專利名稱：用于在自旋式測試環(huán)境下燃?xì)鉁u輪的回轉(zhuǎn)體上產(chǎn)生熱機械疲勞的系統(tǒng)和方法
用于在自旋式測試環(huán)境下燃?xì)鉁u輪的回轉(zhuǎn)體上產(chǎn)生熱機械
疲勞的系統(tǒng)和方法對相關(guān)申請的引用本申請要求于2008年6月20日提交的美國第61/132，686號臨時專利申請的利 益，所述申請的全部教導(dǎo)通過引用并入本文。關(guān)于聯(lián)邦政府所發(fā)起的研發(fā)的申明本發(fā)明是在政府所支持的由美國空軍授予的第FA 8650-05-025 協(xié)議下進行 的。因此，政府享有本發(fā)明的某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的燃?xì)鉁u輪的發(fā)動機的流動路徑從風(fēng)扇的輸入端到低紊流的釋放端上經(jīng)歷 了一系列的軸向上的溫度變化。由于流動路徑是一種近似封閉的系統(tǒng)，并與內(nèi)置部件和外 部部件、刮片、翼片隔絕開，因此安裝在系統(tǒng)中的圓盤的邊緣在氣體路徑中的操作溫度到達 2500 0F (表面溫度)，在高渦流中的圓盤的邊緣的溫度為2500-3200 °F。相反地，位于流 動路徑中的圓盤連接板和鉆孔被定位在空腔中，通過旋轉(zhuǎn)的迷宮式密封和壓力平衡進行隔 絕，以防止熱氣體被吸入到發(fā)動機的內(nèi)核中。精確設(shè)計的二次流系統(tǒng)使圓盤上的鉆孔和傳動軸保持在較低的溫度，以限制刮片 半徑的增長和使材料結(jié)構(gòu)的性能最優(yōu)化。維持和控制圓盤的邊緣和鉆孔之間的熱梯度將會 控制瞬時的圓盤/刮片的增長和使頂部摩擦和合成的空氣動力性能的損失最小。邊緣-鉆孔的熱梯度表示的是附加的分應(yīng)力與旋轉(zhuǎn)力相結(jié)合。在許多情況下，熱 應(yīng)力分布可以超過機械應(yīng)力。因此，在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力之間會存在相位滯后的情況。在 高渦輪中，圓盤上的鉆孔越是隔絕的和厚重的，越是容易發(fā)生相位滯后。相位的問題也會受 到操作性能的影響，原因就在于，達到一定程度的功率操作確定了梯度的精度。這將產(chǎn)生一 種情況，即不同的操作人員會由于他們操作發(fā)動機的方式而可能會經(jīng)歷不一樣的旋轉(zhuǎn)部件 的壽命。結(jié)構(gòu)性整體的人員面臨嘗試建立部件的壽命極限的挑戰(zhàn)，同時改變彈性的/非彈 性的張力和材料行為。由于沒有通用的材料測試的方法(在噴氣式發(fā)動機的外部)，來自材 料的訂貨測試的數(shù)據(jù)是一些有限值，包括與實際的正在旋轉(zhuǎn)的速度相同步的徑向熱梯度。 換句話說，目前沒有模擬熱疲勞和機械疲勞(TMF)的負(fù)載循環(huán)周期的方法?？紤]到現(xiàn)有的與產(chǎn)生耐用性和壽命預(yù)測模式的相關(guān)測試，和全部的發(fā)動機的測試 費用(每一個都是6M+六百萬)，沒有一種用于實施代表性的TMF測試的具有成本效益的方 法是現(xiàn)實可用的。目前的部件設(shè)計方法也是非常昂貴的，通常要求進行若干次重復(fù)才能獲 得“最好效果”的方案，因此，發(fā)動機工程需要增加數(shù)百萬美元和數(shù)月的計劃才能得以進行。此外，在發(fā)動機的發(fā)熱部分中與故障有關(guān)的TMF是產(chǎn)生A類事故、低的總累計循環(huán) 周期(TAC)的有用壽命、故障中的平均時(MTBF)和維修中的平均時(MTBM)的關(guān)鍵因素。由 較好的測試所產(chǎn)生的在設(shè)計上的改進具有形成更為抗TMF的影響的部件的潛力，幫助更為 先進的發(fā)動機在發(fā)熱部分達到4300TAC的壽命，并有助于傳統(tǒng)發(fā)動機將發(fā)熱部分的壽命延長到5000或者可能是6000TAC。部件的耐受力方面的所述的提高可以為美國空軍在未來的 維修成本上節(jié)約數(shù)百萬美元。結(jié)合的DOD (國防部)和經(jīng)濟市場節(jié)約可以達到數(shù)十億美元?；谑褂脡勖到y(tǒng)的分析在部件的使用壽命的評估上具有不足，并導(dǎo)致增加操作 人員在替換部件時的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。而且，現(xiàn)有的分析工具可以模仿發(fā)動機的部件和TMF負(fù)載， 所述的模仿分析的結(jié)果可能不足以預(yù)測物體的響應(yīng)和受到通常被燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機所包 圍的環(huán)境影響的材料。舉例來說，構(gòu)建所述的模式進行的假設(shè)和估計可能會對測試結(jié)果產(chǎn) 生夸大的和不能理解的影響。實際的測試結(jié)果和預(yù)想的結(jié)果之間的聯(lián)系有時的變化非常 大，通常引導(dǎo)設(shè)計人員對發(fā)動機部件的預(yù)測的使用壽命進行詳細(xì)的保守估計。商用和軍用的發(fā)熱部分的部件通常在特定數(shù)量的循環(huán)周期時間或者TAC后進行 更換，給定的發(fā)熱部分的部件是額定的。這種部件的TAC的循環(huán)周期的特殊數(shù)量的確定是 部分基于特定的部件。人們通常相信，已經(jīng)達到TAC的循環(huán)周期的特定數(shù)量的替換下來的 部件還具有額外有用的使用壽命。舉例來說，由于在嚴(yán)格的TMF條件下所缺乏的關(guān)于材料 行為的知識所導(dǎo)致的發(fā)動保守性通常會導(dǎo)致對發(fā)熱部分的旋轉(zhuǎn)部件的較短的描述壽命。舉 例來說，ERLE(發(fā)動機的回轉(zhuǎn)體的使用壽命的延長)等工程需要通過更好的測試方法尋求 驗證，當(dāng)前的部件設(shè)計確實需要具有更長的使用壽命?？梢灶A(yù)見，通過不用更早地更換部 件，每年將可以節(jié)約可觀的成本。迄今為止，由于缺少能夠復(fù)制發(fā)動機的熱漂移的高熱通量爐，TMF測試中的旋轉(zhuǎn)凹 痕在某種程度上是不能實現(xiàn)的。現(xiàn)有技術(shù)中的測試已經(jīng)與循環(huán)周期速度進行控制，但并非 是恒量梯度。恒量梯度通常與感應(yīng)加熱器或者阻抗元件的加熱器一并產(chǎn)生。在渦輪發(fā)熱部 分的部件中，邊緣的溫度可以達到2500 °F或者更高。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文所揭示的系統(tǒng)和方法，一種可控的，高熱磁通量源將提供可以選定的高 熱磁通量來把熱負(fù)荷施加到測試物體上。測試物體可以定位在自旋式測試工具上，并且可 以經(jīng)受通過施加在測試物體上的高的旋轉(zhuǎn)速度所產(chǎn)生的機械負(fù)荷。根據(jù)一個實施方案，熱 負(fù)荷和機械負(fù)荷被同步施加到測試物體上，以便在燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的環(huán)境中有效地重復(fù) 操作條件。在測試條件下，在部件旋轉(zhuǎn)的過程中，高熱的磁通量源可以與部件進行緊密的連 接?？梢钥刂频母邿岬拇磐吭茨軌蛑芷谛缘赝ㄟ^與旋轉(zhuǎn)或者自旋周期相結(jié)合或者同步的 方式來將熱負(fù)荷適用到部件上。舉例來說，在測試中，熱負(fù)荷和機械負(fù)荷可以施加到部件 上，這是通過將來自高熱的磁通量源的高熱磁通量應(yīng)用到部件上，同時使部件以高的旋轉(zhuǎn) 速度發(fā)生自旋來實現(xiàn)的。熱負(fù)荷和機械負(fù)荷可以適用在不同的相位階段中，而且可以施加 到不同的程度，以便在測試部件上重復(fù)產(chǎn)生實際的負(fù)載條件。舉例來說，實際的負(fù)載條件可 以模擬在燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機中的負(fù)載條件，測試中的部件是渦輪回轉(zhuǎn)體或者是為所述發(fā)動 機所模擬的渦輪回轉(zhuǎn)體。根據(jù)可以效仿的實施方案，高熱的磁通量源可以是一種石英燈，其與測試部件緊 密相連。石英燈可以提供定位的高熱的磁通量，舉例來說，在測試部件中的邊緣部分中定位 的高熱磁通量。可以控制石英燈以將高熱的磁通量適用到測試部件的邊緣部分上，或者在 相對緊密的環(huán)形中，從而在旋轉(zhuǎn)的測試部件的徑向方向上產(chǎn)生熱梯度。提供給石英燈的能 量可以被調(diào)整用于產(chǎn)生所需要的高熱磁通量來適用到測試部件上。石英燈的使用可以允許在測試部件上形成某種可以控制的梯度，根據(jù)需要用于提供靈活的和簡化的測試環(huán)境，其 是可以施加的和可以移除地，以便將任意數(shù)量的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷適用到測試部件上。根據(jù)另外一個可以效仿的實施方案，可以將一種冷卻液體源提供到測試工具上， 該冷卻液體源可以適用到測試部件的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷上。冷卻液體源可以提供碰撞的冷 卻空氣，舉例來說，通過分布來控制測試工具中的溫度或者熱梯度，或者用于測試部件中。 