高温环境下容易变形受损而需要频繁更换的问题。此外，本发明不限用于叶片热机耦合疲劳试验，只要是在高温环境下需要对叶片提供拉力的试验，均可适用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，包括拉力机构、篦齿封严套管和蜂窝密封套管；

所述拉力机构包括拉力机主体以及用于拉力输出的拉杆，所述拉杆的自由端设有用于与待测试涡轮叶片端部连接的连接部，所述拉杆内部沿纵向设置第一冷却通道；

所述拉杆上依次套接所述篦齿封严套管和所述蜂窝密封套管，所述篦齿封严套管一端用于与为所述待测试涡轮叶片提供燃气测试环境的液冷装置外壁连接，另一端与所述蜂窝密封套管连接；所述蜂窝密封套管远离所述篦齿封严套管的一端与所述拉杆之间设置有密封组件；

所述篦齿封严套管与所述蜂窝密封套管通过法兰连接结构连接且连接部位无篦齿结构和蜂窝结构，所述拉杆分为通过法兰连接结构连接的第一段杆和第二段杆，所述第一段杆与所述第二段杆通过法兰连接结构连接的位置位于所述篦齿封严套管与所述蜂窝密封套管之间的连接部位内。

作为优选，密封组件包括密封垫圈，所述密封垫圈套设于所述拉杆上。

作为优选，密封组件还包括盖板和螺栓，所述盖板中间位置开设有与所述拉杆相匹配的通孔，所述拉杆***所述通孔，所述盖板与所述拉杆紧密接触，所述盖板向下压紧所述密封垫圈后通过所述螺栓与所述蜂窝密封套管固定连接。

作为优选，所述第一冷却通道呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆用于与所述待测试涡轮叶片连接的所述连接部。

作为优选，所述蜂窝密封套管的长度与所述篦齿封严套管的长度之和小于所述拉杆的长度。

作为优选，所述篦齿封严套管设置有第二冷却通道，所述第二冷却通道分布于所述篦齿封严套管的侧壁内和篦齿结构内。

作为优选，所述篦齿封严套管侧壁设置有所述第二冷却通道的入口和出口。

作为优选，所述入口设置在所述篦齿封严套管一端侧壁，所述出口设置在所述篦齿封严套管另一端侧壁。

作为优选，所述入口和所述出口分别位于所述篦齿封严套管纵向两端。

作为优选，所述第一冷却通道和所述第二冷却通道均用于通入冷却空气或冷却液。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过拉力机构准确模拟涡轮叶片在发动机工作中所处的被施加机械载荷的环境，通过密封组件、篦齿封严套管和蜂窝密封套管进行密封，能够有效减少燃气测试环境中的燃气向外的泄漏量，从而有效提高试验结果的可靠性和准确性，而且有效地对拉杆进行降温，从而延长拉杆的使用寿命，减少拉杆的更换次数，从而降低试验成本；

2、通过使用两段的拉杆，避免更换整条拉杆，只需更换靠近涡轮叶片的那段拉杆即可，从而降低试验成本；

3、篦齿封严套管和蜂窝密封套管通过法兰连接结构连通，且连通处为中空，两段的拉杆通过法兰连接结构连接的位置位于中空处，进一步加强密封。

附图说明

图1为本发明一些实施例所涉及的用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***的结构示意图。

图2为本发明一些实施例所涉及的用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***的另一结构示意图。

图3为本发明一些实施例所涉及的第一冷却通道的结构示意图。

图4为本发明一些实施例所涉及的承力支座的结构示意图。

附图标记：1为拉力机主体，2为拉杆，3为篦齿封严套管，4为蜂窝密封套管，5为待测试涡轮叶片，6为第一冷却通道，7为液冷装置，8为法兰连接结构，9为第一段杆，10为第二段杆，11为密封垫圈，12为盖板，13为螺栓，14为第二冷却通道，15为入口，16为出口，17为工作台，18为承力支座，19为热电偶，20为压力管，21为液压油缸，22为冷却气体管道，23为榫头连接器，24为进水管。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

请参阅图1至图4，图中所示者为本发明所选用的实施例结构，此仅供说明之用，在专利申请上并不受此种结构的限制。

图1示出了本发明一些实施例的用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***的结构示意图。

本发明的用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，包括拉力机构、篦齿封严套管3和蜂窝密封套管4。

