專利名稱：一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)是飛行器的核心部件，是飛行器機(jī)動(dòng)性、航程、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響的決定性因素之一。航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境惡劣、因素復(fù)雜，材料對(duì)環(huán)境的響應(yīng)存在耦合效應(yīng)，而不是單ー環(huán)境作用結(jié)果的疊加。為此，各國(guó)在相應(yīng)的重大材料研究計(jì)劃中，都將材料的環(huán)境性能模擬作為主要內(nèi)容，如美國(guó)1988年制定的飛機(jī)用復(fù)合材料計(jì)劃、1990年NASA、DOE和DoD聯(lián)合制定的先進(jìn)熱機(jī)陶瓷技術(shù)計(jì)劃和日本1993年制定的未來(lái)汽輪發(fā)電機(jī)的先進(jìn)材料計(jì)劃(AMG)等都不約而同地要求建立材料的環(huán)境性能表征和數(shù)據(jù)庫(kù)，并首先發(fā)展了環(huán) 境模擬方法，其中包括實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬兩方面。
在實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面，目前存在兩種方案第一種是采用全環(huán)境因素試驗(yàn)，直接獲取材料的試驗(yàn)結(jié)果。盡管全環(huán)境模擬方法和設(shè)備越來(lái)越逼近真實(shí)環(huán)境，但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，那就是模擬設(shè)備的投資和環(huán)境考核試驗(yàn)的成本成倍上升。第二種是從環(huán)境與材料相互作用的物理和化學(xué)本質(zhì)出發(fā)，發(fā)展新型模擬理論與實(shí)驗(yàn)方法。這些方案的特點(diǎn)是以材料損傷與破壞的環(huán)境控制因素和材料性能控制因素為依據(jù)，將全環(huán)境因素模擬簡(jiǎn)化為控制因素的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。如NASALewiS研究中心研制了臺(tái)架燃?xì)饽M器替代高溫風(fēng)洞來(lái)研究材料在燃?xì)猸h(huán)境中的氧化腐蝕重量變化，節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。德國(guó)Hambury-Harburg技術(shù)大學(xué)利用攝像裝置對(duì)CMC的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究，實(shí)時(shí)觀測(cè)裂紋擴(kuò)展，采集和處理數(shù)據(jù)。加州理工學(xué)院利用高速CCD像機(jī)以萬(wàn)幅/秒的速度采集圖像，研究材料裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程等。由于對(duì)材料損傷與破壞的環(huán)境控制因素和材料性能控制因素認(rèn)識(shí)不清，目前所建立的各種簡(jiǎn)易模擬實(shí)驗(yàn)方法均具有一定局限性。因此，全環(huán)境的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法仍占據(jù)較重要位置。燃燒室結(jié)構(gòu)材料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒環(huán)境下的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕是決定發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)的關(guān)鍵因素，如何得到材料在高溫復(fù)雜耦合環(huán)境下的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程以及演化機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)材料結(jié)構(gòu)，提高材料服役性能也是起著至關(guān)重要的作用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)材料在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下的氧化和燒蝕實(shí)驗(yàn)，觀察得到樣品表面燒蝕演化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置，其特征在干該測(cè)試裝置包括模擬燃燒室、氧こ炔加熱裝置、智能加水控制系統(tǒng)、濕度測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)和樣品夾持裝置；所述智能加水控制系統(tǒng)包括噴霧器、噴水器和智能加水控制器，噴霧器和噴水器分別通過(guò)信號(hào)線與智能加水控制器連接；所述濕度測(cè)量系統(tǒng)包括濕度傳感器和濕度測(cè)量?jī)x，濕度傳感器通過(guò)信號(hào)線與濕度測(cè)量?jī)x連接；所述圖像采集系統(tǒng)包括帶有濾波片的第一聞速攝像機(jī)、帶有濾波片的第~■聞速攝像機(jī)、控制兩臺(tái)聞速攝像機(jī)的第一計(jì)算機(jī)以及光源，兩臺(tái)高速攝像機(jī)分別位于模擬燃燒室的兩側(cè)，井分別透過(guò)第一高溫石英玻璃窗口和第二高溫石英玻璃窗ロ對(duì)樣品兩側(cè)燒蝕過(guò)程進(jìn)行記錄，同時(shí)兩臺(tái)高速攝像機(jī)經(jīng)ー個(gè)觸發(fā)器由第一計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制；所述溫度測(cè)量系統(tǒng)包括第一紅外測(cè)溫儀、第ニ紅外測(cè)溫儀和控制兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀的第二計(jì)算機(jī)，兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀經(jīng)ー個(gè)觸發(fā)器由第二計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制，分別透過(guò)第一高溫石英玻璃窗口和第二高溫石英玻璃窗ロ實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品兩側(cè)表面燒蝕溫度的記錄；兩臺(tái)高速攝像機(jī)和兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀均擺放在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。本實(shí)用新型所述的樣品夾持裝置包括導(dǎo)軌、支撐桿和夾具，導(dǎo)軌固定在模擬燃燒室的底部；支撐桿與導(dǎo)軌連接，沿導(dǎo)軌滑動(dòng)。本實(shí)用新型又一技術(shù)特征是所述的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置還包括氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬燃燒室固定在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)上；第一高速攝像機(jī)、第ニ高速攝像機(jī)、第一紅外測(cè)溫儀和第二紅外測(cè)溫儀分別通過(guò)三腳架放置在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái) 上。