可以在測試工具上的各種不同位置上提供冷卻液體，或者在測試部件上提供冷卻液體。舉 例來說，在燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的回轉(zhuǎn)體的情況下，根據(jù)不同的幾何分布，冷卻液體可以引導(dǎo) 到邊緣，連接板或者回轉(zhuǎn)體的鉆孔中。碰撞的冷卻液體可以，舉例來說，周期性地將熱負(fù)荷 施加到測試部件上。根據(jù)另外一個可以效仿的實施方案，可以提供一種控制系統(tǒng)用于允許進行選定的 熱負(fù)載和機械負(fù)載，以及周期性地施加到測試部件上?？刂葡到y(tǒng)可以包括用戶界面，其允許 用戶提供設(shè)定點或者用于操作測試工具的其他的控制輸入設(shè)定。用戶界面也可以允許用于 接收發(fā)送到用戶界面上的輸出形式的信息。例如，用戶界面可以包括自動輸出設(shè)備，舉例來 說，揚聲器，喇叭，鈴鐺，或者可以發(fā)出聲音的其他物品，以提供關(guān)于測試或者測試工具的信 息。用戶界面也可以或者可以選擇的是，包括可視的輸出設(shè)備，例如，燈，顯示器或者可以發(fā) 出可視輸出的其他物品，以提供關(guān)于測試或者測試工具的信息?？刂葡到y(tǒng)可以用于設(shè)定在測試部件上的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的分布，以及用于控制 參數(shù)的臨界值，出于安全性或者是部件的完整性的考慮?？梢蕴峁┛刂朴糜谠试S設(shè)定點或 者其他的控制參數(shù)，以便在測試過程中可以改變或者更新參數(shù)，以允許實時的改變或者控 制，即“匆忙的”?？刂葡到y(tǒng)允許進行控制策略的操作，包括熱量控制策略，以有助于將循環(huán) 時間最小化，包括熱量的循環(huán)時間，以減少測試循環(huán)周期和費用。根據(jù)實施方案，自旋式的凹痕測試，例如，高速自旋式測試，可以與熱負(fù)荷結(jié)合在 一起，所述熱負(fù)荷是在所使用的各種不同的類型的旋轉(zhuǎn)部件，舉例來說，在燃?xì)馐綔u輪發(fā)動 機中進行的定向的熱機械疲勞測試中使用的?；剞D(zhuǎn)體部件的設(shè)計和使用，舉例來說，較輕的 壓縮機的回轉(zhuǎn)體和較重的渦輪回轉(zhuǎn)體可以受益于所述測試的優(yōu)勢。根據(jù)本文所揭示的系統(tǒng) 和方法，高熱的磁通量系統(tǒng)可以與自旋式的凹痕試驗臺相結(jié)合，并且可以被控制用于與測 試物體的旋轉(zhuǎn)速度同步，以根據(jù)所需要的循環(huán)參數(shù)和值來允許溫度梯度和速度的交替?？?以控制的高熱的磁通量系統(tǒng)與自旋式試驗臺的結(jié)合，提供了適用于模擬真實的發(fā)動機操作 條件的環(huán)境。如同熱源一樣的可以用于產(chǎn)生高熱的磁通量的任何其他類型的設(shè)備可以被控 制用于適用到測試物體上，舉例來說，回轉(zhuǎn)體。根據(jù)可以效仿的實施方案，可以使用多個石英燈作為熱源以產(chǎn)生被控的高熱磁通 量。在效仿的配置中，可以使用具有反射鏡配置的多個石英燈來聚集的熱磁通量。反射鏡 配置可以用冷卻源進行冷卻，其可以排列為具有冷卻液體的冷卻源，舉例來說，水。溫度反 饋傳感器可以在石英燈和/或反射鏡的配置中上使用，以便為所適用的熱負(fù)荷獲得控制參 數(shù)。在一個可以效仿的實施方案中，測試工具可以配置有自旋式測試以施加機械負(fù) 荷，舉例來說，旋轉(zhuǎn)速度為40，000RPM。機械負(fù)荷可以與熱負(fù)荷、可變熱負(fù)荷，熱梯度和/或 可變的熱梯度相結(jié)合。舉例來說，在上文中所討論的溫度范圍內(nèi)的熱梯度可以與機械負(fù)荷 同步適用。
由自旋式測試和熱負(fù)荷所給予的機械負(fù)荷可以通過在給定的速度和溫度下測量 張力來確定。舉例來說，測量設(shè)備和感應(yīng)設(shè)備可以用于測試工具中，以允許在40，000RPM的 速度下和不具有熱梯度是測量張力。根據(jù)一個實施方案，需要的徑向熱梯度是通過將熱能量聚集到有限的偏離的熱輻 射中獲得的。熱梯度可以通過將高熱的磁通量源引導(dǎo)到測試中的物體上的特定位置上來產(chǎn) 生。高熱的磁通量源可以通過感應(yīng)、激光、石英燈、聚焦的石英燈、碰撞、阻抗或者其他能夠 產(chǎn)生高熱的磁通量的來源產(chǎn)生高熱。幸運的是，測試工具可以包括散熱設(shè)備或者采用散熱 方法來提高熱效率。根據(jù)一個實施方案，重要的代表熱梯度被施加在低循環(huán)周期疲勞(LCF)自旋式測 試工具環(huán)境中的刻度旋轉(zhuǎn)渦輪發(fā)動機的部件上。自旋式測試環(huán)境可以包括柔性空間，而且 是可以操作的，舉例來說，在Iatm下操作。測試工具根據(jù)可以包括加熱和冷卻設(shè)備和相關(guān) 的儀器裝置和控制系統(tǒng)。儀器裝置和控制系統(tǒng)可以用于使熱控制的策略能夠?qū)е抡鎸嵉?熱梯度到旋轉(zhuǎn)物體上，舉例來說，典型的尺寸、質(zhì)量和與燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的部件有關(guān)的材 料。一種代表性部件的實施例中的真實的測試條件是希望被施加到刮片式的高壓壓縮機 (HPC)的回轉(zhuǎn)體中。施加到測試工具中的高壓壓縮機的回轉(zhuǎn)體的樣品上的典型的熱梯度是建立在邊 緣上的大約1000 1400 圍和在鉆孔中的大約300 600 °F的范圍的內(nèi)線性的和 非線性的分布或者線性的和非線性的分布的結(jié)合。


在此揭示的系統(tǒng)和方法將結(jié)合以下對應(yīng)的附圖進行更為詳細(xì)的描述，其中附圖1是軸對稱的圓盤模型的示意圖；附圖2是表示軸對稱的輻射熱模型的示意圖；附圖3是邊緣溫度和鉆孔溫度vs時間的圖形示意圖；附圖4是圓盤邊緣和鉆孔的熱功率vs溫度增加的圖形示意圖；附圖5是加熱回轉(zhuǎn)體的邊緣的功率vs時間的特征曲線圖形示意圖；附圖6是回轉(zhuǎn)體的邊緣上的熱傳遞系數(shù)的示意圖；附圖7-9是一些圖表，其對根據(jù)本發(fā)明的可以效仿的實施方案相關(guān)的加熱方法所 得到的不同的熱傳遞的系數(shù)進行預(yù)測的邊緣溫度進行了說明；附圖10-11是一些示意圖，顯示的是用于熱膨脹分析的回轉(zhuǎn)體的機械模型；附圖12-13是一些示意圖，顯示的是在旋轉(zhuǎn)壓力作用下的典型回轉(zhuǎn)體的邊緣偏轉(zhuǎn) 的模型；附圖14-15是一些示意圖，顯示的是經(jīng)受熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的回轉(zhuǎn)體的模型；附圖16是根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法的回轉(zhuǎn)體的測試的循環(huán)周期的參數(shù)進行解 釋說明的圖表；附圖17是根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法的可以效仿的實施方案的測試工具的側(cè)面 剖視圖，顯示的是在測試下的回轉(zhuǎn)體上所使用的儀器；附圖18是對根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法的可以效仿的實施方案的加熱裝置的示 意附圖19是根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法的可以效仿的實施方案的石英加熱燈的透 視圖；附圖20-22是根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法的可以效仿的實施方案的適用到測試 工具上的冷卻裝置的示意圖；附圖23是閥動圖，對根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法的可以效仿的實施方案的冷卻 液的流動路徑進行了距離說明；附圖M是對回轉(zhuǎn)體的溫度梯度和時間之間的關(guān)系進行解釋說明的圖表；附圖25是對回轉(zhuǎn)體的溫度梯度和在測試的循環(huán)周期中的時間之間的關(guān)系進行解 釋說明的圖表；附圖26- 是對回轉(zhuǎn)體溫度在單個的測試的循環(huán)周期中的分布進行了解釋說明 的圖表；附圖四是對回轉(zhuǎn)體空腔中的空氣溫度進行解釋說明的圖表；以及附圖30是對回轉(zhuǎn)體碰撞的冷卻溫度的圖表。