所述拉力机构包括拉力机主体1以及用于拉力输出的拉杆2，所述拉杆2的自由端设有用于与待测试涡轮叶片5端部连接的连接部，所述拉杆2内部沿纵向设置第一冷却通道6。

所述拉杆2上依次套接所述篦齿封严套管3和所述蜂窝密封套管4，所述篦齿封严套管3一端用于与为所述待测试涡轮叶片5提供燃气测试环境的液冷装置7外壁连接，另一端与所述蜂窝密封套管4连接；所述蜂窝密封套管4远离所述篦齿封严套管3的一端与所述拉杆2之间设置有密封组件。

所述篦齿封严套管3与所述蜂窝密封套管4通过法兰连接结构8连接且连接部位无篦齿结构和蜂窝结构，所述拉杆2分为通过法兰连接结构8连接的第一段杆9和第二段杆10，所述第一段杆9与所述第二段杆10通过法兰连接结构8连接的位置位于所述篦齿封严套管3与所述蜂窝密封套管4之间的连接部位内。所述法兰连接结构8包括法兰、螺母和螺栓13，法兰、螺母和螺栓13的材料是特制的耐高温合金，耐受温度至少达到1000K。所述第一段杆9与所述第二段杆10螺纹连接。

在另一些实施例中，所述第一段杆9与所述第二段杆10通过高压锅式的自锁结构连接。所述第一段杆9端部通过杆齿与所述第二段杆10镶嵌旋紧，且结合面间通过密封圈密封。

在一些实施例中，所述法兰连接结构8设置有所述密封垫圈11，用于加强所述法兰连接结构8的密封效果。

在一些实施例中，将所述法兰连接结构8中的法兰加厚，如从原来的1cm加厚为2cm，或从原来的2cm加厚为4cm；将螺栓13数量加倍且加粗，如从原来的4个加倍为8个，如从原来的M3加粗为M6，或原来的8mm加粗为16mm；将所述密封垫圈11增加弹性，且能承受800-1100K的高温，如采用更具弹性且耐高温的材料制作，以减小所述第一段杆9与所述第二段杆10之间的缝隙，从而降低泄露量。

在一些实施例中，所述法兰连接结构8中的法兰边缘的接触面之间采用高温密封胶进行填充密封，高温密封胶由高性能耐热树脂和各类耐热材料聚合而成，具有粘接强度高、密封性好、耐高温(300-1000K)、耐腐蚀的优点。

在一些实施例中，密封组件包括密封垫圈11、盖板12和螺栓13，所述密封垫圈11套设于所述拉杆2上。密封组件还包括所述盖板12中间位置开设有与所述拉杆2相匹配的通孔，所述拉杆2***所述通孔，所述盖板12与所述拉杆2紧密接触，所述盖板12向下压紧所述密封垫圈11后通过所述螺栓13与所述蜂窝密封套管4固定连接。

在一些实施例中，所述第一冷却通道6呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆2用于与所述待测试涡轮叶片5连接的所述连接部。

在一些实施例中，所述蜂窝密封套管4的长度与所述篦齿封严套管3的长度之和小于所述拉杆2的长度。

在一些实施例中，如图2所示，所述篦齿封严套管3设置有第二冷却通道14，所述第二冷却通道14分布于所述篦齿封严套管3的侧壁内和篦齿结构内，以实现对篦齿封严套管3内部的充分冷却。

在一些实施例中，所述篦齿封严套管3外壁上设置有冷却套管，所述冷却套管部分为筒状结构，并套接在所述密封套管结构外壁上，该筒状结构的上端设置有出水口，所述冷却套管还有一部分紧贴在所述液冷装置外壁上，且该部分的末端设置有入水口，所述冷却套管可以将所述密封套管结构内的燃气热量快速引走，能够有效对所述密封套管结构进行冷却。

在一些实施例中，如图2所示，所述篦齿封严套管3侧壁设置有所述第二冷却通道14的入口15和出口16。所述入口15设置在所述篦齿封严套管3一端侧壁，所述出口16设置在所述篦齿封严套管3另一端侧壁。所述入口15和所述出口16分别位于所述篦齿封严套管3纵向两端，通过所述入口15和所述出口16通入冷却空气或冷却液后对所述篦齿封严套管3进行冷却，迅速将燃气的热量带走，从而不会烧坏所述篦齿封严套管3，同时也不会烧坏法兰连接结构8。

