ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИМИТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ В РЕЖИМЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК G01N3/56 G01N3/60 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области испытаний теплозащитных покрытий лопаток турбин высокого давления для авиационных двигателей и, в частности, относится к испытательной системе для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации.

Уровень техники

Авиационный двигатель является важным показателем, отражающим конкурентоспособность страны. Лопатки турбины высокого давления являются основными элементами двигателя, наиболее требовательными к температуре и нагрузке, которые, к тому же, являются «узким местом», ограничивающим двигатель, из-за чего существует необходимость в технологиях теплозащиты. Из трех технологий теплозащиты технологии, в которых применяются монокристаллы и охлаждающие пленки, имеют очень ограниченный потенциал развития. Теплозащитные покрытия считаются наиболее практичным и осуществимым способом повышения рабочей температуры двигателей. Авиационные державы мира уже включили в планы развития разработку теплозащитного покрытия в качестве ключевой технологии. Китай также включил теплозащитное покрытие в список ключевых технологий, необходимых для разработки перспективных авиационных двигателей.

Теплозащитные покрытия, наносимые на лопатки турбин высокого давления, должны выдерживать крайне суровые условия эксплуатации, такие как тепловой удар при высоких температурах и высокой скорости газа, абразивный износ и коррозия, вызванная соединениями на основе оксида кальция, магния, алюминия и кремния (сокращенно CMAS). В частности, рабочие лопатки ротора высокого давления также должны выдерживать центробежную силу при вращении на высокой скорости, а также такие нагрузки, как турбулентность, конденсационный след, горячие участки и т. п., создаваемые сочетанием высокоскоростного вращения и газа, которые приводят к серьезному отслаиванию и разрушению покрытия, что становится существенной проблемой, ограничивающей разработку и применение теплозащитных покрытий. Изучение механизма разрушения теплозащитного покрытия в виде отслаивания в условиях эксплуатации является ключевым и основным моментом для улучшения технологии и оптимизации процесса проектирования. Тем не менее в этих случаях невозможно полагаться на такие традиционные методы исследований, как растяжение, изгиб, термическая усталость, термический удар и пр., а испытания на реальном двигателе требуют колоссальных человеческих и финансовых ресурсов, при этом нельзя получить экспериментальные данные касательно параметров повреждений, необходимых для доработок. Поэтому особенно важно разработать оборудование для их имитационных испытаний в режиме эксплуатации.

В настоящее время в мире и в Китае проделана большая работа по созданию испытательного оборудования для имитации условий эксплуатации теплозащитных покрытий. Основного прогресса удалось добиться в следующих аспектах. Во-первых, к устройствам, используемым для имитации высокотемпературного окисления, термической усталости и других условий эксплуатации, относятся высокотемпературные печи, автоматические печи с термическим циклом и т. д. Во-вторых, испытательное оборудование, основанное на тепловом газовом ударе в качестве основного условия эксплуатации: например, устройство НАСА для имитации и испытаний с применением газа под высоким давлением позволяет имитировать скорость потока газа и рабочее давление, и, например, устройство испытания теплозащитного покрытия в абразивных условиях, разработанное Немецким национальным центром энергетических исследований, позволяет имитировать абразивный износ при высоких температурах, термоудар, температурный градиент и другие условия эксплуатации; оборудование для испытаний в имитируемых условиях эксплуатации, разработанное ранее Сянтаньским университетом, позволяет осуществлять интегрированную имитацию эксплуатации в условиях высокой температуры, абразивного износа и коррозии, вызванной соединениями на основе CMAS. В-третьих, устройства для имитационных испытаний с применением центробежной силы, вызванной вращением на высокой скорости. Например, в Пекинском университете авиации и космонавтики используют машину для испытания материалов и электрический нагрев, чтобы имитировать совместное воздействие на теплозащитное покрытие растягивающего напряжения, вызванного центробежной силой при вращении на высокой скорости, и высокотемпературной нагрузки. Высокоскоростные газовые устройства LCS-4B и LCS-4C Нидерландского авиакосмического центра (NLR) в Голландии и Авиационного исследовательского центра Национального исследовательского совета (NRC) в Канаде, а также устройство динамической имитации, разработанное Университетом Цинциннати в Соединенных Штатах Америки, позволяют осуществлять предварительную имитацию режима вращения, но по причине конфиденциальности отсутствует возможность получить сведения, касающиеся схем и конкретных конструкций, позволяющих понять принципы работы. Но до сих пор нет примеров одновременной имитации работы в условиях, включающих как высокие температуры, абразивный износ, коррозию, вызванную соединениями на основе CMAS, так и высокоскоростное вращение, и, кроме того, еще не выполнялось изучение процесса разрушения теплозащитного покрытия во время таких имитационных испытаний.

Настоящее изобретение направлено на разработку испытательного устройства для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации, которое позволяет одновременно имитировать как работу в условиях высоких температур, абразивного износа, коррозии, вызванной соединениями на основе CMAS, так и работу в условиях высокоскоростного вращения; осуществлять проверку и измерение одновременно в отношении теплозащитного покрытия спрямляющей лопатки и теплозащитного покрытия рабочей лопатки; и одновременно изучать в режиме реального времени процесс разрушения теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

Суть изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении устройства, позволяющего имитировать условия эксплуатации теплозащитного покрытия турбинной лопатки и изучать в режиме реального времени основные повреждения теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

Для достижения этой цели согласно настоящему изобретению предложена испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации, содержащая установку имитации режима эксплуатации, установку имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительное оборудование; установка имитации режима эксплуатации установлена с одной стороны тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, соединена с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки и предназначена для имитации режима эксплуатации с высокоскоростным вращением тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки; установка имитации условий эксплуатации установлена с другой стороны тестируемого теплозащитного покрытия и предназначена для имитации условий эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в рабочем режиме с высокоскоростным вращением; контрольно-измерительное оборудование предназначено для обнаружения повреждений, возникающих при вращении с высокой скоростью тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в условиях эксплуатации.