具體實施例方式于2008年6月20日提交的第61/132，686號美國臨時申請的全部教導(dǎo)在此通過 引證并入本文。通常人們可以接受的是，存在著一種確定燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的部件的顯著的額外 的安全工作壽命的潛能。延長所述的發(fā)動機部件的有用的工作壽命意味著為國防部(DOD) 和商業(yè)用的渦輪和工業(yè)上的燃?xì)鉁u輪操作節(jié)約相當(dāng)可觀的資金。FEA模型和經(jīng)驗上的熱梯 度測試之間的相關(guān)性可以幫助減少與當(dāng)前的保守壽命估計相偏離的風(fēng)險，以及可能潛在地 導(dǎo)致在替換之前，在更多的循環(huán)周期或者總累計循環(huán)周期(TAC)中的發(fā)動機部件的檢定。 所述檢定可以節(jié)約商業(yè)上的工業(yè)上的操作人員，包括軍方的或者其他政府部門的人員，通 過增加檢查之間的時間和減少用于滿足海軍航行器的準(zhǔn)備齊全的規(guī)范要求的財產(chǎn)清冊中 的備件數(shù)量來節(jié)約大量的資金。測試的燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的部件可以是具有挑戰(zhàn)性的，尤其是，如果部件被用于 在模擬真實的燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機條件的環(huán)境中進行的測試。部分地說，由于對燃?xì)馐綔u輪 發(fā)動機的部件進行測試的挑戰(zhàn)性，人們難以確定發(fā)動機部件的可操作的壽命。通常存在一 種趨勢，以提供對于發(fā)動機部件的使用壽命的保守的估計，從有限的現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，歸因于 在部件上進行真實的測試的難度。至少部分是由于所述的保守估計，通常人們接受這樣的 預(yù)測，即存在著一種確定燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的部件的顯著的額外的安全工作壽命的潛能。 關(guān)于燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的部件的額外的安全操作使用壽命的知識可以有助于延長部件的 有用的使用壽命，其意味著能夠幫助燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的軍方的或者商業(yè)用戶節(jié)約大量的 資金。在航空應(yīng)用中的現(xiàn)代的燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的操作過程中，舉例來說，渦輪和元數(shù) 據(jù)的回轉(zhuǎn)體經(jīng)受著同時發(fā)生的旋轉(zhuǎn)速度和溫度的快速改變，即地面空轉(zhuǎn)到起飛的提前減 速，維持高速和溫度一段停留時間和返回到地面空轉(zhuǎn)和停機。在這些瞬間和穩(wěn)定的操作點上，旋轉(zhuǎn)部件，尤其是渦輪和壓縮機的圓盤，維持著內(nèi) 部直徑(鉆孔)和外部直徑(邊緣)之間的大的溫度梯度。這些溫度梯度是需要的，而且是經(jīng)過設(shè)計的，用于維持冷卻器的內(nèi)部發(fā)動機的溫度，即為了保護油槽和軸承免受過高的 溫度。然而，在建立這些溫度梯度時，以及在維持操作溫度，大的熱應(yīng)力被施加到圓盤上，熱 應(yīng)力是除了機械應(yīng)力之外的的力，舉例來說，離心力，舉例來說，是由高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的力。 同樣地，在瞬時的發(fā)動機操作中，或者發(fā)動機/圓盤的加速/減速，存在相位差，或者機械應(yīng) 力和熱應(yīng)力之間的滯后。與熱負(fù)荷相比，機械負(fù)荷和離心負(fù)載被更快地施加或者移除。在一種可以控制的環(huán)境中，通過圓盤的熱和離心循環(huán)，舉例來說，回轉(zhuǎn)體，可以獲 得更容易理解的離心的/熱的交互作用，而且可以用于獲取對于剩余的圓盤使用壽命的更 為清楚的理解。所述理解可以為設(shè)計具有更長的使用壽命的圓盤提供機會，而且可以減少 延長圓盤的服務(wù)壽命的風(fēng)險。根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法以及根據(jù)本文所揭示內(nèi)容，熱負(fù)荷和機械負(fù)荷被施加 到測試物體上，舉例來說，以便對燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的操作條件進行估計。施加到測試物體 上的負(fù)載的參數(shù)值，其可以是來自燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的高壓壓縮機的回轉(zhuǎn)體，可以在所述 的發(fā)動機的條件的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的選擇。舉例來說，施加到回轉(zhuǎn)體上的典型的熱梯度可 以導(dǎo)致，回轉(zhuǎn)體上的邊緣溫度在大約450 °F到大約1400 °F之間的范圍內(nèi)進行變化，鉆孔溫 度在大約300下到大約600 °F之間的范圍內(nèi)進行變化，具有線性的和非線性的分布或者是 線性的和非線性相結(jié)合的分布。上文中所述的梯度可以應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體上，回轉(zhuǎn)體可 以具有的旋轉(zhuǎn)速度是大約1，200RPM到40，000RPM的范圍內(nèi)。根據(jù)在此揭示的內(nèi)容，測試工具提供的熱梯度和在測試工具中提供的旋轉(zhuǎn)負(fù)載是 可以被控制用于產(chǎn)生所需要的測試分布和循環(huán)周期。理想的測試分布和循環(huán)周期間隔可以 是在大約30秒到大約300秒的范圍之內(nèi)。作為時間循環(huán)周期的一部分，回轉(zhuǎn)體的邊緣可以 從室溫加熱到理想的熱峰值(舉例來說，在上文中所提到的)，以便在接近30秒或者更少的 時間內(nèi)建立理想的梯度。舉例來說，圓盤邊緣可以從室溫(300下)加熱到峰值熱度950下， 舉例來說，在30秒的時間內(nèi)。類似地，用于減少或者去掉在回轉(zhuǎn)體上建立的熱梯度的冷卻時間的理想的范圍是 在大約30秒到大約120秒。這些溫度、熱梯度、速度和循環(huán)時間的類型通常是理想的TMF 負(fù)載。然而，根據(jù)在此揭示的內(nèi)容的測試工具可以提供一種廣泛變化的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷 值，包括上文中提到的內(nèi)容，以及在本文所揭示的控制系統(tǒng)中可以獲得的其他范圍值。由于對燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機中的部件進行測試所存在的困難導(dǎo)致的可以獲得的數(shù) 據(jù)的局限性的原因，設(shè)計人員通常采用的是建模分析的方法，該分析方法使用的是仿真技 術(shù)，包括有限因素分析(FEA)模型，具有熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的模擬以有助于對可操作的使 用壽命進行預(yù)測的確認(rèn)或者理解。舉例來說，燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的部件的熱分析可以使用 軟件分析工具進行，舉例來說，例如，ANSYS 。分析工具，例如，ANSYS可以用于提供對于響 應(yīng)于在測試工具上的測試物體的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的預(yù)測。舉例來說，一種分析工具可以 用于預(yù)測回轉(zhuǎn)體上的雙軸應(yīng)力，其可以與真實的測量進行對比，以確定從分析軟件中獲得 的模型預(yù)測的有效性。用于對測試物體進行分析以確定或者預(yù)測對熱負(fù)荷或者機械負(fù)荷的響應(yīng)的模型 和分析工具可以根據(jù)在此揭示的內(nèi)容進行應(yīng)用。舉例來說，F(xiàn)EA模型已經(jīng)被用于對燃?xì)馐?渦輪發(fā)動機的部件的使用壽命進行估計。通過將FEA模型與根據(jù)在此揭示的內(nèi)容所獲得的 熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的經(jīng)驗結(jié)果進行關(guān)聯(lián)，可以降低與現(xiàn)有的保守使用壽命的估計相偏離的風(fēng)險，而且可以允許識別有助于提高對使用壽命的估計的設(shè)計因素的可能性，或者可以潛 在地導(dǎo)致在對給定的部件進行替換之前的更多的TAC中的部件的論證。一種可以效仿的燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機部件，其可以是用于燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的十階 的壓縮機回轉(zhuǎn)體，可以在TMF測試工具中用作測試物體。在本文中，十階壓縮機的回轉(zhuǎn)體也 可以是指能夠相互替換的圓盤或者回轉(zhuǎn)體，而且其意為著包括測試物體或者測試部件的術(shù) 語使用。在進行真實的測試之前，部件的模型可以使用分析工具進行發(fā)展，舉例來說，上文 中提到的軟件分析工具，以便對應(yīng)于到TMF負(fù)載上的部件的響應(yīng)進行確定或者預(yù)測。測試 部件可以是真實的燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機中的部件，也可以是部件的模擬件，部件的一部分或 者是對于TMF負(fù)載來說是理想的測試物體的任何類型。根據(jù)部件的附圖或者其他的示意 圖，測試部件的幾何形狀可以發(fā)展和輸入到模型中，舉例來說，電腦所產(chǎn)生的示意圖。舉例 來說，可以產(chǎn)生復(fù)合制圖(UG)的模型，以及可以制作ANSYS的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。所述的模型可以 用于初步的/最終的分析，包括但不限于以下內(nèi)容 熱輻射的加熱預(yù)報； 碰撞冷卻預(yù)報； 圓盤撓度分析； 熱應(yīng)力分析； 離心力分析； 偏差分析。根據(jù)在該實施例中的圓盤的幾何形狀，可以包括刮片質(zhì)量的影響。術(shù)語“刮片”包 括用于與回轉(zhuǎn)體部件相連接的楔形榫頭部分。在該實施例的十階的元數(shù)據(jù)回轉(zhuǎn)體中，六(6) 片代表性的刮片被進行稱重，為每一個刮片進行重心估計，并且計算+3σ的統(tǒng)計分布。將 +3σ刮片的重量記錄刮片(92)的數(shù)量建模為刮片的重心(CG)上的質(zhì)量點。刮片模型將刮 片負(fù)載導(dǎo)入到圓盤邊緣中。表1顯示的是刮片的重量計算結(jié)果