在一些实施例中，所述第一冷却通道6和所述第二冷却通道14均用于通入冷却空气或冷却液。

在一些实施例中，如图3所示，所述第一冷却通道6为单通道，且通道内设置有进水管24，所述进水管24伸进所述第一冷却通道6底部，冷却空气或冷却液从所述进水管24进入到达所述第一冷却通道6底部，然后通过所述进水管24与所述第一冷却通道6之间的通道出去，从而对所述拉杆2进行冷却。

在一些实施例中，所述液冷装置7为双层的筒形结构，所述液冷装置7的前端用于与燃烧室出口连接且在所述前端的外层壁上开设至少一圈进液孔，所述液冷装置7的后端用于与排气装置连接且在所述后端外层壁上开设至少一圈出液孔，所述液冷装置7的两层壁面之间开设用于待测试涡轮叶片5与所述拉杆2的连接部进行连接的端部进出筒内外的贯穿通道。

在一些实施例中，所述液冷装置7中的冷却液可以采用水。用做冷却液的水可以为常温的水，也可以为制冷后接近零度的液态冷却水。在一些实施例中，所述液冷装置7中的冷却液可以采用冰点比水更低的液体。在另一些实施例中，所述液冷装置7中的冷却液采用机床冷却***中常用的切削液。选用冷却液时需要考虑尽量低的冰点以及热交换能力。

在一些实施例中，所述液冷装置7的内壁面采用高温合金板焊接制成。所述高温合金板可以采用钛合金材料，也可以采用单晶材料，还可以采用GH3044材料，以及其他能够承受至少1000K甚至高达1200K左右的高温燃气的材料。

在一些实施例中，所述液冷装置7的外壁面为不锈钢套。由于液冷装置7的外壁面一方面不与高温燃气直接接触，另一方面与外部空气环境接触，因此，只需要能够承受其内部冷却液被高温燃气加热之后的温度即可。

在一些实施例中，所述不锈钢套与所述高温合金板之间设有夹层，所述夹层内通有用于冷却的冷却液。在另一些实施例中，所述液冷装置7内部设引流结构，可延长冷却液在液冷装置7内的流动路径和流动时间，以实现充分换热，尽量多地对液冷装置7进行降温。

在一些实施例中，所述第一冷却通道6和所述第二冷却通道14中的冷却液可以采用水。用做冷却液的水可以为常温的水，也可以为制冷后接近零度的液态冷却水。在一些实施例中，所述第一冷却通道6和所述第二冷却通道14中的冷却液可以采用冰点比水更低的液体。在另一些实施例中，所述第一冷却通道6和所述第二冷却通道14中的冷却液采用机床冷却***中常用的切削液。选用冷却液时需要考虑尽量低的冰点以及好的热交换能力。

在一些实施例中，所述液冷装置7设置有测温机构和测压机构，所述测温机构和所述测压机构分别用于检测所述液冷壁筒内在燃气通过时的温度和压力。

在一些实施例中，所述测温机构为热电偶19。在一些实施例中，所述测温机构还用于检测所述待测试涡轮叶片5的表面温度。

在一些实施例中，所述测压机构为压力管20。在一些实施例中，所述测温机构包括用于填埋式安装在所述待测试涡轮叶片5上并检测所述待测试涡轮叶片5表面温度的热电偶19。

在一些实施例中，所述篦齿封严套管3采用耐高温材料制作而成，至少需要承受1000K以上的高温。在另一些实施例中，所述篦齿封严套管3采用钛合金材料，也可以采用单晶材料，还可以采用GH3044材料，以及其他能够承受至少1000K甚至高达1200K左右的高温燃气的材料。

在一些实施例中，所述液冷装置7下方设置有工作台17，所述工作台17用于与直线运动装置连接并可在所述直线运动装置的驱动下带动所述待测试涡轮叶片5以垂直于所述液冷装置7纵向的方向进出所述液冷装置7的筒内外。

在一些实施例中，所述工作台17上设置有承力支座18，所述工作台17通过所述承力支座18与所述液冷装置7支撑连接。

在一些实施例中，所述承力支座18分别通过螺栓13与所述工作台17和所述液冷装置7固定连接。

在一些实施例中，所述承力支座18设置有榫头连接器23，所述榫头连接器23用于对所述待测试涡轮叶片5的榫头进行固定。

在一些实施例中，所述承力支座18为工字型支座。

在一些实施例中，如图4所示，所述承力支座18为组合式支座，至少分为两部分进行组合，所述承力支座18将所述榫头连接器23夹在中间，且所述承力支座18内面向所述榫头连接器23的侧壁开设有凹槽，所述榫头连接器23在所述凹槽相对应的位置设置有与所述凹槽相匹配的凸块，所述凸块卡入所述凹槽，以使榫头连接器23、所述承力支座18和所述工作台17整体更好地承受所述测试涡轮叶片5的拉力，而且能在水平方向上对所述测试涡轮叶片5进行限位，减少所述测试涡轮叶片5的晃动，从而提高测试的准确性。