Кроме того, установка имитации режима эксплуатации содержит первый электродвигатель, тихоходный вал, редуктор и быстроходный вал; первый электродвигатель соединен с одним концом тихоходного вала для приведения тихоходного вала во вращение; редуктор снабжен первой шестерней и второй шестерней, находящимися в зацеплении друг с другом; радиус первой шестерни больше радиуса второй шестерни; другой конец тихоходного вала соединен с первой шестерней для приведения первой шестерни во вращение, а первая шестерня приводит во вращение вторую шестерню; вторая шестерня соединена с одним концом быстроходного вала для приведения быстроходного вала во вращение; другой конец быстроходного вала соединен с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки для обеспечения высокоскоростного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

Кроме того, установка имитации режима эксплуатации содержит нагрузочный компрессор; нагрузочный компрессор соединен со второй шестерней и предназначен для поглощения энергии, генерируемой во время высокоскоростного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, с обеспечением равномерного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

Кроме того, установка имитации условий эксплуатации содержит устройство обеспечения высокотемпературного термоудара, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы под высокими температурами; устройство обеспечения абразивных условий, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в абразивных условиях; устройство обеспечения коррозионных условий, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в коррозионных условиях; устройство обеспечения условий охлаждения, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в условиях с температурным градиентом для охлаждения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

Кроме того, устройство обеспечения высокотемпературного термоудара содержит элемент подачи горючей жидкости, элемент подачи поддерживающего горение газа и элемент выбрасывания струи; элемент подачи горючей жидкости соединен с входным концом элемента выбрасывания струи и подает горючую жидкость в элемент выбрасывания струи; элемент подачи поддерживающего горение газа соединен с входным концом элемента выбрасывания струи и подает поддерживающий горение газ в элемент выбрасывания струи; поддерживающий горение газ поддерживает горение горючей жидкости; выходной конец элемента выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания струи зажженного высокотемпературного газа на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки.

Кроме того, устройство обеспечения абразивных условий содержит накопитель абразивных частиц, первый элемент точной подачи порошка и второй электродвигатель; накопитель абразивных частиц предназначен для накапливания абразивных частиц; первый элемент точной подачи порошка выполнен в сообщении с накопителем абразивных частиц и элементом выбрасывания струи и подает в элемент выбрасывания струи абразивные частицы для их смешивания с высокотемпературным газом; второй электродвигатель электрически соединен с первым элементом точной подачи порошка для подачи тока на элемент точной подачи порошка; выходной конец элемента выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки струи высокотемпературного газа после смешивания.

Кроме того, устройство обеспечения абразивных условий дополнительно содержит первый трубопровод, первый регулятор расхода и первый клапан регулирования давления; первый элемент точной подачи порошка выполнен в сообщении с элементом выбрасывания струи с помощью первого трубопровода; первый трубопровод снабжен первым регулятором расхода и первым клапаном регулирования давления, регулирующими соответственно расход и давление при подаче абразивных частиц.

Кроме того, устройство обеспечения коррозионных условий содержит накопитель коррозионных частиц, второй элемент точной подачи порошка и третий электродвигатель; накопитель коррозионных частиц предназначен для накопления коррозионных частиц; второй элемент точной подачи порошка выполнен в сообщении с накопителем коррозионных частиц и элементом выбрасывания струи и подает в элемент выбрасывания струи коррозионные частицы для их смешивания с высокотемпературным газом; третий электродвигатель электрически соединен со вторым элементом точной подачи порошка для подачи тока на второй элемент точной подачи порошка; выходной конец элемента выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки струи высокотемпературного газа после смешивания.

Кроме того, устройство обеспечения коррозионных условий дополнительно содержит второй трубопровод, второй регулятор расхода и второй клапан регулирования давления; второй элемент точной подачи порошка выполнен в сообщении с элементом выбрасывания струи с помощью второго трубопровода; второй трубопровод снабжен вторым регулятором расхода и вторым клапаном регулирования давления, регулирующими соответственно расход и давление при подаче коррозионных частиц.

Кроме того, устройство обеспечения условий охлаждения содержит воздушный компрессор, воздухонагреватель и четвертый электродвигатель; воздушный компрессор выполнен в сообщении с воздухонагревателем и подает в воздухонагреватель сжатый воздух; четвертый электродвигатель электрически соединен с воздухонагревателем для подачи тока на воздухонагреватель; воздухонагреватель нагревает воздух, сжатый воздушным компрессором, и подает его на нагреваемые до высокой температуры элементы, содержащие тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки и элемент выбрасывания струи.

Кроме того, воздушный компрессор дополнительно выполнен в сообщении с устройством обеспечения высокотемпературного термоудара для обеспечения поддерживающего горение газа для устройства обеспечения высокотемпературного термоудара.

Кроме того, нагрузочный компрессор выполнен в сообщении с воздушным компрессором и передает поглощенную энергию воздушному компрессору.

Кроме того, нагрузочный компрессор выполнен в сообщении с устройством обеспечения высокотемпературного термоудара для обеспечения поддерживающего горение газа для устройства обеспечения высокотемпературного термоудара.

Кроме того, контрольно-измерительное оборудование содержит: модуль бесконтактного измерения трехмерной деформации, предназначенный для контроля в режиме реального времени поля напряжений, поля деформаций и поля смещений тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки; модуль проведения проверки и сбора данных в отношении температуры, предназначенный для проведения проверки в реальном времени и сбора данных в отношении температуры тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, среды, в которой находится тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки, и установки имитации условий эксплуатации; модуль высокоскоростной съемки на основе технологии CCD, предназначенный для съемки режима эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль системы акустико-эмиссионного контроля, предназначенный для контроля в режиме реального времени образования и возникновения трещин, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль системы контроля инфракрасными лучами, предназначенный для контроля в режиме реального времени отслоений на границе раздела, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль проверки на основе спектра комплексного импеданса, предназначенный для контроля в режиме реального времени окисления на границе раздела и коррозии покрытия, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации.

Кроме того, вышеуказанная испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации дополнительно содержит несколько испытательных моделей тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

Кроме того, вышеуказанная испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации дополнительно содержит платформу для размещения испытательного оборудования; установка имитации режима эксплуатации, установка имитации условий эксплуатации, контрольно-измерительное оборудование и тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки установлены на платформе для размещения испытательного оборудования.

Кроме того, вышеуказанная испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации дополнительно содержит оборудование для проверки, контроля и хранения параметров испытаний; оборудование для проверки, контроля и хранения параметров испытаний связано с установкой имитации режима эксплуатации, установкой имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительным оборудованием и предназначено для проверки, контроля и хранения параметров испытаний и результатов испытаний, касающихся устройства имитации режима эксплуатации, устройства имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительного оборудования.

Кроме того, вышеуказанная испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации дополнительно содержит вспомогательное оборудование, выполняющее вспомогательные функции по обеспечению защиты, защиты от вибрации, безопасности, удаления отходящих газов и частиц в отношении тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки и испытательного оборудования.

Вышеуказанное техническое решение согласно настоящему изобретению характеризуется следующими полезными техническими эффектами:

1) установка имитации условий эксплуатации позволяет одновременно имитировать разные условия эксплуатации, включая высокую температуру, абразивный износ и коррозию теплозащитного покрытия турбинной лопатки при высокоскоростном вращении, приближая нагрузку к реальным условиям эксплуатации теплозащитного покрытия турбинной лопатки, что позволяет получать более точные значения измерений;

2) контрольно-измерительное оборудование позволяет выполнять неразрушающий контроль в режиме реального времени в отношении повреждений, возникающих при вращении с высокой скоростью тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в условиях эксплуатации, и в реальном времени определять рабочее состояние теплозащитного покрытия турбинной лопатки, что позволяет непосредственно получать экспериментальные данные для понимания механизма повреждения и оценки эффективности теплозащитного покрытия турбинной лопатки, а также предоставлять техническое обеспечение в отношении оптимизации технологий производства и независимого проектирования теплозащитных покрытий;

3) Нагрузочный компрессор поглощает энергию, генерируемую во время высокоскоростного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, с обеспечением равномерного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки и может передавать поглощенную энергию воздушному компрессору или может быть выполнен в сообщении с устройством обеспечения высокотемпературного термоудара для обеспечения поддерживающего горение газа для устройства обеспечения высокотемпературного термоудара.