刮片重量1重量2
(gm )( gm )
112.40012.400
213.30012.300
312.10012.100
412.50012.600
512.70012.800
612.50012.800
平均值12.58312.500
減值0.3670.258
總重量75.50075.500
總設(shè)定重量1157.667gm
總設(shè)定重量 2.549927Lb
+3sig wt3.651062Lb
表 1表1顯示的是最終的ANSYS圓盤模型。輻射的熱交換器分析被用于對的圓盤的熱響應(yīng)進行量化和預(yù)報為輻射的和傳導(dǎo) 的熱量，以及用于建立作為結(jié)果的圓盤溫度分布。圓盤的溫度響應(yīng)是通過石英燈作為熱磁 通量源來進行分析的，每一盞石英燈都是在10千瓦，20千瓦和32千瓦下進行操作的?？梢?適應(yīng)任何能夠達到所需要的熱分布的具有適當(dāng)功率的石英燈。除此之外，也可以使用任何 適當(dāng)?shù)臒嵩磥磉M行分析，這些熱源具有在分析中建立的潛在的不同的特征的來源?？梢孕?仿的分析的結(jié)果被劃分，以確定時間與溫度和功率之間的關(guān)系，以及邊緣和鉆孔之間的溫 度分布。附圖2顯示了模型的邊界條件。石英加熱器的輸入是穩(wěn)定的常量，以及拋物線的 反射鏡幾何形狀被建模用于產(chǎn)生輻射的能量輸入，其與圓盤的表面一樣。在附圖3中顯示的是IOkW輸入的瞬間分析，其解釋說明了瞬間溫度的響應(yīng)，其中 鉆孔和邊緣的溫度與時間之比可以進行預(yù)報。通過完成在不同的功率水平下進行的相同的 分析，舉例來說，20kW和32kW，可以進行對功率、時間和圓盤溫度的分布的估計。這些分析 的結(jié)果顯示在附圖4和附圖5中，其中分別解釋說明了加熱器的功率和時間與溫度的關(guān)系。之前研發(fā)的ANSYSY模型被用于進行傳導(dǎo)性熱傳遞分析。系統(tǒng)的響應(yīng)以各種不同 的傳導(dǎo)性的熱傳遞系數(shù)進行，而且參數(shù)值被確定用于設(shè)定本文所揭示的測試工具。同樣地， 獨立的邊緣和鉆孔的碰撞冷卻效果也被進行分析，而且效果被進行量化。使用已知的分析方法對在模型的回轉(zhuǎn)體中的各個不同的位置上的熱交換系數(shù)(h) 進行估計。附圖6解釋說明了圓盤的邊界條件和傳導(dǎo)性的熱交換分析的結(jié)果。為了確定圓盤溫度分布和時間之比，可以采用瞬時的熱交換分析。在附圖7中顯 示了典型的瞬時響應(yīng)。人們將會注意到，附圖7顯示的是對傳導(dǎo)和碰撞的加熱和冷卻的圓 盤響應(yīng)。該結(jié)果被用于分析性地預(yù)報測試工具的有效性，尤其是對于加熱和冷卻系統(tǒng)而言。 分析是在變化的h值100，150，200 (BTU/hr-ft2 0F )條件下進行的。上文中關(guān)于h值的分 析的結(jié)果分別顯示在附圖7-9中?？梢栽跍y試工具中采用的對于碰撞冷卻系統(tǒng)的分析產(chǎn)生了多個有用的預(yù)報。舉例 來說，分析預(yù)報了作為實施例的回轉(zhuǎn)體的足夠的圓盤冷卻時間是可以獲得的。分析進一步 指出，可能會發(fā)生作為實施例的回轉(zhuǎn)體的從邊緣到鉆孔的溫度逆轉(zhuǎn)，其可以導(dǎo)致關(guān)鍵的膨 脹模式。除此之外，分析指出系統(tǒng)對h值是敏感的。這一分析的信息與輻射的加熱分析一 并被用于確定測試工具的配置和用于作為實施例的回轉(zhuǎn)體的TMF測試循環(huán)周期。在足夠的流動速度下，舉例來說，Ilbm/秒，70 T的工作溫度，和為可以效仿的 回轉(zhuǎn)體進行的設(shè)定選擇，舉例來說，配置冷卻空氣的噴嘴設(shè)置，預(yù)測h的值為100(BTU/ hr-ft2°F )，而且在全部的進一步的計算中使用。h值是測試物體的熱響應(yīng)的測量值，而且 可以在上文進行的分析的基礎(chǔ)上作出估計。真實的響應(yīng)可能是快速的，指明可以獲得更高 的h值，或者可能是緩慢減少的，指明可以獲得更低的h值。在實踐中，可以在經(jīng)驗結(jié)果的 基礎(chǔ)上，對測試工具的參數(shù)進行調(diào)整以補償在預(yù)測的h值中的變化。以上分析指明，在圓盤上的相反的溫度梯度是可能的，S卩，邊緣溫度小于鉆孔溫 度。這種狀態(tài)可以在測試過程中發(fā)生，舉例來說，如果鉆孔的冷卻不如邊緣的冷卻有效和/ 或鉆孔的室溫緩慢“蠕變”高于時間而導(dǎo)致逆向的溫度分布。作為溫度發(fā)生逆向的結(jié)果，圓 盤連接板可能膨脹并導(dǎo)致機械故障。進行圓盤的機械分析以計算關(guān)鍵溫度，其可以導(dǎo)致這一現(xiàn)象。之前討論的ANSYS模型被用于計算彎膨脹負(fù)載。理想的是，獲得最低的溫度差的保 守的預(yù)測，其可以導(dǎo)致基本的膨脹模型以有助于確保獲得關(guān)鍵的膨脹模型。對應(yīng)地，零(0) 旋轉(zhuǎn)速度被假設(shè)用于上文所進行的討論的計算中?！N重復(fù)的方案被用于確定關(guān)鍵的溫度分布AT邊緣/鉆孔，其可以導(dǎo)致圓盤膨 脹。在可以效仿的回轉(zhuǎn)體的分析模型中，鉆孔溫度相對于邊緣溫度逐步反復(fù)升高。可以發(fā) 現(xiàn)使用這一方法的二( 特征值和特征向量。由于分析是與沒有旋轉(zhuǎn)速度的假設(shè)一并進行 的，因襲沒有離心扶強，可以為關(guān)鍵溫度或者熱梯度確定保守的ΔΤ邊緣/鉆孔，其可以導(dǎo) 致圓盤膨脹。附圖10-11顯示的是預(yù)報關(guān)鍵的膨脹模型的實施例，其可以發(fā)生在關(guān)鍵的溫 度上。在0旋轉(zhuǎn)速度的條件下，如果Δ T邊緣/鉆孔高于155 °F或者更高的溫度，附圖10 顯示的基礎(chǔ)的圓盤膨脹模型是可以預(yù)報為可能發(fā)生的。附圖11顯示的是另外一個圓盤膨 脹模型，其預(yù)報發(fā)生的條件是ΔΤ邊緣/鉆孔高于392下。這些可以用于估計測試過程中 的可以效仿的測試部件的安全的操作范圍。舉例來說，測試過程中的無意識的測試部件的 嚴(yán)重故障可以通過使用安全警報的方式來預(yù)防，關(guān)閉或者其他的安全響應(yīng)，當(dāng)超過給定的 熱梯度值，以避免嚴(yán)重的膨脹模式的發(fā)生。在測試工具中，兩個熱電偶可以被監(jiān)控以計算邊 緣到鉆孔的溫度差。鑒于上文中對可以效仿的回轉(zhuǎn)體進行的討論，如果ΔT邊緣/鉆孔變 化很快，舉例來說，高于140 °F，可以啟動警報或者其他的報警裝置。如果圓盤開始旋轉(zhuǎn)，可 以效仿的報警裝置可以允許加熱器啟動以提供熱量來減少梯度。用于可以效仿的測試部件的若干其他的分析是可以采用的，包括熱偏差和離心偏 差分析，以確保在操作期間的足夠的定子/回轉(zhuǎn)體(輪隔片)清潔，以及熱應(yīng)力和離心力 分析為核實圓盤壓力，和壓力范圍，對于圓盤材料來說是可以接受的，以幫助防止或者減少 測試過程中的圓盤故障的風(fēng)險。這些分析包括可以使用的在回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上的刮片重量的效 果。附圖12-15顯示的是離心偏離/應(yīng)力分析和熱偏離/應(yīng)力分析的結(jié)果?？梢孕Х碌臏y試部件的分析結(jié)果被用于對可以效仿的測試部件的初步的測試工 具的配置和TMF測試循環(huán)周期進行限定。舉例來說，分析結(jié)果可以用于確定靜態(tài)的和旋轉(zhuǎn) 的儀器的使用，以設(shè)定或者控制安全參數(shù)，用于加熱和冷卻的系統(tǒng)的儀器的限制和/或設(shè) 計參數(shù)。人們將會理解，在真實的測試開始之前的可以效仿的測試部件的整個采用的分析 是非常有用的，它并不是在每一個循環(huán)周期中都是需要的。舉例來說，已知的數(shù)據(jù)或者已經(jīng) 建立的對于給定的部件的可以操作的參數(shù)的估計可以用于確定將用于對給定的部件進行 測試的測試工具的配置和循環(huán)周期。用于測試部件的現(xiàn)有的分析也可以用于預(yù)報施加在不 同的測試部件上的TMF響應(yīng)，對于不同的測試部件的響應(yīng)是已知的或者可以通過足夠的精 確度進行估計。根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法中的一個可以效仿的實施方案，所提供的測試工具可 以獲得等同變化的溫度梯度和在旋轉(zhuǎn)的測試物體上的機械張力梯度。測試工具可以估計燃 氣式渦輪發(fā)動機中的一些條件，以將TMF負(fù)載施加到測試物體上?？