具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施方式

参见图1，本发明的第一实施方式提供了一种工作叶片的热斑模拟装置，包括：导向叶片涡轮盘1；导向叶片2,设置于所述导向叶片涡轮盘1的边缘；工作叶片3，设置于所述导向叶片2一侧；高温通道4，设置于所述导向叶片2远离所述工作叶片3的一侧，一端对准所述导向叶片2，用于传输高温气流；其中，所述高温气流的温度为700-1500℃；低温通道5，设置于所述导向叶片2远离所述工作叶片3的一侧，一端对准所述导向叶片2，用于传输低温气流；其中，所述低温气流的温度为50-500℃；旋转组件6，与所述导向叶片涡轮盘1的中心连接，用于旋转所述导向叶片涡轮盘1；离心力加载装置，与所述工作叶片3连接，用于对所述工作叶片3加载离心力。本实施方式通过旋转导向叶片2在工作叶片3周围形成旋转气流以模拟工作叶片3在工作时的气流，通过离心力加载装置模拟工作叶片3在工作时旋转的离心力，以准确模拟工作叶片3在工作时的加载环境，并且通过将高温气流和低温气流形成复合气流，以便通过调整高温气流和低温气流流量和温度来准确调整工作叶片3的热斑温度比和热斑压力比，以为涡轮流道中热斑迁移及在工作叶片3上的聚集规律提供重要的实验依据，同时也为高效冷却方案的设计及优化提供重要的依据，并且方法经济有效。其中，热斑温度比T₁/T₂为热斑中心流体总温与热斑周围流体总温的比值，热斑压力比P₁/P₂为热斑中心流体总压与热斑周围流体总压的比值。此外，工作叶片3固定于固定底座15上，热斑模拟装置的主体位于燃烧室14内。

在一可选实施例中，所述导向叶片2包括模拟导向叶片2，所述模拟导向叶片2的榫头与真实导向叶片2的榫头相同，与导向叶片涡轮盘1一体成型；所述模拟导向叶片2的叶身的曲率与所述真实导向叶片2的特征位置的曲率相同；其中，所述特征位置包括：叶身的前缘、尾缘、叶盆和叶背。具体来说，通过真实导向叶片2的曲率来确定模拟导向叶片2叶身部分的曲率半径大小，即r＝1/ρ。使用模拟导向叶片2的好处之一是可以节省成本，因为航空使用的真实导向叶片2的造价较高。同时也可以有针对性的模拟真实涡轮叶片任一位置处的曲率，从而有针对性的研究涡轮叶片曲率对热斑场的具体影响。使用模拟导向叶片2的最重要的一点是可以通过微调模拟导向叶片2的曲率半径，进而改变高温气流的流向，最终实现工作叶片3上热斑位置改变，相比于传统机械式地改变导向叶片2的安装角度来实现气流角度的调节，本实施例的调节方式更加的精准。

参见图2，在一可选实施例中，所述高温通道4与所述低温通道5平行，且长度相等，所述低温通道5设置有多个，多个所述低温通道5间隔且均匀地环向分布在所述高温通道4四周。具体来说，本实施例的所述低温通道5设置有多个，多个所述低温通道5间隔且均匀地环向分布在高温通道4四周，且高温通道4和所述低温通道5平行设置。高温气流和低温气流形成复合环形气流以对工作叶片3进行热斑场的服役环境的加载，其中，热斑场包括热斑温度场和热斑压力场。进一步具体地，可通过控制高温气体和低温气体的流量、温度和与工作叶片3的距离来控制热斑温度场和热斑压力场，其中最重要的因素是控制高温气体和低温气体的温度。

其中，耐温套管套设于所述高温通道4和低温通道5的外侧，耐温套管11、高温通道4和低温通道5为环形。上述通道的绝对长度和形状保持一致；多组低温通道5环形地分布在高温通道4周围。其中低温通道5可以通过电加热来排出低温气流，在工作叶片3热斑生成后，或是试验结束后，切断电加热器，通入冷却气流，以对工作叶片3进行冷却，或是对工作叶片3的特定热斑位置进行冷却；耐温套管与多组低温通道5通过螺栓固定连接；气体通道下方均安装有支撑结构。耐温套管11的作用是固定低温通道5，起到沿着圆周方向均匀布置在燃气通道周围，以使得高温气流和低温气流形成的复合气流更加均匀可控。其中，高温气流可以为燃气气流。

在一可选实施例中，所述工作叶片3与所述高温通道4呈第一预设角度；所述高温通道4和所述低温通道5对准所述工作叶片3的预设位置处，用于调节高温气流和低温气流形成的复合气流冲击到所述工作叶片3的径向高度和周向角度，其中，第一预设角度为-45°至45°可调节。