Описание прилагаемых графических материалов

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение конструкции испытательной системы для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 представляет собой схематическое изображение конструкции первой испытательной модели согласно настоящему изобретению;

фиг. 3 представляет собой схематическое изображение конструкции второй испытательной модели согласно настоящему изобретению.

Номера ссылочных позиций на фигурах:

1 — установка имитации режима эксплуатации; 11 — первый электродвигатель; 12 — тихоходный вал; 13 — редуктор; 14 — нагрузочный компрессор;

2 — установка имитации условий эксплуатации; 21 — устройство обеспечения высокотемпературного термоудара; 211 — элемент подачи горючей жидкости; 212 — элемент подачи поддерживающего горение газа; 213 — элемент выбрасывания струи; 22 — устройство обеспечения абразивных условий; 221 — накопитель абразивных частиц; 222 — первый элемент точной подачи порошка; 223 — второй электродвигатель; 224 — первый трубопровод; 225 — первый регулятор расхода; 226 — первый клапан регулирования давления; 23 — устройство обеспечения коррозионных условий; 231 — накопитель коррозионных частиц; 232 — второй элемент точной подачи порошка; 233 — третий электродвигатель; 234 — второй трубопровод; 235 — второй регулятор расхода; 236 — второй клапан регулирования давления; 24 — устройство обеспечения условий охлаждения; 241 — воздушный компрессор; 242 — воздухонагреватель; 243 — четвертый электродвигатель;

3 — контрольно-измерительное оборудование; 31 — модуль бесконтактного измерения трехмерной деформации; 32 — модуль проведения проверки и сбора данных в отношении температуры; 33 — модуль высокоскоростной съемки на основе технологии CCD; 34 — модуль системы акустико-эмиссионного контроля; 35 — модуль системы контроля инфракрасными лучами; 36 — модуль проверки на основе спектра комплексного импеданса;

4 — платформа для размещения испытательного оборудования; 41 — испытательная камера;

51 — устройство защиты технических средств; 52 — устройство защиты от вибраций; 53 — устройство водяного охлаждения; 54 — устройство для удаления отходящих газов и частиц;

6 — испытательная модель; 61 — диск турбины; 62 — теплозащитное покрытие рабочей лопатки; 63 — литой диск; 64 — теплозащитное покрытие спрямляющей лопатки; 65 — завихритель.

Конкретные варианты осуществления

Чтобы сделать цели, технические решения и преимущества настоящего изобретения более ясными, ниже настоящее изобретение описано более подробно с помощью конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые графические материалы. Следует понимать, что такое описание является только примером и не предназначено для ограничения объема настоящего изобретения. Кроме того, в нижеследующем описании опущено описание хорошо известных конструкций и технологий, чтобы избежать ненужного затруднения в понимании концепции настоящего изобретения.

В следующем описании под теплозащитным покрытием турбинной лопатки подразумевается турбинная лопатка, на внешнюю часть которой нанесено теплозащитное покрытие; под теплозащитным покрытием рабочей лопатки подразумевается рабочая лопатка, на внешнюю часть которой нанесено теплозащитное покрытие; под теплозащитным покрытием спрямляющей лопатки подразумевается спрямляющая лопатка, на внешнюю часть которой нанесено теплозащитное покрытие.

На фиг. 1 показано схематическое изображение конструкции испытательной системы для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации согласно настоящему изобретению.

Как показано на фиг. 1, согласно настоящему изобретению предложена испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации, содержащая установку 1 имитации режима эксплуатации, установку 2 имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительное оборудование 3; установка 1 имитации режима эксплуатации установлена с одной стороны тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, соединена с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки и предназначена для имитации режима эксплуатации с высокоскоростным вращением тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки; установка 2 имитации условий эксплуатации установлена с другой стороны тестируемого теплозащитного покрытия и предназначена для имитации условий эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в рабочем режиме с высокоскоростным вращением; контрольно-измерительное оборудование 3 предназначено для обнаружения повреждений, возникающих при вращении с высокой скоростью тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в условиях эксплуатации. Посредством установки 1 имитации режима эксплуатации, установки 2 имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительного оборудования 3, предусмотренных настоящим изобретением, выполняется имитация режима эксплуатации и имитация условий эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки и выполняется контроль в режиме реального времени, что упрощает контроль в режиме реального времени основных параметров повреждений при разрушении теплозащитного покрытия турбинной лопатки и предоставляет техническое обеспечение в отношении оптимизации технологий производства и независимого проектирования теплозащитных покрытий.

В частности, установка 1 имитации режима эксплуатации содержит первый электродвигатель 11, тихоходный вал 12, редуктор 13 и быстроходный вал; первый электродвигатель 11 соединен с одним концом тихоходного вала 12 для приведения тихоходного вала 12 во вращение; редуктор 13 снабжен первой шестерней и второй шестерней, находящимися в зацеплении друг с другом; радиус первой шестерни больше радиуса второй шестерни; другой конец тихоходного вала 12 соединен с первой шестерней для приведения первой шестерни во вращение, а первая шестерня приводит во вращение вторую шестерню; вторая шестерня соединена с одним концом быстроходного вала для приведения быстроходного вала во вращение; другой конец быстроходного вала соединен с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки для обеспечения высокоскоростного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки. Первый электродвигатель 11 обеспечивает мощность для вращения установки 1 имитации режима эксплуатации и тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки и в процессе передачи крутящего момента через тихоходный вал 12, редуктор 13 и быстроходный вал ускоряет тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки, чтобы высокоскоростное вращение тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки соответствовало требованиям к скорости вращение.

Предпочтительно установка 1 имитации режима эксплуатации содержит нагрузочный компрессор 14; нагрузочный компрессор 14 соединен со второй шестерней и предназначен для поглощения энергии, генерируемой во время высокоскоростного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, с обеспечением равномерного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

В частности, установка 2 имитации условий эксплуатации содержит устройство обеспечения высокотемпературного термоудара, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы под высокими температурами; устройство 22 обеспечения абразивных условий, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в абразивных условиях; устройство обеспечения коррозионных условий, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в коррозионных условиях; устройство 24 обеспечения условий охлаждения, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в условиях с температурным градиентом для охлаждения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки. Установка 2 имитации условий эксплуатации позволяет как имитировать условия эксплуатации, включающие высокую температуру, абразивный износ и коррозию теплозащитного покрытия турбинной лопатки во время высокоскоростного вращения, так и позволяет имитировать условия эксплуатации с температурным градиентом, контролировать механизм разрушения теплозащитного покрытия турбинной лопатки при разных температурах и предоставлять техническое обеспечение в отношении оптимизации технологий производства и независимого проектирования теплозащитных покрытий.