紤]到可以效仿的回轉(zhuǎn) 體作為測試物體，邊緣-鉆孔溫度的梯度可以是邊緣的峰值溫度，1000下。高密度的熱磁 通量被施加到測試物體的邊緣上以建立峰值溫度和測試物體上所需要的溫度梯度。溫度梯 度可以在大約500 范圍內(nèi)，其可以獲得，舉例來說，當(dāng)邊緣的峰值溫度達到大約1000 T時。測試工具可以在壓縮機和用于燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的渦輪部件中使用，適用于航空 器和陸地基礎(chǔ)的應(yīng)用，包括工業(yè)化的燃?xì)鉁u輪。在上文中進行討論的基礎(chǔ)上，可以在測試工 具中設(shè)定參數(shù)值，或者在進行真實的回轉(zhuǎn)體測試之前，舉例來說。石英燈的功率分布、循環(huán) 時間、旋轉(zhuǎn)速度分布和安全設(shè)定點都可以在測試工具中建立，設(shè)定為回轉(zhuǎn)體上的TMF測試?；剞D(zhuǎn)體的圓盤可以水平安裝或者垂直安裝，這取決于測試工具的配置。在可以效 仿的回轉(zhuǎn)體中，圓盤是刮片式的，和刮片可以安裝在圓盤的刮片安裝器中。任選的獨立的刮 片安裝器，舉例來說，可以使用Ni-chrome帶，盡管獨立的刮片安裝器通常都不是組件中的 一部分。在測試過程中，全部的刮片都維持在回轉(zhuǎn)體上。測試工具包括用于安裝測試部件的腔室，其可以經(jīng)受TMF負(fù)載。驅(qū)動馬達具有驅(qū) 動軸，安裝驅(qū)動馬達是用于允許驅(qū)動軸可以延伸到腔室中。驅(qū)動軸可以是一種中空的驅(qū)動 桿。支架可以安裝在驅(qū)動軸上，以用作的測試部件的安裝結(jié)構(gòu)，舉例來說，回轉(zhuǎn)體。驅(qū)動馬 達可以是渦輪驅(qū)動的，其在壓縮的空氣補給條件下進行操作。壓縮空氣可以調(diào)整為用于控 制馬達的速度，舉例來說，半影控制。腔室可以是可以選擇的或者是部分密封的，以允許變 化的壓力可以適用到腔室中。舉例來說，壓力作用下的流體，舉例來說，氮氣或者空氣可以 引導(dǎo)到腔室中。除此之外，真空可以被吸入到腔室中以以允許TMF負(fù)載可以以較小的干擾 來進行施加。在真空腔室的情況下，輻射的熱源可以用于傳遞熱負(fù)荷和測試部件上的熱梯 度?？梢允褂萌魏晤愋偷鸟R達驅(qū)動來執(zhí)行機械負(fù)荷通過離心力的操作，包括以電子和磁力 為基礎(chǔ)的驅(qū)動。由于監(jiān)控TMF回轉(zhuǎn)體的溫度的真實的時間是需要的，傳感器可以安裝在測試工具 上的特定的位置上或者安裝在回轉(zhuǎn)體上，以跟蹤徑向的溫度分布。頂傳感器可以用于對溫 度進行感應(yīng)，但是可能會經(jīng)歷來自有石英燈系統(tǒng)所產(chǎn)生的高偏離的輻射的干擾，其可能導(dǎo) 致測量值的誤差。表面安裝的K型熱電偶也可以用于進行溫度的測量。在目前的測試實施例中，熱電偶組可以用于跟蹤從邊緣到鉆孔的圓盤半徑范圍內(nèi) 的溫度梯度。舉例來說，可以使用兩組四個⑷熱電偶并且可以布局用于對溫度進行測量 和對熱梯度進行確定。可以效仿的熱電偶的位置是在作為實施例的回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動的邊緣、 連接板、螺栓圓周和鉆孔上。任選的傳感器可以用于監(jiān)測刮片的溫度。附加的熱電偶可以 安裝在支架上以監(jiān)測熱電偶的導(dǎo)線傳動點。可以改變熱電偶中使用的K型導(dǎo)線以允許被覆 蓋的直徑可以安裝到中空的驅(qū)動桿中，其最后將在觀接觸滑片邊緣上停止。附圖17對在 測試工具中的回轉(zhuǎn)體上的可以效仿的配置中的熱電偶的位置進行了舉例說明。可以使用高溫粘合劑通過適當(dāng)?shù)膹埩Νh(huán)來將小型軸承TC導(dǎo)線連接到圓盤上。在 中空的驅(qū)動桿的入口，導(dǎo)線可以改變?yōu)楦采w式的，以防止變短和發(fā)熱。熱電偶的位置可以選 擇為在圓盤上能夠產(chǎn)生均衡的重量分布。舉例來說，理想的熱電偶的位置可以選擇用于進 行溫度的測量，以及熱電偶的位置，或者均衡的質(zhì)量位置，都可以被選擇為獲得在圓盤上的 平均的重量分布。具有所述的均衡分布，在TMF負(fù)載作用下的圓盤特性將不會收到儀器的 顯著的影響。熱電偶可以提供實時的溫度數(shù)據(jù)，可以用于與預(yù)測的分別進行對比?？梢赃x擇的 是，靜態(tài)張力的計量器可以用于測量機械應(yīng)力或負(fù)載?？梢圆捎媚承┓婪洞胧﹣肀Ｗo位于 邊緣和連接板區(qū)域中的張力計量器免受過高的溫度。除此之外，或者可以替換的是，測量設(shè)備，舉例來說，熱電偶，可以確定位置和用于監(jiān)測在測試工具自身中的條件。舉例來說，附加 的儀器可以用于監(jiān)測石英燈和燈具固定夾之間的電連接。測試工具可以具有數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) (DAQ)，以便記錄和測量圓盤和輪隔片的溫度。控制器，舉例來說，可以是一種可編程的邏輯 控制器(PLC)，通過對傳感器和其他的設(shè)備參數(shù)進行采樣的方式來獲取數(shù)據(jù)。所獲取的數(shù)據(jù) 可以用于提供適用于測試工具的閉環(huán)控制，而且也可以用于記錄以提供測試條件的記錄內(nèi) 容?？刂破鞯牟蓸勇适强梢哉{(diào)節(jié)的，以致可以對TMF負(fù)載的循環(huán)周期進行數(shù)據(jù)的改變量的 控制。一旦作為實施例的回轉(zhuǎn)體和/或測試工具根據(jù)需要進行裝備，測試周期就可以開 始將TMF負(fù)載施加到回轉(zhuǎn)體上。人們將會理解，可以使用多變的儀器裝備或者這些裝備的 改變可以在測試工具中忽略，這取決于所需要進行的測試和/或測試部件。除此之外，儀器 可以用于對測試工具進行控制。根據(jù)在此揭示的內(nèi)容的測試工具中的裝備和控制系統(tǒng)可以允許TMF負(fù)載根據(jù)各 種不同的分布或控制策略而被施加到測試部件上。舉例來說，控制的執(zhí)行可以使用儀器反 饋來引起旋轉(zhuǎn)圓盤中的真實的熱梯度，其模擬燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的操作條件。真實的熱梯 度的實施例可以具有的溫度范圍是，在旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣處是在大約450下到大約1400 °F之 間，在旋轉(zhuǎn)圓盤的鉆孔處是在大約300下到大約600下之間?？刂撇呗钥梢园ㄔO(shè)定點或 者循環(huán)分布，以達到所需要的測試目標(biāo)，舉例來說，使循環(huán)的加熱和冷卻時間最小。此外，控 制策略還可以根據(jù)給定的分布來施加等同的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷，舉例來說，通過在熱負(fù)荷 和之后的機械負(fù)荷的應(yīng)用之間設(shè)定特定的相位。舉例來說，機械負(fù)荷或者機械應(yīng)力可以是 離心力的形式?？刂葡到y(tǒng)可以提供控制以產(chǎn)生被控制的可變的熱梯度，舉例來說，從回轉(zhuǎn)體的邊 緣到鉆孔上的熱梯度。熱梯度可以是線性的，非線性的或者是線性的和非線性的結(jié)合，而且 可以在圓盤旋轉(zhuǎn)的過程中使用或修改?？刂葡到y(tǒng)可以在一段特定的循環(huán)周期內(nèi)維持熱梯度 和旋轉(zhuǎn)速度?？刂葡到y(tǒng)也可以允許旋轉(zhuǎn)速度和圓盤溫度上的同等的改變。舉例來說，回轉(zhuǎn) 體的溫度可以通過使用加熱和冷卻系統(tǒng)來進行控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度被調(diào)節(jié)時，加熱和冷卻系 統(tǒng)可以通過控制系統(tǒng)來激活。舉例來說，對于多個TMF循環(huán)周期或者是結(jié)合的低循環(huán)疲勞 (LCF)/TMF循環(huán)周期而言，控制系統(tǒng)也可以允許進行熱梯度和包括機械負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用。 為了應(yīng)對寬泛的改變，可以測量好幾萬次的循環(huán)周期的測試工具可以進行編程。除此之外， 控制系統(tǒng)可以允許將可以控制和可以重復(fù)的TMF負(fù)載條件施加到大量的測試工具上，其可 以為經(jīng)營性分析提供對比數(shù)據(jù)，以及成套的標(biāo)準(zhǔn)或者控制條件。通?？梢垣@得石英燈的相對高的精度控制，將石英燈的有吸引力的部分制作為熱 源。石英燈可以提供在可編程的功率輸入中，其可以系在回轉(zhuǎn)體的速度控制上，以根據(jù)需要 產(chǎn)生速度-溫度斜度。舉例來說，一種可編程的邏輯控制器(PLC)可以連接到一個或更多 的石英燈上，而且可以連接到旋轉(zhuǎn)的速度控制器上，以允許具有特定的旋轉(zhuǎn)速度分布的熱 梯度的同步應(yīng)用。PLC可以用于控制石英燈的開/關(guān)，功率級別或者熱級別。舉例來說，PLC 可以具有反饋環(huán)，其控制和監(jiān)控石英燈的功率或者石英燈的熱輸出。具有所述的布置，PLC 可以控制石英燈來產(chǎn)生可變的功率或者熱輸出。操作分布包括，舉例來說，在給定點上的操 作或者在時間范圍內(nèi)產(chǎn)生線性的和非線性的斜度。