在一可选实施例中，本实施例提供了一种实现工作叶片3承受的复合气流角度的调节方法，具体分为两个步骤：

第一步为粗调：通过改变高温通道4和/或低温通道5与导向叶片2的相对位置，和第一预设角度来宏观调节工作叶片3承受的复合气流的角度和气流的程度。

第二步为微调，进一步调整模拟导向叶片2的曲率半径，曲率半径越大，对复合气流的导向越强，气流到达工作叶片3的局部位置也会发生变化进而实现工作叶片3上热斑位置改变，相比于传统机械式地改变导向叶片2的安装角度来实现气流角度的调节，本实施例的调节方式更加的精准。

其中，高温通道4与导向叶片2的预设角度为0度，即高温通道4平行放置，当复合气流冲击到导向叶片2正前方时，复合气流会被剪切成两股不同方向的气流，第一股气流的流向仍然沿着正前方，第二股气流则是沿着导向叶片2旋转方向的反向。第一股气流的速度大小取决于高温气流的进气量，即马赫数。第二股气流的速度取决于导向叶片2旋转的角速度大小，通过公式v＝wr即可求得。

在一可选实施例中，上述工作叶片3的热斑模拟装置还包括：流量调节装置8，设置于所述高温通道4和所述低温通道5的一端，用于调节所述高温气流和所述低温气流的压力和流量。其中，流量调节装置8包括：高温水冷蝶阀；高温水冷蝶阀设置于高温通道4和低温通道5的另一端，用于控制高温气流和低温气流的喷射速度。使高温气流和低温气流的喷射速度一致，同时达到工作叶片3表面，只有同时到达才能更好实现热斑比的加载，也可使导向叶片2表面温度场和压力场更加均匀。高温水冷蝶阀与通道间可通过螺栓固定连接，蝶杆的调节角度为0℃-90℃，阀体内腔通循环水冷却，用于高温气流与低温气流的比列调节，使二者的喷射速度趋于一致。

参见图3和图4，在一可选实施例中，离心力加载装置具体包括夹持夹具71、施力介质72和电子万能试验机73。其中，夹持夹具贴合工作叶片3的叶形进行设计，夹持部分又分为压力面和吸力面,分别对应紧贴于工作叶片3的吸力面与压力面，并延伸出工作叶片3的吸力面与压力面，将夹持夹具延伸出吸力面与压力面的部分，使用螺栓连接,使得夹持部分的前后两个部分夹紧工作叶片3,前后两个部分的中间区域紧密贴合于工作叶片3表面,通过在压力面、吸力面产生的挤压力固定于叶片表面。使加载在工作叶片3上的合力通过叶片重心加载到叶根处。其中，根据工作叶片3的材质选择电子万能试验机的量程为5-5000N。电子万能试验机通过施力介质拉伸夹持夹具，施力介质的选取应只承受拉力，不承受压力材料，具体可为钢丝绳和高强度弹力绳等。其中，可以通过改变工作叶片3与夹持夹具的相对位置的角度，以实现离心力加载位置与角度的调节。此时叶片材质为镍基高温合金，发射率为0.75的叶片，在900℃下使用离心力加载装置进行加载，得到载荷时间曲线如图4所示。

在一可选实施例中，上述工作叶片3的热斑模拟装置还包括：高温气体发生装置,与所述高温通道4的另一端连接，用于发生高温气体；低温气体发生装置,与所述低温通道5的另一端连接，用于发生低温气体。

参见图5，在一可选实施例中，上述工作叶片3的热斑模拟装置还包括：光线定位系统，用于定位所述工作叶片3上热斑场的位置。其中，光线定位系统包括：滤波片91、光脉冲激光器92、光电转换器93、数据采集系统94和计算机95。由计算机95发出控制指令给光脉冲激光器92，利用光脉冲激光器92发射光束，经过滤光片91滤波，得到径向/周向位移变化所需的特定波长λ的激光。然后，光电转换器93获取由工作叶片3反射的光，得到位移信号，然后将位移信号经由数据采集系统发送至计算机95。所述特定波长λ区别于火焰流场，且在工作叶片3的叶盆、叶背、前缘和尾缘位置加工多个标记面，且四个位置的标记面对光的反射能力不同，但强于其他位置，易于区分，从而实现工作叶片3热斑位置的实时反馈；该定位面不能影响叶片整体强度,定位面在距光纤定位系统最近位置,要求发射光束方向与定位面尽量保持垂直。其中，工作叶片3的热斑模拟装置还包括：红外热成像仪16和高速CCD相机17。通过光纤定位系统实时反馈热斑位置，再由红外热成像仪和高速CCD相机共同捕捉，实时获取温度云图和高清图像。