В частности, устройство обеспечения высокотемпературного термоудара содержит элемент 211 подачи горючей жидкости, элемент 212 подачи поддерживающего горение газа и элемент 213 выбрасывания струи; элемент 211 подачи горючей жидкости соединен с входным концом элемента 213 выбрасывания струи и подает горючую жидкость в элемент 213 выбрасывания струи; элемент 212 подачи поддерживающего горение газа соединен с входным концом элемента 213 выбрасывания струи и подает поддерживающий горение газ в элемент 213 выбрасывания струи; поддерживающий горение газ поддерживает горение горючей жидкости; выходной конец элемента 213 выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания струи зажженного высокотемпературного газа на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки. Для тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки создаются условия эксплуатации под высокой температурой.

В частности, устройство 22 обеспечения абразивных условий содержит накопитель 221 абразивных частиц, первый элемент 222 точной подачи порошка и второй электродвигатель; накопитель 221 абразивных частиц предназначен для накапливания абразивных частиц; первый элемент 222 точной подачи порошка выполнен в сообщении с накопителем 221 абразивных частиц и элементом 213 выбрасывания струи и подает в элемент 213 выбрасывания струи абразивные частицы для их смешивания с высокотемпературным газом; второй электродвигатель электрически соединен с первым элементом 222 точной подачи порошка для подачи тока на элемент точной подачи порошка; выходной конец элемента 213 выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки струи высокотемпературного газа после смешивания.

Предпочтительно устройство 22 обеспечения абразивных условий дополнительно содержит первый трубопровод 224, первый регулятор расхода и первый клапан регулирования давления; первый элемент 222 точной подачи порошка выполнен в сообщении с элементом 213 выбрасывания струи с помощью первого трубопровода 224; первый трубопровод 224 снабжен первым регулятором расхода и первым клапаном регулирования давления, регулирующими соответственно расход и давление при подаче абразивных частиц. Это позволяет определять механизм разрушения разной степени в абразивных условиях эксплуатации и предоставлять техническое обеспечение в отношении оптимизации технологий производства и независимого проектирования теплозащитных покрытий.

В частности, устройство обеспечения коррозионных условий содержит накопитель коррозионных частиц, второй элемент 232 точной подачи порошка и третий электродвигатель; накопитель коррозионных частиц предназначен для накопления коррозионных частиц; второй элемент 232 точной подачи порошка выполнен в сообщении с накопителем коррозионных частиц и элементом 213 выбрасывания струи и подает в элемент 213 выбрасывания струи коррозионные частицы для их смешивания с высокотемпературным газом; третий электродвигатель электрически соединен со вторым элементом 232 точной подачи порошка для подачи тока на второй элемент 232 точной подачи порошка; выходной конец элемента 213 выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки струи высокотемпературного газа после смешивания.

Предпочтительно устройство обеспечения коррозионных условий дополнительно содержит второй трубопровод 234, второй регулятор 235 расхода и второй клапан 236 регулирования давления; второй элемент 232 точной подачи порошка выполнен в сообщении с элементом 213 выбрасывания струи с помощью второго трубопровода 234; второй трубопровод 234 снабжен вторым регулятором 235 расхода и вторым клапаном 236 регулирования давления, регулирующими соответственно расход и давление при подаче коррозионных частиц. Это позволяет определять механизм разрушения разной степени в коррозионных условиях эксплуатации и предоставлять техническое обеспечение в отношении оптимизации технологий производства и независимого проектирования теплозащитных покрытий.

В частности, устройство 24 обеспечения условий охлаждения содержит воздушный компрессор 241, воздухонагреватель 242 и четвертый электродвигатель 243; воздушный компрессор 241 выполнен в сообщении с воздухонагревателем 242 и подает в воздухонагреватель 242 сжатый воздух; четвертый электродвигатель 243 электрически соединен с воздухонагревателем 242 для подачи тока на воздухонагреватель 242; воздухонагреватель 242 нагревает воздух, сжатый воздушным компрессором 241, и подает его на нагреваемые до высокой температуры элементы, содержащие тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки и элемент 213 выбрасывания струи.

Предпочтительно воздушный компрессор 241 также выполнен в сообщении с устройством обеспечения высокотемпературного термоудара, в частности с элементом 211 подачи горючей жидкости; сжатый воздух, обеспечиваемый воздушным компрессором 241, поддерживает горение горючей жидкости или поддерживает горение горючей жидкости после смешивания в элементе 212 подачи поддерживающего горение газа.

Предпочтительно нагрузочный компрессор 14 выполнен в сообщении с воздушным компрессором 241 и передает поглощенную энергию воздушному компрессору 241 для приведения воздушного компрессора 241 в действие.

В частности, контрольно-измерительное оборудование 3 содержит: модуль 31 бесконтактного измерения трехмерной деформации, предназначенный для контроля в режиме реального времени поля напряжений, поля деформаций и поля смещений тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки; модуль 32 проведения проверки и сбора данных в отношении температуры, предназначенный для проведения проверки в реальном времени и сбора данных в отношении температуры тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, среды, в которой находится тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки, и установки 2 имитации условий эксплуатации; модуль 33 высокоскоростной съемки на основе технологии CCD, предназначенный для съемки режима эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль 34 системы акустико-эмиссионного контроля, предназначенный для контроля в режиме реального времени образования и возникновения трещин, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль 35 системы акустико-эмиссионного контроля, предназначенный для контроля в режиме реального времени отслоений на границе раздела, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль 36 проверки на основе спектра комплексного импеданса, предназначенный для контроля в режиме реального времени окисления на границе раздела и коррозии покрытия, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации. Вышеуказанные модули контроля могут быть расположены рядом с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки, чтобы тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки находилось в зоне действия контрольно-измерительного оборудования 3.