從空間和包裝點，石英燈系統(tǒng)可以用于 提供于熱源緊密連接的低分布。石英燈的控制系統(tǒng)也可以用于測量設(shè)定點，其可以被激活以開始進行其他的測試順序功能，舉例來說，為回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動啟動和停止冷卻空氣的流動 和設(shè)定速度停留時間。測試工具可以提供包括多個階段的測試循環(huán)周期。舉例來說，循環(huán)周期可以由以 下幾個部分組成圓盤的周圍操作條件；圓盤旋轉(zhuǎn)速度和圓盤溫度的同步增加；建立和維 持邊緣-圓盤或者圓盤-邊緣的熱梯度；以及進行制冷和降低周圍的速度。許多其他的結(jié) 合或者順序?qū)τ诳刂葡到y(tǒng)來說也是可能的。除此之外，舉例來說，上文中所描述的一個順序可以重復(fù)進行多次循環(huán)。可以在各 種不同的循環(huán)中引入改變，例如，通過改變設(shè)定點或者其他參數(shù)值的方式。舉例來說，用于 形成熱梯度的應(yīng)用溫度可以在多個循環(huán)周期中通過控制應(yīng)用到石英燈上的功率或者通過 控制加熱時間來提高、維持或者降低。根據(jù)一個可以效仿的順序，真空被吸入到測試工具的腔室中。在旋轉(zhuǎn)加速期間，空 氣動力的加熱和負(fù)載可以減低循環(huán)周期的時間和改變所希望的熱值。通過在加速期間抽取 腔室中的空氣，可以很快地獲得所需要的旋轉(zhuǎn)速度，而對空氣動力的加熱產(chǎn)生很小的影響。 在冷卻期間，碰撞的空氣可以引導(dǎo)用于制冷和降低測試中的圓盤，可以潛在地進一步縮短 循環(huán)周期的時間。上文中描述的測試使用了控制策略的建立內(nèi)容，其可以與旋轉(zhuǎn)速度、真空、加熱、 停留時間和冷卻順序結(jié)合在一起。同樣地，測試用具、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAQ)和測試工具可以 以這樣一種方式進行操作，即在安全和節(jié)約的有效環(huán)境中獲取所需要的數(shù)據(jù)。各種不同的加熱和冷卻系統(tǒng)可以在測試工具中使用以便建立理想的熱梯度。以下是一些實施例 碰撞(對流)加熱 感應(yīng)性加熱 激光加熱 石英燈加熱，單獨地和/或在真空中 空氣動力加熱 上述幾種方式的結(jié)合冷卻系統(tǒng)的某些實施例是制冷部件冷卻和碰撞冷卻?？梢允褂媚軌虍a(chǎn)生具有所需要的溫度的理想的梯度的任何其他類型的加熱或者 冷卻設(shè)備或者技術(shù)。熱源應(yīng)該是可以在測試物體上產(chǎn)生所需要的溫度梯度的，測試物體以 需要的速度進行旋轉(zhuǎn)以獲得本文所揭示的系統(tǒng)和方法中的物體。所產(chǎn)生的熱磁通量足以連 接到測試物體上的負(fù)載區(qū)域，以防止從測試物體的熱特征的偏離輻射，其與所需要的測試 是不相干的。不足的熱磁通量可能降低達到理想的梯度的效率。足夠的和特定的熱磁通量 連接可以通過這樣的方式獲得，舉例來說，將能量聚集在緊密的圓環(huán)中，采用熱損耗或者合 成的冷卻策略。舉例來說，熱梯度可以從直接的熱源中產(chǎn)生，通過從直接的加熱源中屏蔽一 部分測試部件，以允許該部分進行間接加熱。測試部件也可以被構(gòu)造為在部分或者全部中 具有有限的部件輻射量，舉例來說，通過在測試部件上使用覆蓋層，例如，黑色的高溫涂料。關(guān)于感應(yīng)性加熱，在包括具有薄的刮片作為測試物體的回轉(zhuǎn)體的應(yīng)用中，施加到 圓盤邊緣上的熱能量也可以對刮片進行加熱。加熱的薄的部分，舉例來說，后程高壓壓縮機 (HPC)的刮片可以代表圓盤，就是由于所導(dǎo)致的渦流收集幾乎自由的邊緣形成過熱和局部熔化。感應(yīng)性加熱在對大型的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的加熱是有效的，所述的大型旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在幾何形狀 上具有少量的改變，舉例來說，半成品的音速外形或者材料的測試樣品。用作定位加熱器的激光賦予聚焦能量一定的能力。然而，相對高的費用和對于高 能激光有時難以獲得的情況可能對選擇產(chǎn)生實際的影響，舉例來說，熱源。這些年，石英燈技術(shù)對現(xiàn)有技術(shù)做出很大發(fā)展，其在制造方面具有很多用法。工業(yè) 上的加工工藝，舉例來說，熱處理和熱加工通過石英燈的加熱來已經(jīng)獲得顯著的優(yōu)勢。功率 密度可以相對高，同時燈具在4000 T的溫度下工作。更優(yōu)的是，水冷卻的鋁反射鏡可以用 于從所述的窄帶寬的燈具中聚焦能量，其可以潛在地復(fù)制壓縮機的流動路徑的加熱效果。在使用快速加熱率、精確控制和迅速的熱打開和關(guān)閉時間的應(yīng)用中的石英鹵素?zé)?是有效的。石英燈通過使用具有穿透力的短波紅外線輸出來提供聚焦的熱，其可以直接加 熱到測試物體的深度中，從而產(chǎn)生更為均勻的物體加熱。石英鹵素?zé)舭ㄊ舻耐馓?，其可以抵擋相對高的溫度。燈具的燈絲與，舉例來 說，白熾燈，相比更粗，其可以提高燈具的使用壽命而增加發(fā)射面積。燈絲是螺旋纏繞的金 屬鎢，其包裹在石英燈的外套中。金屬鎢具有相對快速的響應(yīng)，其具有電阻元件，而且能夠 經(jīng)受超過2750 T的溫度。石英燈的外套允許傳遞紅外線能量，同時保護燈絲免受傳導(dǎo)性冷 卻和腐蝕。石英燈的外套可以拆除和填充惰性氣體的?？梢蕴砑由倭康柠u素氣體以延長作 為發(fā)射體進行操作的燈絲的使用壽命。大部分的金屬鎢燈絲石英燈的額定壽命是大約5000 小時。實際的使用壽命通常取決于應(yīng)用和環(huán)境嗎，而且可以比額定壽命更長或者更短。石英鹵素?zé)舻臒艚z在與當(dāng)前使用的加熱應(yīng)用中的燈絲相比是較小的，其允許輸出 的熱能量可以任意地超西歐昂目標(biāo)進行聚焦。燈具可以作為線性發(fā)射器或者點源發(fā)射器來 獲得。使用線性發(fā)射器和橢圓形的反射鏡的形狀，燈的能量可以改變方向到細(xì)線上。橢圓 形的反射鏡可以與點源燈具一并使用，以便將能量聚焦到點上。類似的反射鏡產(chǎn)生平行的 光線(光線不是展開的)，并導(dǎo)致熱的窄帶。反射鏡可以用鏡鋁、陶瓷或者其他的金屬制成。 鋁制反射鏡系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，其可以不斷被冷卻而不會變?yōu)榧t外線的重要的發(fā)射器。舉例 來說，鋁也可以被拋光以反射和聚焦超過90%的伴隨能量。具有經(jīng)過制冷的鋁的反射鏡的石英燈允許非接觸性的熱交換，其在將熱適用到移 動物體上是非常有用的。所述的配置在本文所揭示的測試工具中實施方案中使用，以獲得 在回轉(zhuǎn)體上的TMF負(fù)載。附圖18解釋說明了布置在圓盤或者環(huán)形配置中的石英燈加熱器， 其將高熱的磁通量適用到測試物體的外部邊緣的一側(cè)上。對應(yīng)類似的布置可以提供用于將 高熱的磁通量適用到測試物體的另外一側(cè)上。附圖19舉例說明了具有把持夾具和安裝結(jié) 構(gòu)的石英燈配置。施加到測試物體上的溫度和熱梯度是通過加熱系統(tǒng)和由冷卻系統(tǒng)所提供的制冷 進行控制的。根據(jù)本文所揭示的實施方案，碰撞冷卻系統(tǒng)可以用于溫度和梯度的控制，而 且，舉例來說，可以用于移除熱梯度。一種有效的碰撞冷卻系統(tǒng)可以用于冷卻圓盤的邊緣和 /或鉆孔，這些圓盤的邊緣和/或鉆孔是位于作為測試物體的回轉(zhuǎn)體的實施例中的，根據(jù)各 種不同的標(biāo)準(zhǔn)，其可以是定制的。舉例來說，冷卻系統(tǒng)可以在參數(shù)，舉例來說，所需要的冷卻 時間、數(shù)量和碰撞流體的物理特性，舉例來說，空氣、壓力、溫度和流動速度，的基礎(chǔ)上進行 特定化。冷卻系統(tǒng)可以部分基于傳導(dǎo)性的熱交換系數(shù)(h)的估計的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。此外， 在碰撞流體的情況下，噴嘴方向、位置和數(shù)量可以是有選擇性的，以獲得所需要的制冷率或者參數(shù)。在一種基本形式中，傳導(dǎo)性的熱交換可以用以下方程式表示Q/A = h (To-Ta)其中，Q/A=熱磁通量 Btu/hr ft2h =熱交換系數(shù) Btu/hr ft2 °FTa =自由源的溫度。FTo =壁的溫度。F傳導(dǎo)性熱交換器的機械裝置是通過邊界層進行傳導(dǎo)的。h的實際值和流體的類型， 即，受力的，自由的，層流或者渦流，確定了圓盤的熱交換，從而確定圓盤溫度和時間之間的 關(guān)系。h值的準(zhǔn)確確定是超過在此公開的范圍的，并且將不會在本文中進行詳細(xì)的討論。各 種不同參考文獻，舉例來說，通過引證并入本文的參考文獻，對用于確定h值的方法進行了 更為深入的描述?？梢孕Х碌呐鲎怖鋮s系統(tǒng)使用以下參數(shù)進行設(shè)計總流量(Q) = Ilbm/秒運送空氣 假設(shè)邊緣和鉆孔碰撞空氣在相同的時間內(nèi)施加Q邊緣最大值=0. 7Ibm/秒directedO邊緣Q鉆孔最大值=0. 3Ibm/秒directedO邊緣 70°F可用運送空氣· 115PSIA可用運送空氣這些參數(shù)可以在上文討論的圓盤熱分析中使用。碰撞空氣的流動可以進行均勻地 分布在圓盤的邊緣和鉆孔來進行處理了。如果碰撞空氣的分布是不均勻的，將不會獲得在 分析中所使用的h值，而且冷卻時間可能要比預(yù)測的時間長。在可以效仿的實施方案中，回轉(zhuǎn)體邊緣的兩側(cè)都是碰撞制冷的。所述的配置將有 助于避免在邊緣上的過多的熱量分布，而且也可以在連接板中實現(xiàn)最少量地膨脹。碰撞流 體可以當(dāng)作通過孔口的阻流進行處理，而且可以通過以下方程式進行確定。Q = CAP[G K M/TR]1/2 [2/(k+1) ] [k+1/(2k"2)]其中Q=流動速度(lbm/秒)C=釋放系數(shù)0.8A=噴嘴面積(in2)ρ =壓力(PSIA)G = 386. 04 (ft/秒 2)K =特定的熱比例=1. 4 (空氣)M，R=通用氣體常數(shù)T =絕對溫度=520 ( T )假設(shè)到每一個噴嘴上的流體是均勻的，而且噴嘴的數(shù)量是已知的，那么就可以確 定噴嘴的尺寸。為了使施加在系統(tǒng)上的壓力最小，上流管道的尺寸可以通過將面積比維持 到5-10 1的范圍內(nèi)來進行確定，其可以使上流的流體流動速度最小。類似的方法可以用 于確定鉆孔的碰撞管道設(shè)計。額外的設(shè)計參數(shù)可以噴嘴相對于圓盤的定位。
