一种低附加热应力的CMC外环试验件夹具的制作方法

一种低附加热应力的cmc外环试验件夹具
技术领域
1.本发明属于燃气涡轮发动机技术领域，具体是一种低附加热应力的cmc外环试验件夹具。


背景技术：

2.陶瓷基复合材料(以下简称cmc)的热膨胀系数仅为常规金属材料的1/3，相同温度下的热变形也为金属材料的1/3，由于cmc材料与常规金属的热膨胀系数具有较大差异，采用刚性约束时导致cmc外环试验件在高温试验时产生大的附加热应力，使得试验件发生热疲劳破坏，无法达到考核cmc外环试验件抗热冲击能力的试验目的。
3.现有涡轮外环试验件夹具采用螺栓等刚性连接将涡轮外环试验件固定在夹具上，直接采用该结构将导致cmc外环试验件与夹具在高温燃气环境下产生大的热应力，可能导致试验件提前发生破坏，导致试验失败。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种低附加热应力的cmc外环试验件夹具，针对现有涡轮外环试验件夹具与cmc外环试验件连接结构存在受热变形不匹配、热应力不能完全释放的问题，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
5.根据本发明的一个方面，包括厚垫、滑块、弹簧和压紧螺栓，所述厚垫内设有贯穿厚垫的内腔，用于cmc外环试验件在试验过程中能够在径向、周向以及轴向上均有充分的热变形自由度；
6.所述厚垫上位于内腔横向的两端分别开设有至少一个螺栓孔，螺栓孔中容纳滑块和弹簧，安装cmc外环试验件时，压紧螺栓螺纹连接于螺栓孔内，用于压缩弹簧使滑块压紧cmc外环试验件。
7.进一步地，所述内腔包括上侧圆弧段和两个对称设置的下侧小圆弧段，上侧圆弧段用于包容住cmc外环试验件，上侧圆弧段的两端与下侧小圆弧段形成安装槽，用于容纳cmc外环试验件的两端，上侧圆弧段半径大于试验件半径，内腔厚度方向大于试验件宽度。
8.进一步地，所述内腔内设有支撑结构，所述支撑结构的横剖面是由多段圆弧组成的闭合结构，支撑结构的内部空间用作进气道。
9.进一步地，所述支撑结构位于上侧圆弧段的内侧，用于试验时支撑cmc外环试验件，所述螺栓孔位于上侧圆弧段的外侧。
10.进一步地，所述支撑结构的上侧圆弧面与cmc外环试验件排气侧端面贴合，支撑结构的下侧圆弧面与内腔底部边界贴合。
11.进一步地，所述内腔的两个下侧小圆弧段与支撑结构两端的下侧弧面相切，下侧小圆弧段与滑块配合弹性固定cmc外环试验件，圆弧凸起与厚垫一体成型。
12.进一步地，所述滑块呈半胶囊状，且滑块的圆弧面一端与cmc外环试验件抵接，能够更好的与cmc外环试验件表面贴合。
13.进一步地，所述厚垫和滑块均采用耐高温镍基合金制作。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.厚垫内设有贯穿厚垫的内腔，厚垫上位于内腔横向的两端分别开设有至少一个螺栓孔，螺栓孔中容纳滑块和弹簧，安装cmc外环试验件时，压紧螺栓螺纹连接于螺栓孔内，用于压缩弹簧使滑块压紧cmc外环试验件。cmc外环试验件两端延伸到主流道以外，避免试验件在高速气流的冲击下发生大幅度振荡。滑块与试验件、内腔的下侧小圆弧段与试验件的接触均为线接触，保证试验件具备一定的周向变形自由度。
16.cmc外环试验件半径略小于厚垫内腔上侧圆弧段半径，用于包容试验件径向热变形。cmc外环试验件安装时向后靠在厚垫内腔底部，试验件受热向前膨胀。试验件宽度和厚垫内腔深度留有一定间隙，供试验件发生轴向自由膨胀。无附加热应力的cmc外环试验件夹具通过线接触保证了试验件在冷态下的连接与定位，同时确保其在交变的高/低温燃气冲击试验过程中具有较充分的热变形自由度。
17.该夹具结构形式简单，没有复杂的连接或者装配结构，易于加工。
附图说明
18.为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
19.图1为本发明实施例提供的cmc外环试验件夹具结构示意图；
20.图2为图1中a处放大图；
21.图3为图1中a-a剖面结构示意图；
22.图4为本发明的cmc涡轮外环试验件结构示意图；
23.图5为本发明实施例提供的燃气热冲击试验装置示意图；
24.图6为本发明实施例提供的cmc涡轮外环的试验载荷谱示意图。