Предпочтительно модуль 31 бесконтактного измерения трехмерной деформации является модулем бесконтактного измерения в режиме реального времени трехмерной деформации ARAMIS производства компании GOM, Германия, и предназначен для измерения трехмерной деформации образца теплозащитного покрытия. Модуль 32 проведения проверки и сбора данных в отношении температуры имеет в основном два решения: в одном для сбора данных используется термопара, а в другом — инфракрасный термометр. В качестве термопары используется платино-родиевая термопара типа B, 1600 °C. На фиг. 1 прилагаемых графических материалов представлен способ с применением термопары. Модуль 33 высокоскоростной съемки на основе технологии CCD представляет собой систему высокоскоростной съемки AVT Manta G-504, производимую компанией AVT, Германия, и предназначен для осуществления съемки топографии поверхности образца теплозащитного покрытия. Модуль акустико-эмиссионного контроля представляет собой прибор акустико-эмиссионного контроля типа PCI-II, производимый компанией PAC, США, и предназначен для проверки на процесс образования и возникновения трещин в теплозащитном покрытии. Модуль контроля инфракрасными лучами представляет собой систему контроля инфракрасными лучами типа FLIR GF309 производства компании Flier, США, и предназначен для контроля отслоений на границе раздела теплозащитного покрытия. Модуль 36 проверки на основе спектра комплексного импеданса представляет собой испытательную систему 1260+1287, произведенную британской компанией Solartron Metrology, и предназначен для проверки теплозащитного покрытия лопатки турбины в отношении окисления на границе раздела и коррозии покрытия.

В частности, вышеуказанная испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации дополнительно содержит платформу 4 для размещения испытательного оборудования; установка 1 имитации режима эксплуатации, установка 2 имитации условий эксплуатации, контрольно-измерительное оборудование 3 и тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки установлены на платформе 4 для размещения испытательного оборудования.

Предпочтительно вышеуказанная испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации дополнительно содержит оборудование для проверки, контроля и хранения параметров испытаний; оборудование для проверки, контроля и хранения параметров испытаний связано с установкой 1 имитации режима эксплуатации, установкой 2 имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительным оборудованием 3 и предназначено для проверки, контроля и хранения параметров испытаний и результатов испытаний, касающихся устройства 1 имитации режима эксплуатации, устройства 2 имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительного оборудования 3.

Предпочтительно вышеуказанная испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации дополнительно содержит вспомогательное оборудование, выполняющее вспомогательные функции по обеспечению защиты, защиты от вибрации, безопасности, удаления отходящих газов и частиц в отношении тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки и испытательного оборудования.

Предпочтительно вспомогательная система содержит устройства 51 защиты технических средств, предназначенные для защиты испытательного оборудования; устройство 52 защиты от вибрации, предназначенное для предотвращения воздействия случайной вибрации на испытание; устройство 53 водяного охлаждения, предназначенное для охлаждения оборудования; устройство 54 для удаления отходящих газов и частиц, предназначенное для удаления отходящих газов и частиц после испытания.

В частности, теплозащитное покрытие турбинной лопатки содержит теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки и теплозащитное покрытие 64 спрямляющей лопатки, поэтому для вышеуказанного теплозащитного покрытия турбинной лопатки изготавливаются две испытательные модели тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки для испытания соответственно теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки и теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки, что будет отдельно описано ниже.

Конструкция двух испытательных моделей выглядит следующим образом:

Как показано на фиг. 2, первая испытательная модель содержит диск турбины, теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки, литой диск 63 и теплозащитное покрытие 64 спрямляющей лопатки; диск турбины установлен на выходном конце первого электродвигателя 11, при этом на крае диска турбины установлено теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки; литой диск 63 расположен со стороны диска турбины, которая отдалена от первого электродвигателя 11, и является параллельным диску турбины, при этом литой диск 63 выполнен кольцеобразной формы и на внутреннем крае литого диска 63 установлено теплозащитное покрытие 64 спрямляющей лопатки.

Элемент для выпуска высокотемпературного пламени элемента 213 выбрасывания струи расположен со стороны, которой теплозащитное покрытие 64 спрямляющей лопатки отдалено от теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки, и направлен в сторону теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки и теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки.

Во время использования запускают первый электродвигатель 11, который приводит диск турбины и расположенное на нем теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки в высокоскоростное вращение; в то же время включают элемент 213 выбрасывания струи, который выпускает высокотемпературное пламя в сторону теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки и теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки. В это время с помощью испытательного оборудования можно провести испытания неподвижного теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки и проанализировать характеристики теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки.

Как показано на фиг. 3, вторая испытательная модель содержит: диск турбины, теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки и завихритель 65, при этом теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки установлено на крае диска турбины; завихритель 65 установлен параллельно диску турбины с определенным промежутком; завихритель 65 установлен на выходном конце первого электродвигателя 11.

Элемент для выпуска высокотемпературного пламени элемента 213 выбрасывания струи расположен со стороны, которой теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки отдалено от завихрителя 65, и направлен в сторону теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки и завихрителя 65.

Во время использования запускают первый электродвигатель 11, который приводит завихритель 65 в высокоскоростное вращение; в то же время включают элемент 213 выбрасывания струи, который выпускает высокотемпературное пламя в сторону завихрителя 65 и теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки. Вращение завихрителя 65 приводит в движение воздушный поток с имитацией воздушного потока, создаваемого вращением теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки в условиях эксплуатации. В это время с помощью испытательного оборудования можно провести испытания неподвижного теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки и проанализировать характеристики теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки. Это решает проблему сложности испытания теплозащитного покрытия быстро вращающейся 62 рабочей лопатки.

Поскольку во время эксплуатации теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки вращается с высокой скоростью, создается центробежная сила; чтобы имитировать действие центробежной силы на теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки, устанавливают растяжную машину.

В частности, растяжная машина прочно устанавливается и соединяется с выступающей частью теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки, то есть с краем теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки, чтобы к теплозащитному покрытию 62 рабочей лопатки прикладывалось растягивающее усилие. Прикладывание посредством растяжной машины растягивающего усилия к теплозащитному покрытию 62 рабочей лопатки для имитации центробежной силы в условиях эксплуатации позволяет больше приблизить испытательное оборудование к условиям эксплуатации теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки и тем самым обеспечивает точность и достоверность результатов испытаний.

При имитации режима эксплуатации теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки и теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки первый электродвигатель высокой мощности 11 приводит испытательную модель в высокоскоростное вращение с помощью системы передачи, состоящей из редуктора 1312 и группы многоступенчатых осей вращения, а применение нагрузочного компрессора 14 обеспечивает равновесие вращающегося устройства, при этом диапазон скорости вращения составляет 0–30000 об/мин.

Также предусмотрено устройство защиты от перегрузки, при этом устройство защиты от перегрузки связано с установкой 1 имитации режима эксплуатации и в случае перегрузки обеспечивает прекращение работы установки 1 имитации режима эксплуатации.

В частности, система защиты от чрезмерного вращения состоит из средства защиты от чрезмерной нагрузки и вспомогательных электромагнитных клапанов, и первый электродвигатель 11 принудительно отключается с подачей сигнала предупреждения, когда скорость вращения диска турбины или завихрителя 65 превышает заданное значение.