為了使得碰撞的效果最大化，可以確定噴嘴的方向以致碰撞的流體可以以一定的 角度流動到旋轉(zhuǎn)的圓盤上。具有角度的碰撞流體與旋轉(zhuǎn)的圓盤表面的結(jié)合可以導(dǎo)致有效的 碰撞流動，其與圓盤的表面正交。已知圓盤的旋轉(zhuǎn)速度，舉例來說，12，000RPM，碰撞噴出速 度，那么就可以確定相對的角度。在測試循環(huán)周期的一部分中，當(dāng)實施碰撞冷卻時，回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)速度可能減少數(shù) 千RPM，就是由于在回轉(zhuǎn)體和刮片上的空氣拖曳所導(dǎo)致的氣流紊亂。碰撞噴嘴可以以固定 的方位來提供，其被配置為平均的回轉(zhuǎn)體的速度操作?？梢孕纬善渌膶儆趧恿W(xué)的或者 是由速度決定的碰撞冷卻布局。在固定噴嘴方位的情況下，碰撞冷卻對于某些速度范圍可 能是效率較低的。如果需要，可以以理想的速度范圍來準(zhǔn)備其他的冷卻以提供額外的冷卻。 舉例來說，冷卻的氣體，比如，氮氣或者是被冷卻的空氣可以選擇性地適用到碰撞噴嘴中。作為一種任選的碰撞，石英燈固定夾和電連接可以配置有熱擋板以保護所述部件 免受空氣渦輪和輻射的熱量的影響。自旋式測試的工具的布置可以為給定的測試物體提供碰撞冷卻和溫度測量方面 的考慮。舉例來說，進入到支架上的冷卻多支管可能是受到限制的。在所述情況下，兩個 (2)鉆孔的噴嘴可以安裝到鉆孔的次腔室中，以確保足夠的冷卻效率。被重壓入圓盤的鉆孔 中的支架防止進入到鉆孔的上層空腔中，而且可以減少圓盤鉆孔的碰撞冷卻到一側(cè)上。根據(jù)可以效仿的實施方案，16邊的噴嘴被布置在測試工具中，在圓盤的每一側(cè)上 布置8個，其中邊緣噴嘴的直徑是0. 194英寸和邊緣的噴嘴面積是0.0296平方英寸。除此 之外，有兩個噴嘴被布置在鉆孔中，其中一個鉆孔噴嘴的直徑為0. 2998英寸和鉆孔的噴嘴 面積為0. 07059平方英寸。完整的系統(tǒng)布局和尺寸顯示在附圖20-22中。由于有限的邊緣碰撞覆蓋，估計最大的h值為75-100之間。作為實施例的回轉(zhuǎn)體 中，鉆孔碰撞的冷卻系統(tǒng)可以包括額外的或者更多的對于重大膨脹的溫度的監(jiān)控。用于冷卻的碰撞空氣的使用在測試工具的操作和響應(yīng)中可以具有其他含義。在測 試工具中使用的驅(qū)動馬達可以用于操作馬達的驅(qū)動，以及補給碰撞的冷卻空氣。當(dāng)在自旋 式測試期間，碰撞的冷卻空氣被施加到測試工具上時，驅(qū)動馬達的最高速度將會被降低。對 應(yīng)地，TMF出循環(huán)周期可以影響最大的RPM，驅(qū)動渦輪可以維持。附圖23顯示的就是工具和 空氣系統(tǒng)的流程圖。除此之外，在某些環(huán)境中可能會出現(xiàn)這樣的情況，空氣動力加熱在對部分循環(huán)周 期的冷卻中提高圓盤溫度。對這些事件和參數(shù)值的預(yù)報與刮片在回轉(zhuǎn)體的配置中是復(fù)雜 的。可以被量化的其他效果包括流入刮片中的空氣流的方式和在測試空腔中建立的壓力。 在其他的實施方案中，驅(qū)動馬達，腔室中的大氣壓為15PSIA，可以維持在數(shù)千RPM。在一個 可以效仿的測試中，驅(qū)動馬達能夠維持在4500RPM，次腔室中的壓力可以設(shè)定足夠低，以致 空氣動力加熱不會在對圓盤膨脹的響應(yīng)中產(chǎn)生問題。在上文中所討論的測試工具配置的可以效仿的測試中，回轉(zhuǎn)體用作測試部件，其 是一種實際的刮片式高程壓縮機的回轉(zhuǎn)體。測試工具被配置為通過使用電阻加熱元件將熱 梯度施加到回轉(zhuǎn)體上。使用上文中所描述的分析方法和模型技術(shù)，預(yù)測的邊緣-鉆孔的熱 梯度被確定為450下。在實踐中，實際的熱梯度達到225下到250下。測試中的回轉(zhuǎn)體的 邊緣溫度最大達到大約700 T。在測試過程中產(chǎn)生的實際的熱梯度小于在模型和分析階段 所預(yù)測的熱梯度。減少的熱梯度是由于輻射的熱量分布是在回轉(zhuǎn)體的圓盤和連接板的兩側(cè)的。從回轉(zhuǎn)體的邊緣到連接板上的熱損失，與連接板的熱發(fā)射率相連接，指明可以執(zhí)行回轉(zhuǎn) 體測試中的不同的測試設(shè)定獲得需要的測試條件和結(jié)果。輻射的熱量分布部分源于從測試 物體間隔一段距離的熱源，并且缺少聚焦的熱磁通量。此外，模型和分析的參數(shù)可以升級為與實際的測試條件之間的更好的相關(guān)性。舉 例來說，用于預(yù)測邊緣溫度為1000 梯度為450 峰值的模型假設(shè)僅僅是徑向范圍大 約為0. 5英寸，將會經(jīng)歷熱磁通量，而沒有熱磁通量施加到連接板中。通過升級模型和分析 拉力反應(yīng)出實際的測試條件和可以替換或者是額外的加熱和/或冷卻源，可以獲得給既定 的部件提供更好的預(yù)報。根據(jù)另外一個可以效仿的測試，測試工具被操作為變化的控制系統(tǒng)和測試工具的 功能。真空、控制、使用儀器的標(biāo)度、安全系統(tǒng)、過速度限制器、石英燈加熱、碰撞冷卻和石英 燈加熱水冷卻系統(tǒng)都是可以改變和刻度的。啟動控制系統(tǒng)和根據(jù)需要調(diào)節(jié)控制邏輯。除此 之外，控制啟動順序被確定，其允許對測試工具進行全自動控制。在完成一個完整的TMF測 試循環(huán)周期之前，若干的“減少的”循環(huán)周期可以完成，具有可以效仿的參數(shù)值為圓盤邊緣 的8000RPM和650 T。作為結(jié)果的數(shù)據(jù)被進行分析和與所希望的數(shù)據(jù)進行比價，以校驗測 試工具的操作。在完成這一測試的過程中，測試工具對于TMF測試來說是可以獲得的。作 為初始的測試工具操作的結(jié)果，可以獲得在受控的經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行的大量觀測。舉例來說，研究人員觀察到，碰撞冷卻系統(tǒng)與預(yù)報相比更為有效。觀察到的碰撞 冷卻系統(tǒng)的流動速度是大約lib/秒，其與預(yù)報值相吻合。也可以觀察到渦輪驅(qū)動維持在 4500RPM,而碰撞冷卻空氣是在最大的驅(qū)動空氣流動速度。石英燈加熱器可以如同所預(yù)測的 那樣允許，以及可以觀察到圓盤速度控制的操作是令人滿意的。最初的測試顯示圓盤的熱 梯度是可以控制和可以重復(fù)的。附圖M顯示的是，對于上文中可以效仿的測試工具的操作的TMF測試循環(huán)周期的 數(shù)據(jù)。附圖M中的圖表顯示操作參數(shù)和操作系統(tǒng)是全自動的。溫度控制環(huán)顯示為在測試 期間是啟動的。工具的空氣和真空通過控制系統(tǒng)的控制是循環(huán)的。圓盤的速度和溫度也是 循環(huán)的，以及重大的圓盤膨脹溫度通過邊緣和螺栓孔的熱電偶進行監(jiān)控。根據(jù)另外一個可以效仿的實施例，根據(jù)在此揭示的系統(tǒng)和方法的TMF測試可以使 用石英燈加熱器進行加熱，以建立和維持圓盤的溫度分布，舉例來說，邊緣-鉆孔溫度梯 度。加熱源的有效性和所使用的功率在確定用于將圓盤從室溫加熱到最大的理想溫度的時 間中是非常重要的。石英燈加熱器可以用于建立真空中的熱梯度，其被吸入到腔室中以減 少施加在正在加速的回轉(zhuǎn)體上的機械負(fù)荷。石英燈加熱器可以對邊緣進行輻射加熱，其熱 量從邊緣弓I導(dǎo)通過連接板進入到鉆孔中。從以上進行的建模分析中可知，正如在附圖5中所指出的那樣，石英燈的功率是 20kW，希望其能夠提供峰值溫度。在石英燈的加熱系統(tǒng)的效率中的功率級別是良好的，其具 有的最大功率級是36kW。在實際的測試中，可以對石英燈進行調(diào)制，以便能夠達到所需要的溫度并維持該 溫度。因此，實際的石英燈的功率不是必須恒定的。所使用的儀器，舉例來說，熱電偶可以 用于讀取石英燈的功率。邊緣溫度/時間讀數(shù)可以在測試期間讀取，以確定在附圖5中所 顯示的預(yù)報之間的關(guān)聯(lián)性，以及邊緣的溫度獲得在附圖4中所解釋說明的預(yù)報。作為實施例的回轉(zhuǎn)，體的TMF測試循環(huán)周期可以進行如下限定