25.图中：1、厚垫；101、滑块；102、弹簧；103、压紧螺栓；104、内腔；105、上侧圆弧段；106、支撑结构；107、下侧小圆弧段；108、螺孔；2、cmc外环试验件；3、燃烧室；4、进气过渡段；5、试验段；6、热电偶；7、排气过渡段。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种低附加热应力的cmc外环试验件夹具限制。
27.另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
28.根据本发明的一个总体技术构思，如图1-6所示，提供一种低附加热应力的cmc外环试验件夹具，包括厚垫1、滑块101、弹簧102和压紧螺栓103，所述厚垫1内设有贯穿厚垫1的内腔104，用于cmc外环试验件2在试验过程中能够在径向、周向以及轴向上均有充分的热变形自由度；
29.厚垫1上位于内腔104横向的两端分别开设有至少一个螺栓孔，螺栓孔中容纳滑块
101和弹簧102，安装cmc外环试验件2时，压紧螺栓103螺纹连接于螺栓孔内，用于压缩弹簧102使滑块101压紧cmc外环试验件2。cmc外环试验件2两端延伸到主流道以外，并由弹簧102压紧的滑块101固定在厚垫1上，避免试验件在高速气流的冲击下发生大幅度振荡。滑块101与试验件、内腔104的下侧小圆弧段107与试验件的接触均为线接触，保证试验件具备一定的周向变形自由度。cmc外环试验件2半径略小于厚垫1内腔104的上侧圆弧段105半径，用于包容试验件径向热变形。cmc外环试验件2安装时向后靠在厚垫1内腔104底部，试验件受热向前膨胀。试验件宽度和厚垫1内腔104深度留有一定间隙，供试验件发生轴向自由膨胀。
30.内腔104包括上侧圆弧段105和两个对称设置的下侧小圆弧段107，上侧圆弧段105用于包容住cmc外环试验件2，上侧圆弧段105的两端与下侧小圆弧段107形成安装槽，用于容纳cmc外环试验件2的两端，内腔104内设有支撑结构106，所述支撑结构106的横剖面是由多段圆弧组成的闭合结构，支撑结构106的内部空间用作进气道，支撑结构106位于上侧圆弧段105的内侧，螺栓孔位于上侧圆弧段105的外侧，支撑结构106的上侧圆弧面与cmc外环试验件2排气侧端面贴合，支撑结构106的下侧圆弧面与内腔104底部边界贴合。
31.内腔104的两个下侧小圆弧段107与支撑结构106两端的下侧弧面相切，下侧小圆弧段107与滑块101配合弹性固定cmc外环试验件2，下侧小圆弧段107与厚垫1一体成型。
32.滑块101呈半胶囊状，且滑块101的圆弧面一端与cmc外环试验件2抵接，即使cmc外环试验件安装的有些许偏差，也能保证滑块101与cmc外环试验件2表面贴合。
33.厚垫1采用耐高温镍基合金制作，优选地，厚垫1的材料采用gh3128。
34.滑块101采用耐高温镍基合金制作，优选地，厚垫1的材料采用gh3128。
35.如图4所示，cmc外环试验件2的考核部分模拟涡轮外环结构，厚度需与真实涡轮外环相当cmc外环试验件2半径略小于上侧圆弧段105的半径。涡轮外环内弧面为燃气冲刷面，试验件在相应内弧面接受试验燃气加热/冷却。cmc外环试验件2半径与转接段流道面外径趋近，cmc外环试验件2两端沿周向延伸一段距离，便于在非流道面夹持。
36.如图5所示燃气热冲击试验装置，包括依次设置的燃烧室3、进气过渡段4、试验段5、试验件夹具和排气过渡段7，试验件夹具通过在厚垫1上开设的多个螺孔108固定于试验装置上，燃气热冲击试验装置主要通过交变的高/低温燃气对试验段5内的cmc外环试验件2进行快速加热/冷却。试验过程中，升温时采用燃烧室3产生的高温燃气直接加热试验件，使试验件温度迅速达到试验温度，并稳定在最高温度，恒温保证试验件热透；降温时先用较低温度的燃气冷却试验件，然后采用冷吹的方式将试验件温度继续降低。试验温度由安装在试验件正前方的热电偶6测量，试验循环次数和试验数据由计算机自动采集。
37.模拟cmc涡轮外环工作条件下的服役载荷，设计cmc涡轮外环的试验载荷谱如图6所示，试验温度范围为250-980℃，单个循环时间为86秒，实际根据试验装置进行相应增减。
38.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。