Порядок использования этой испытательной системы для имитационных испытаний с целью осуществления имитационных испытаний и контроля в режиме реального времени в отношении первой испытательной модели следующий:

На первом этапе подготавливают образец: с помощью технологии плазменного напыления на поверхность полой спрямляющей лопатки определенного типа наносят теплоизоляционный материал теплоизоляционного покрытия. С помощью технологии напыления EB-PVD на поверхность полой рабочей лопатки определенного типа наносят теплоизоляционный материал теплозащитного покрытия, у которого состав компонентов системы следующий: материалом переходного слоя является сплав NiCrAIY толщиной приблизительно 100; керамический порошковый материал представляет собой диоксид циркония, содержащий 8% (по весу) Y2O3; толщина керамического слоя составляет приблизительно 300. Наконец, на поверхность образца наносят слой черной краски, стойкой к сверхвысоким температурам, чтобы на поверхности образца сформировать спекл-поле со сравнительно высокой отражающей способностью, которое используется в качестве характерного спекл-поля для системы бесконтактного измерения трехмерной деформации в режиме онлайн ARAMIS.

На втором этапе подготовленное теплозащитное покрытие 64 спрямляющей лопатки и теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки точно собирают в испытательную модель и испытательную модель устанавливают в испытательную камеру 41.

На третьем этапе элемент 213 выбрасывания струи прочно устанавливают в испытательной камере 41, при этом управление движением распылителя обеспечивают с помощью серводвигателя и посредством направляющих; после закрепления модели турбины выходной конец элемента 213 выбрасывания струи может быть направлен в сторону испытательной модели, и внутри элемента 213 выбрасывания струи предусмотрен канал охлаждения.

На четвертом этапе настраивают инфракрасный термометр или закрепляют термопару на поверхности теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки, на входе в охлаждающую нижнюю часть канала охлаждения теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки и на выходе из охлаждающей верхней части канала охлаждения теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки. Каждая термопара отдельно связана с модулем 32 проведения проверки и сбора данных в отношении температуры и определяет, нормально ли работает каждый прибор.

На пятом этапе запускают систему бесконтактного измерения трехмерной деформации ARAMIS. Настраивают камеру CCD, задают интересующую область проверяемого образца и выполняют начальную калибровку. Запускают программу проверки на деформацию, устанавливают частоту съемки в программе проверки ARAMIS, равную 1 кадр в 5 секунд, при этом при измерении в режиме онлайн автоматически сохраняется шаблон данных; запускают систему высокоскоростной съемки AVT Manta G-504. Настраивают камеру CCD и задают интересующую область проверяемого образца. Запускают программу проверки, устанавливают частоту съемки в программе проверки AVT Manta G-504, равную 1 кадр в 5 секунд, при этом при измерении в режиме онлайн автоматически сохраняется шаблон данных.

На седьмом этапе активируют переключатель охлаждающей воды для испытательной модели и элемента 213 выбрасывания струи. Активируют переключатель управления охлаждающим газом, попадающим во внутренний канал испытательной модели и вращающегося с высокой скоростью элемента, чтобы охлаждающий газ попадал в лопатку из охлаждающего канала в нижней части теплозащитного покрытия турбинной лопатки и выходил через верхнее сквозное отверстие, чтобы в направлении от поверхности керамического покрытия к внутренней поверхности металлической подложки образовывался высокотемпературный градиент.

На восьмом этапе запускают электродвигатель высокой мощности, который приводит модель турбины в высокоскоростное вращение с помощью системы передачи, состоящей из редуктора 13 и группы многоступенчатых осей вращения; и запускают нагрузочный компрессор 14.

На девятом этапе запускают элемент 213 выбрасывания струи, устройство 22 обеспечения абразивных условий и устройство обеспечения коррозионных условий; регулируют расход керосина и кислорода; спустя 8–10 секунд после автоматического поджигания температура газа стабилизируется на уровне 1000 °C. Скорость нагрева составляет приблизительно 100 °C/с, чтобы температура покрытия поверхности стабилизировалась на уровне приблизительно 1000 °C и поддерживалась в течение 5 минут. В этом конкретном варианте осуществления каждый термический цикл состоит из времени нагрева 10 с, времени выдержки 300 с и времени охлаждения 200 с. Устанавливают количество термических циклов.

На десятом этапе в отношении образца теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки в режиме реального времени проверяют и регистрируют изменения температурного поля, изменения поля деформации и поля смещений, акустико-эмиссионный сигнал на предмет появления и распространения трещин, сигнал контроля инфракрасными лучами отслоений на границе раздела, сигнал спектра комплексного импеданса касательно окисления на границе раздела и изменения микроструктуры керамического слоя, топографию поверхности и отпадание покрытия с помощью съемки камерой CCD и т. п.

На одиннадцатом этапе после завершения имитационных испытаний экспериментальные данные анализируют и систематизируют для определения механизма разрушения и зоны риска в отношении теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки.

Порядок использования этой испытательной системы для имитационных испытаний с целью осуществления имитационных испытаний и контроля в режиме реального времени в отношении второй испытательной модели следующий:

На первом этапе подготавливают образец: с помощью технологии напыления EB-PVD на поверхность полой рабочей лопатки определенного типа наносят теплоизоляционный материал теплозащитного покрытия, у которого состав компонентов системы следующий: материалом переходного слоя является сплав NiCrAIY толщиной приблизительно 100 мкм; керамический порошковый материал представляет собой диоксид циркония, содержащий 8% (по весу) Y2O3; толщина керамического слоя составляет приблизительно 200 мкм. Наконец, на поверхность образца наносят слой черной краски, стойкой к сверхвысоким температурам, чтобы на поверхности образца сформировать спекл-поле со сравнительно высокой отражающей способностью, которое используется в качестве характерного спекл-поля для системы бесконтактного измерения трехмерной деформации в режиме онлайн ARAMIS.

На втором этапе подготовленный завихритель 65 и теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки, диск 61 турбины, литой диск 63 и другие элементы точно собирают в модель турбины и модель турбины устанавливают на платформе 4 для размещения испытательного оборудования.

На третьем этапе не установленный элемент 213 выбрасывания струи прочно устанавливают в испытательной камере 41, при этом управление движением элемента 213 выбрасывания струи обеспечивают с помощью серводвигателя и посредством направляющих; после закрепления испытательной модели выходной конец элемента 213 выбрасывания струи может быть направлен в сторону модели турбины, и внутри элемента 213 выбрасывания струи предусмотрен канал охлаждения.

На четвертом этапе теплозащитное покрытие 62 рабочей лопатки помещают и закрепляют в подходящем месте растяжной машины.

На пятом этапе настраивают инфракрасный термометр или в соответствующих местах закрепляют термопары. Каждая термопара отдельно связана с модулем 32 проведения проверки и сбора данных в отношении температуры и определяет, нормально ли работает каждый прибор.

На шестом этапе устанавливают и настраивают датчик сбора сигналов или объектив системы неразрушающего контроля и задают интересующую область проверяемого образца; задают параметры проверки и шаблон хранения данных для разных систем неразрушающего контроля; запускают каждую систему неразрушающего контроля.