操作的 RPM :1200 < = RPM < = 12000 周圍溫度=300 °F 最大的邊緣溫度=950 °F 最大的邊鉆孔溫度=450 °F 停留時間&最大的邊緣溫度/RPM = 100秒 冷卻時間100-120秒 建立周圍環(huán)境溫度的時間=60秒 圓盤加速和熱初始化之間的延遲時間5秒 總的循環(huán)周期時間 225秒 冷卻空氣的最小RPM =4000-8000以上參數(shù)可也在控制系統(tǒng)中定義，以用于執(zhí)行所需要的測試循環(huán)周期。使用這些 參數(shù)進行的預(yù)測的循環(huán)周期和測試響應(yīng)顯示在附圖16中。在可以效仿的實施方案中，運行的是使用以上的參數(shù)的四個⑷TMF循環(huán)周期，正 如在附圖25中所解釋說明的那樣。循環(huán)周期被設(shè)計為TMF00，TMFO1, TMF02和TMF03。在 TMFOl的末端和TMF02的開始之間的間隔的時間表示的是參數(shù)的設(shè)定點的改變，由于允許 控制系統(tǒng)的配置。正如將要在下文中進行更為詳細(xì)的描述那樣，具有碰撞冷卻系統(tǒng)的TMF測試結(jié)果 超出預(yù)期值，而且與預(yù)期值相比，顯示為更加快速的冷卻冷卻時間。正如在附圖25- 中所 顯示的那樣，可以令人滿意地獲得測試觀察。舉例來說，建立的可以重復(fù)的圓盤溫度梯度為 T邊緣=T950 0F，T鉆孔=350-370 0F。溫度梯度和圓盤RPM是同時進行循環(huán)的。研究人 員觀察到，螺栓孔溫度在時間上變化是“緩慢的”，循環(huán)周期TMFOl中的TW1 = 342 °F和循環(huán) 周期 TMF03 中的 Tbh = 381 °F。石英燈加熱系統(tǒng)根據(jù)需要進行操作，而且控制系統(tǒng)可以適當(dāng)進行操作?？梢杂^察 到邊緣和鉆孔碰撞的冷卻系統(tǒng)是有效地進行工作的。計劃中的全部的循環(huán)周期時間為 220秒。圓盤在溫度和速度方面是可以重復(fù)進行循環(huán)的。同樣地，在測試期間，可以觀察到 若干數(shù)據(jù)項目，包括圓盤的鉆孔溫度，其比預(yù)期的溫度更低，是 100下。正如所進行比較 的那樣，123 0F < =鉆孔測試< =371 0F vs300 0F < =鉆孔測試< =450 0F。與預(yù)測值的偏 離的鉆孔溫度差可以是由于出現(xiàn)了圓盤支架，其不是包括在初始的建模分析中的。循環(huán)周期中的熱量停留時間可以通過修改控制系統(tǒng)的參數(shù)來控制，舉例來說，改 變用于控制熱停留時間間隔中的設(shè)定點的值，或者通過改變石英燈的功率來進行。在測試 的循環(huán)周期中，可以觀察到均衡的圓盤溫度分布在空轉(zhuǎn)(1200PRM)是不能建立的。這一結(jié) 果有助于支架作為熱接收槽進行工作。測試循環(huán)顯示邊緣和連接板的溫度分布可以是和可以再次建立。測試循環(huán)周期中 的碰撞冷卻時間小于預(yù)測的測量52秒與120秒之比。冷卻時間的差值有助于形成更高的 保守?zé)醾鬟f系數(shù)。研究人員發(fā)現(xiàn)，圓盤邊緣的輻射加熱的時間能夠很好地與預(yù)測試估計吻合。分析 預(yù)測石英燈的30秒內(nèi)加熱使用的功率為20kW，周圍環(huán)境的初始溫度(300 T )以及溫度梯 度是21.874下/秒。測試數(shù)據(jù)顯示在下面的表格2和表格3中，其顯示為與預(yù)測的情況很 好地吻合。
權(quán)利要求
1.一種用于在測試物體上產(chǎn)生聯(lián)動的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自旋式試驗臺，其用于支撐和自旋式測試物體以便能機械式地負(fù)荷到測試物體上；具有輸出端的熱源，其被熱連接到測試物體的一部分上，以致從熱源上施加到該部分 上的熱量能夠在測試物體進行旋轉(zhuǎn)的過程中在測試物體上形成熱梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中熱源包括輻射熱源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中輻射熱源是石英燈。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，進一步包括在石英燈附近定位的反射鏡，以便允許從石英 燈施加的熱量能夠聚焦在部分上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，進一步包括具有輸出端的制冷源，其被熱連接到反射鏡上， 以便對反射鏡進行制冷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括具有輸出端的冷卻源，其被熱連接到測試物體 上，以便對測試物體進行冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中冷卻源進一步包括碰撞冷卻源，其可以被操作用于將 經(jīng)過碰撞冷卻的液體提供給測試物體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中自旋式試驗臺包括用于放置測試物體的可選擇的能夠 密封的腔室。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，進一步包括真空源，其連接到腔室中用于抽取腔室中的空氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括連接到自旋式試驗臺和熱源上的控制器，控制 器可以被操作用于將信號提供給自旋式試驗臺，以便能以可變的速度來自旋式測試物體， 和在測試物體旋轉(zhuǎn)時，可以被進一步操作用于將信號提供給熱源，以便對熱源進行控制，從 而將數(shù)量可變的熱量提供給測試物體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，進一步包括連接到冷卻源上的控制器，冷卻源包括熱連 接到測試物體上的以便對測試物體進行冷卻的輸出端，控制器可以被操作用于將信號提供 給冷卻源，以在測試物體旋轉(zhuǎn)時對冷卻源進行控制，從而將數(shù)量可變的冷卻提供給測試物 體。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，進一步包括控制器，其可以被操作用于將信號提供給自 旋式試驗臺和熱源，以獲得熱梯度和機械負(fù)荷之間的特定的相位差。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中測試物體是燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機的回轉(zhuǎn)體。
14.一種用于在測試物體上產(chǎn)生聯(lián)動的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的方法，該方法包括自旋式測試物體以便能機械地負(fù)載到測試物體上；將熱量施加到旋轉(zhuǎn)的測試物體的一部分上，以便在旋轉(zhuǎn)的測試物體上產(chǎn)生熱梯度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進一步包括通過輻射熱源將熱量施加到部分上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，進一步包括將石英燈作用輻射熱源。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，進一步包括將石英燈施加的熱量聚集到部分上。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進一步包括從測試物體中析出的熱量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，進一步包括通過碰撞冷卻從測試物體中析出的熱量。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進一步包括在測試物體的周圍圍繞布置真空。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進一步包括以與施加到測試物體上的可變的熱量相等同的可變的速度來自旋式測試物體。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，進一步包括與在可變速度下旋轉(zhuǎn)的測試物體相等同的速 度來冷卻測試物體。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，進一步包括獲得熱梯度和機械負(fù)荷之間的特定的相位差。
全文摘要
一種測試工具包括熱源，以便能夠通過自旋式試驗臺所施加的旋轉(zhuǎn)來機械式地將熱負(fù)荷負(fù)載到測試物體上。熱源可以是一種石英燈，其被控制用于提供與機械負(fù)荷相比的具有不同的相位的熱負(fù)荷。測試的循環(huán)周期可以根據(jù)測試物體確定，其中的碰撞冷卻允許移除循環(huán)周期之間的熱負(fù)荷。測試工具模擬燃?xì)馐綔u輪發(fā)動機中的操作條件，以將實際的熱疲勞和機械疲勞應(yīng)力施加到測試部件上。
文檔編號G01M1/00GK102124314SQ200980131940
公開日2011年7月13日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者H·E·桑尼查森, P·瓦沃祖內(nèi)克, R·L·墨那 申請人:測試設(shè)備公司