具体来说，上述位移信号是指热斑在工作叶片3局部位置的迁移，因导向叶片2的转动使热斑被切断成一些不连续的热斑块，部分沿导向叶片2压力面(即叶盆)向下游运动，部分沿吸力面(即叶背)向下游运动，即向下游运动随机达到工作叶片3的某个局部位置。因已经在工作叶片3的叶盆、叶背、前缘和尾缘位置加工多个标记面，且四个位置的标记面对光的反射能力不同，即测量位移所需波长λ就会不同。

参见图6和7，可选地，上述工作叶片3的热斑模拟装置还包括：热斑压力场检测装置10，设置于所述导向叶片2远离所述高温通道4的一侧，用于检测所述工作叶片3的热斑压力场。其中，所述热斑压力场检测装置10包括：探头，其上设置有多个压力感知孔，当其压力感知孔的轴线正对复合气流流来的方向时，气流通过压力传感器101和温度传感器102，将在压力感知孔头部等熵滞止，此时感压孔感受到的压力即为气流总压。再分别通过压力传感器101和温度传感器102引线与终端连接，实现热斑压力场检测。具体来说，温度传感器102的作用是感知复合气流的温度，消除动态压力传感器由于温度漂移产生的测量误差，并避免复合气流的实际温度超过压力传感器正常工作温度范围的上限，导致损坏。

其中，热斑压力场检测装置10用于检测所述工作叶片3的热斑压力场，具体通过热斑压力比来体现，热斑压力比P₁/P₂为热斑中心流体总压与热斑周围流体总压的比值。热斑中心流体总压由工作叶片3后热斑压力检测装置测得，周围流体总压的由导向叶片2后的压力检测装置测得。优选地，热斑压力场检测装可设置有多个，最后取均值，可使结果更加精准。进一步优选地，热斑压力场检测装置10分别布置在导向叶片2与工作叶片3的侧后方，其具体角度为与正面复合气流成45°的位置；热斑压力场检测装置10与机闸13壁面通过螺栓固定连接。

第二实施方式

参见图10，本发明的第二实施方式提供了一种工作叶片3的热斑模拟方法，使用本发明第一实施方式的工作叶片3的热斑模拟装置进行模拟，具体包括以下步骤：

S100，启动工作叶片3的热斑模拟装置，预先设定超音速火焰喷射器中高温气体和加热器中低温气体的温度范围和气体流量；

S200，启动离心力加载装置，预先设定拉伸载荷的数值范围及其加载位置；

S300，启动红外热像仪与压力检测系统，预先设定工作叶片3热障涂层的对应发射率；

S400，连接和校准光纤定位系统，对工作叶片3上热斑位置进行实时反馈；

S500，切断加热装置，增加某一/组工作叶片3特定热斑处冷气通量，减少其余工作叶片3非热斑高温核心区处的冷气通量。

在一个具体实施例中，参见图8，使用本模拟装置对工作叶片3不同热斑高温核心区进行加载实验，即900-1400℃的高温核心区，相应地温比范围为1.20-1.70；

如图8中A图所示，其热斑比T₁/T₂＝1.20；如图8中B图所示，其热斑比T₁/T₂＝1.41；如图8中C图所示，其热斑比T₁/T₂＝1.63；如图8中D图所示，其热斑比T₁/T₂＝1.70。

在一个具体实施例中，参见图9，使用本模拟装置对工作叶片3不同位置处高温核心区进行加载实验。

如图9中A所示，其为工作叶片3背面(吸力面)的热斑温度场图，其热斑比T₁/T₂＝1.48；

如图9中B所示，其为工作叶片3叶盆(压力面)的热斑温度场图，其热斑比T₁/T₂＝1.57；

如图9中C所示，其为工作叶片3前缘的热斑温度场图，其热斑比T₁/T₂＝1.59；

如图9中D所示，其为工作叶片3尾缘的热斑温度场图，其热斑比T₁/T₂＝1.52。

本发明公开了一种工作叶片3的热斑模拟装置和方法，模拟装置包括：导向叶片涡轮盘1；导向叶片2,设置于导向叶片涡轮盘1的边缘；工作叶片3，设置于导向叶片2一侧；高温通道4，设置于导向叶片2远离工作叶片3的一侧，一端对准导向叶片2，用于传输高温气流；低温通道5，设置于导向叶片2远离工作叶片3的一侧，一端对准导向叶片2，用于传输低温气流；旋转组件6，与导向叶片涡轮盘1的中心连接，用于旋转导向叶片涡轮盘1；离心力加载装置，用于对工作叶片3加载离心力。本方案可准确模拟工作叶片3的服役环境，并通过调整高温气流和低温气流流量和温度来准确调整工作叶片3的热斑温度比和热斑压力比，以为涡轮流道中热斑迁移及在工作叶片3上的聚集规律提供重要的实验依据。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。