На восьмом этапе активируют переключатель охлаждающей воды для испытательной модели и элемента 213 выбрасывания струи. Активируют переключатель управления охлаждающим газом, попадающим во внутренний канал испытательной модели и вращающегося с высокой скоростью элемента, чтобы охлаждающий газ попадал в лопатку из охлаждающего канала в нижней части турбинной лопатки и выходил через верхнее сквозное отверстие, чтобы в направлении от поверхности керамического покрытия к внутренней поверхности металлической подложки образовывался высокотемпературный градиент.

На девятом этапе запускают электродвигатель высокой мощности, который приводит завихритель 65 в модели турбины в высокоскоростное вращение с помощью системы передачи, состоящей из редуктора 13 и группы многоступенчатых осей вращения; и запускают нагрузочный компрессор 14.

На десятом этапе запускают элемент 213 выбрасывания струи, устройство 22 обеспечения абразивных условий и устройство обеспечения коррозионных условий; регулируют расход керосина и кислорода; спустя 8–10 секунд после автоматического поджигания температура газа стабилизируется на уровне 1000 °C. Скорость нагрева составляет приблизительно 100 °C/с, чтобы температура покрытия поверхности стабилизировалась на уровне приблизительно 1000 °C и поддерживалась в течение 5 минут. В этом конкретном варианте осуществления каждый термический цикл состоит из времени нагрева 10 с, времени выдержки 300 с и времени охлаждения 200 с. Устанавливают количество термических циклов.

На одиннадцатом этапе запускают растяжную машину и к теплозащитному покрытию 62 рабочей лопатки прикладывают эквивалентную нагрузку.

На двенадцатом этапе в отношении образца теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки в режиме реального времени проверяют и регистрируют изменения температурного поля, изменения поля деформации и поля смещений, акустико-эмиссионный сигнал на предмет появления и распространения трещин, сигнал контроля инфракрасными лучами отслоений на границе раздела, сигнал спектра комплексного импеданса касательно окисления на границе раздела и изменения микроструктуры керамического слоя, топографию поверхности и отпадание покрытия с помощью съемки камерой CCD и т. п.

На тринадцатом этапе после завершения имитационных испытаний экспериментальные данные анализируют и систематизируют для определения механизма разрушения и зоны риска в отношении теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки.

С помощью двух вышеуказанных испытательных моделей проводят испытания в отношении механизма разрушения и зоны риска для соответственно теплозащитного покрытия 64 спрямляющей лопатки и теплозащитного покрытия 62 рабочей лопатки в теплозащитном покрытии турбинной лопатки; метод испытания прост и точен, а также прост в реализации, при этом обеспечиваются точные результаты испытаний и предоставляется техническое обеспечение в отношении оптимизации технологий производства и независимого проектирования теплозащитных покрытий.

Следует понимать, что вышеуказанные конкретные варианты осуществления настоящего изобретения предназначены только для иллюстрации или объяснения принципов настоящего изобретения, и для настоящего изобретения они не являются ограничением. Следовательно, любые модификации, эквивалентные замены, улучшения и т. д., выполненные без отклонения от сути и объема настоящего изобретения, должны быть включены в объем защиты настоящего изобретения. Кроме того, подразумевается, что прилагаемая формула настоящего изобретения охватывает все изменения и модификации, которые попадают в объем и пределы прилагаемой формулы изобретения или в эквивалентные формы таких объема и пределов.

Изобретение относится к области испытаний теплозащитных покрытий лопаток турбин высокого давления для авиационных двигателей. Испытательная система содержит установку (1) имитации режима эксплуатации, установку (2) имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительное оборудование (3). Установка (1) имитации режима эксплуатации установлена с одной стороны тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, соединена с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки и предназначена для имитации режима эксплуатации с высокоскоростным вращением тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки. Установка (2) имитации условий эксплуатации установлена с другой стороны тестируемого теплозащитного покрытия и предназначена для имитации условий эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в рабочем режиме с высокоскоростным вращением. Контрольно-измерительное оборудование (3) предназначено для обнаружения повреждений, возникающих при вращении с высокой скоростью тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в условиях эксплуатации. Технический результат: возможность одновременно имитировать как работу в условиях высоких температур, абразивного износа, коррозии, вызванной соединениями на основе CMAS, так и работу в условиях высокоскоростного вращения; осуществлять проверку и измерение одновременно в отношении теплозащитного покрытия спрямляющей лопатки и теплозащитного покрытия рабочей лопатки и одновременно изучать в режиме реального времени процесс разрушения теплозащитного покрытия турбинной лопатки. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации, отличающаяся тем, что содержит: установку (1) имитации режима эксплуатации, установку (2) имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительное оборудование (3); при этом

установка (1) имитации режима эксплуатации установлена с одной стороны тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, соединена с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки и предназначена для имитации режима эксплуатации с высокоскоростным вращением тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки;

установка (2) имитации условий эксплуатации установлена с другой стороны тестируемого теплозащитного покрытия и предназначена для имитации условий эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в рабочем режиме с высокоскоростным вращением;

контрольно-измерительное оборудование (3) предназначено для обнаружения повреждений, возникающих при вращении с высокой скоростью тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в условиях эксплуатации, в частности, установка (1) имитации режима эксплуатации содержит первый электродвигатель (11), тихоходный вал (12), редуктор (13) и быстроходный вал; первый электродвигатель (11) соединен с одним концом тихоходного вала (12) для приведения тихоходного вала (12) во вращение; редуктор (13) снабжен первой шестерней и второй шестерней, находящимися в зацеплении друг с другом, при этом радиус первой шестерни больше радиуса второй шестерни; другой конец тихоходного вала (12) соединен с первой шестерней для приведения первой шестерни во вращение, при этом первая шестерня приводит во вращение вторую шестерню; вторая шестерня соединена с одним концом быстроходного вала для приведения быстроходного вала во вращение; другой конец быстроходного вала соединен с тестируемым теплозащитным покрытием турбинной лопатки для приведения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки во вращение с высокой скоростью; установка (2) имитации условий эксплуатации содержит устройство (21) обеспечения высокотемпературного термоудара, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы под высокими температурами; устройство (22) обеспечения абразивных условий, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в абразивных условиях; устройство (23) обеспечения коррозионных условий, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в коррозионных условиях; устройство (24) обеспечения условий охлаждения, предназначенное для обеспечения имитируемых условий работы в условиях с температурным градиентом для охлаждения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки; контрольно-измерительное оборудование (3) содержит модуль (31) бесконтактного измерения трехмерной деформации, предназначенный для контроля в режиме реального времени поля напряжений, поля деформаций и поля смещений тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки; модуль (32) проведения проверки и сбора данных в отношении температуры, предназначенный для проведения проверки в реальном времени и сбора данных в отношении температуры тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, среды, в которой находится тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки, и установки (2) имитации условий эксплуатации; модуль (33) высокоскоростной съемки на основе технологии CCD, предназначенный для съемки режима эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль (34) системы акустико-эмиссионного контроля, предназначенный для контроля в режиме реального времени образования и возникновения трещин, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль (35) системы контроля инфракрасными лучами, предназначенный для контроля в режиме реального времени отслоений на границе раздела, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации; модуль (36) проверки на основе спектра комплексного импеданса, предназначенный для контроля в режиме реального времени окисления на границе раздела и коррозии покрытия, появляющихся в режиме эксплуатации тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки в процессе высокоскоростного вращения в условиях эксплуатации.

2. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 1, отличающаяся тем, что установка (1) имитации режима эксплуатации содержит нагрузочный компрессор (14); при этом

нагрузочный компрессор (14) соединен со второй шестерней и предназначен для поглощения энергии, генерируемой во время высокоскоростного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки, с обеспечением равномерного вращения тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

3. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 1, отличающаяся тем, что устройство (21) обеспечения высокотемпературного термоудара содержит элемент (211) подачи горючей жидкости, элемент (212) подачи поддерживающего горение газа и элемент (213) выбрасывания струи; при этом

элемент (211) подачи горючей жидкости соединен с входным концом элемента (213) выбрасывания струи для подачи горючей жидкости в элемент (213) выбрасывания струи;

элемент (212) подачи поддерживающего горение газа соединен с входным концом элемента (213) выбрасывания струи для подачи поддерживающего горение газа в элемент (213) выбрасывания струи;

поддерживающий горение газ поддерживает горение горючей жидкости;

выходной конец элемента (213) выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания струи зажженного высокотемпературного газа на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки.

4. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 3, отличающаяся тем, что устройство (22) обеспечения абразивных условий содержит накопитель (221) абразивных частиц, первый элемент (222) точной подачи порошка и второй электродвигатель (223); при этом

накопитель (221) абразивных частиц предназначен для накапливания абразивных частиц;

первый элемент (222) точной подачи порошка выполнен в сообщении с накопителем (221) абразивных частиц и элементом (213) выбрасывания струи и подает в элемент (213) выбрасывания струи абразивные частицы для их смешивания с высокотемпературным газом;

второй электродвигатель (223) электрически соединен с первым элементом (222) точной подачи порошка для подачи тока на первый элемент (222) точной подачи порошка;

выходной конец элемента (213) выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки струи высокотемпературного газа после смешивания.

5. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 4, отличающаяся тем, что устройство (22) обеспечения абразивных условий дополнительно содержит первый трубопровод (224), первый регулятор (225) расхода и первый клапан (226) регулирования давления; при этом

первый элемент (222) точной подачи порошка выполнен в сообщении с элементом (213) выбрасывания струи с помощью первого трубопровода (224);

первый трубопровод (224) снабжен первым регулятором (225) расхода и первым клапаном (226) регулирования давления, регулирующими соответственно расход и давление при подаче абразивных частиц.

6. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 3, отличающаяся тем, что устройство (23) обеспечения коррозионных условий содержит накопитель (231) коррозионных частиц, второй элемент (232) точной подачи порошка и третий электродвигатель (233); при этом

накопитель (231) коррозионных частиц предназначен для накопления коррозионных частиц;

второй элемент (232) точной подачи порошка выполнен в сообщении с накопителем (231) коррозионных частиц и элементом (213) выбрасывания струи и подает в элемент (213) выбрасывания струи коррозионные частицы для их смешивания с высокотемпературным газом;

третий электродвигатель (233) электрически соединен со вторым элементом (232) точной подачи порошка для подачи тока на второй элемент (232) точной подачи порошка;

выходной конец элемента (213) выбрасывания струи направлен на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки для выбрасывания на тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки струи высокотемпературного газа после смешивания.

7. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 6, отличающаяся тем, что устройство (23) обеспечения коррозионных условий дополнительно содержит второй трубопровод (234), второй регулятор (235) расхода и второй клапан (236) регулирования давления; при этом

второй элемент (232) точной подачи порошка выполнен в сообщении с элементом (213) выбрасывания струи с помощью второго трубопровода (234);

второй трубопровод (234) снабжен вторым регулятором (235) расхода и вторым клапаном (236) регулирования давления, регулирующими соответственно расход и давление при подаче коррозионных частиц.

8. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 1, отличающаяся тем, что устройство (24) обеспечения условий охлаждения содержит воздушный компрессор (241), воздухонагреватель (242) и четвертый электродвигатель (243); при этом

воздушный компрессор (241) выполнен в сообщении с воздухонагревателем (242) для подачи сжатого воздуха в воздухонагреватель (242);

четвертый электродвигатель (243) электрически соединен с воздухонагревателем (242) для подачи тока на воздухонагреватель (242);

воздухонагреватель (242) нагревает воздух, сжатый воздушным компрессором (241), с его подачей на нагреваемые до высокой температуры элементы, содержащие тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки и элемент (213) выбрасывания струи.

9. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 8, отличающаяся тем, что воздушный компрессор (241) дополнительно выполнен в сообщении с устройством (21) обеспечения высокотемпературного термоудара для обеспечения поддерживающего горение газа для устройства (21) обеспечения высокотемпературного термоудара.

10. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 8, отличающаяся тем, что нагрузочный компрессор (14) выполнен в сообщении с воздушным компрессором (241) для передачи поглощенной энергии воздушному компрессору (241).

11. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по п. 8, отличающаяся тем, что нагрузочный компрессор (14) выполнен в сообщении с устройством (21) обеспечения высокотемпературного термоудара для обеспечения поддерживающего горение газа для устройства (21) обеспечения высокотемпературного термоудара.

12. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит несколько испытательных моделей тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки.

13. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит платформу (4) для размещения испытательного оборудования; при этом

установка (1) имитации режима эксплуатации, установка (2) имитации условий эксплуатации, контрольно-измерительное оборудование (3) и тестируемое теплозащитное покрытие турбинной лопатки установлены на платформе (4) для размещения испытательного оборудования.

14. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит оборудование для проверки, контроля и хранения параметров испытаний; при этом

оборудование для проверки, контроля и хранения параметров испытаний связано с установкой (1) имитации режима эксплуатации, установкой (2) имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительным оборудованием (3) и предназначено для проверки, контроля и хранения параметров испытаний и результатов испытаний, касающихся устройства (1) имитации режима эксплуатации, устройства (2) имитации условий эксплуатации и контрольно-измерительного оборудования (3).

15. Испытательная система для имитационных испытаний теплозащитного покрытия турбинной лопатки в режиме эксплуатации по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вспомогательное оборудование, выполняющее вспомогательные функции по обеспечению защиты, защиты от вибрации, безопасности, удаления отходящих газов и частиц в отношении тестируемого теплозащитного покрытия турбинной лопатки и испытательного оборудования.