在一些实施例中，所述承力支座18与所述液冷装置7之间设置有密封垫圈11。

在一些实施例中，所述承力支座18与所述工作台17之间设置有密封垫圈11。

在一些实施例中，所述承力支座18设置有冷却气体管道22，冷却气体管道22用于从外部供气装置引入气体对所述待测试涡轮叶片5内部进行气冷并在所述待测试涡轮叶片5表面形成气膜。

在一些实施例中，冷却气体管道22从所述工作台17底部依次贯穿所述工作台17、所述承力支座18和所述榫头连接器23与所述待测试涡轮叶片5连接。

在一些实施例中，所述直线运动装置为液压油缸21。

在一些实施例中，所述拉力机构通过固定装置(图中未示出)安装在地面，以使所述拉力机构能够对所述待测试涡轮叶片5施加机械载荷。在另一些实施例中，所述拉力机构用于悬挂安装在实验室内的横梁上。

以上所述实施例是用以说明本发明，并非用以限制本发明，所以举例数值的变更或等效元件的置换仍应隶属本发明的范畴。

由以上详细说明，可使本领域普通技术人员明了本发明的确可达成前述目的，实已符合专利法的规定。

Claims (10)

1.一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，包括拉力机构、篦齿封严套管(3)和蜂窝密封套管(4)；

所述拉力机构包括拉力机主体(1)以及用于拉力输出的拉杆(2)，所述拉杆(2)的自由端设有用于与待测试涡轮叶片(5)端部连接的连接部，所述拉杆(2)内部沿纵向设置第一冷却通道(6)；

所述拉杆(2)上依次套接所述篦齿封严套管(3)和所述蜂窝密封套管(4)，所述篦齿封严套管(3)一端用于与为所述待测试涡轮叶片(5)提供燃气测试环境的液冷装置(7)外壁连接，另一端与所述蜂窝密封套管(4)连接；所述蜂窝密封套管(4)远离所述篦齿封严套管(3)的一端与所述拉杆(2)之间设置有密封组件；

所述篦齿封严套管(3)与所述蜂窝密封套管(4)通过法兰连接结构(8)连接且连接部位无篦齿结构和蜂窝结构，所述拉杆(2)分为通过法兰连接结构(8)连接的第一段杆(9)和第二段杆(10)，所述第一段杆(9)与所述第二段杆(10)通过法兰连接结构(8)连接的位置位于所述篦齿封严套管(3)与所述蜂窝密封套管(4)之间的连接部位内。

2.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，密封组件包括密封垫圈(11)，所述密封垫圈(11)套设于所述拉杆(2)上。

3.如权利要求2所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，密封组件还包括盖板(12)和螺栓(13)，所述盖板(12)中间位置开设有与所述拉杆(2)相匹配的通孔，所述拉杆(2)***所述通孔，所述盖板(12)与所述拉杆(2)紧密接触，所述盖板(12)向下压紧所述密封垫圈(11)后通过所述螺栓(13)与所述蜂窝密封套管固定连接。

4.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，所述第一冷却通道(6)呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆(2)用于与所述待测试涡轮叶片(5)连接的所述连接部。

5.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，所述蜂窝密封套管的长度与所述篦齿封严套管(3)的长度之和小于所述拉杆(2)的长度。

6.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，所述篦齿封严套管(3)设置有第二冷却通道(14)，所述第二冷却通道(14)分布于所述篦齿封严套管(3)的侧壁内和篦齿结构内。

7.如权利要求6所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，所述篦齿封严套管(3)侧壁设置有所述第二冷却通道(14)的入口(15)和出口(16)。

8.如权利要求7所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，所述入口(15)设置在所述篦齿封严套管(3)一端侧壁，所述出口(16)设置在所述篦齿封严套管(3)另一端侧壁。

9.如权利要求8所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，所述入口(15)和所述出口(16)分别位于所述篦齿封严套管(3)纵向两端。

10.如权利要求6所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的分段式拉杆密封***，其特征在于，所述第一冷却通道(6)和所述第二冷却通道(14)均用于通入冷却空气或冷却液。

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