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果設(shè)計(jì)了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的密閉腔，能夠?qū)崿F(xiàn)水蒸汽模擬以及氧分壓控制，同時(shí)將高速攝影與溫度測(cè)量同步統(tǒng)一起來(lái)，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)記錄特定溫度下材料的氧化燒蝕作用過(guò)程，通過(guò)放慢高速攝影得到的燒蝕過(guò)程動(dòng)畫，清晰觀察并分析樣品表面氧化物生成、流動(dòng)、演化的過(guò)程。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的模擬，為研究材料的氧化燒蝕行為提供了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖I為本實(shí)用新型提供的一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中1_動(dòng)態(tài)氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)、2-模擬燃燒室、3a-第一高速攝像機(jī)、3b-第二高速攝3b、4a_第一濾波片、4b_第二濾波片4b、5a_第一紅外測(cè)溫儀、5b_第二紅外測(cè)溫儀、6_支架、7_橡皮圏、8-氧こ炔加熱裝置、9-導(dǎo)軌、9a-支撐桿、10-夾具、11-樣品、12-噴霧器、13-噴水器、14-智能加水控制器、15-濕度傳感器、16-濕度測(cè)量?jī)x、17-第一計(jì)算機(jī)、18-第ニ計(jì)算機(jī)、19-光源、20a-第一高溫石英玻璃、20b-第二高溫石英玻璃、21-氧分壓控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)ー步說(shuō)明本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程和實(shí)施方式。圖I是ー種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖，該測(cè)試裝置包括模擬燃燒室2、氧こ炔加熱裝置8、智能加水控制系統(tǒng)、濕度測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)和樣品夾持裝置；所述智能加水控制系統(tǒng)包括噴霧器12、噴水器13和智能加水控制器14，噴霧器12和噴水器13分別通過(guò)信號(hào)線與智能加水控制器14連接；所述濕度測(cè)量系統(tǒng)包括濕度傳感器15和濕度測(cè)量?jī)x16，濕度傳感器15通過(guò)信號(hào)線與濕度測(cè)量?jī)x16連接；所述圖像采集系統(tǒng)包括帶有濾波片的第一高速攝像機(jī)3a、帶有濾波片的第二高速攝像機(jī)3b、控制兩臺(tái)高速攝像機(jī)的第一計(jì)算機(jī)17以及光源19，兩臺(tái)高速攝像機(jī)分別位于模擬燃燒室的兩側(cè)，井分別透過(guò)第一高溫石英玻璃窗ロ 20a和第二高溫石英玻璃窗ロ 20b對(duì)樣品11兩側(cè)的燒蝕過(guò)程進(jìn)行記錄，同時(shí)第一計(jì)算機(jī)經(jīng)由ー個(gè)觸發(fā)器對(duì)兩臺(tái)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制；所述溫度測(cè)量系統(tǒng)包括第一紅外測(cè)溫儀5a、第二紅外測(cè)溫儀5b和控制兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀的第二計(jì)算機(jī)18，兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀經(jīng)ー個(gè)觸發(fā)器由第二計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制，分別透過(guò)第一高溫石英玻璃窗ロ 20a和第二高溫石英玻璃窗ロ 20b實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品11兩側(cè)表面燒蝕溫度的記錄。兩臺(tái)高速攝像機(jī)和兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀均擺放在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)
I上。樣品夾持裝置包括導(dǎo)軌9、支撐桿9a和夾具10，導(dǎo)軌固定在模擬燃燒室2的底部；支撐桿與導(dǎo)軌連接，沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)燒蝕火焰與樣品表面的距離的控制。所述的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置還包括氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)1，模擬燃燒室固定在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)上；第一高速攝像機(jī)、第二高速攝像機(jī)、第一紅外測(cè)溫儀和第二紅外測(cè)溫儀分別通過(guò)三腳架放置在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。上述裝置的工作過(guò)程如下I)在燒蝕之前，利用兩臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝得到樣品在常溫下的兩個(gè)表面的圖像，作為初始分析圖像；2)通過(guò)氧こ炔加熱裝置8對(duì)樣品11的ー個(gè)表面進(jìn)行加熱燒蝕，同時(shí)打開(kāi)智能加水控制器14，選擇滴水或噴霧方式進(jìn)行加水；3)待模擬燃燒室2的濕度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后，兩臺(tái)高速攝像機(jī)同步開(kāi)始進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，同時(shí)兩臺(tái)溫度測(cè)量?jī)x也同步進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，并記錄初始拍攝和溫度測(cè)量的時(shí)刻，進(jìn)行一段時(shí)間拍攝之后，停止拍攝；其中，第一高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄燒蝕面背面的反應(yīng)過(guò)程，第二高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄燒蝕面正面的反應(yīng)過(guò)程；4)實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉氧こ炔火焰，停止第一高速攝像機(jī)3a、第二高速攝像機(jī)3b拍攝、第一紅外測(cè)溫儀5a和第二紅外測(cè)溫儀5b測(cè)量，并停止加水和濕度測(cè)量；5)利用數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)第一高速攝像機(jī)采集得到的樣品背面的燒蝕圖像與初始得到的圖像進(jìn)行對(duì)比分析處理，計(jì)算得到樣品燒蝕后的應(yīng)カ應(yīng)變；對(duì)第二高速攝像機(jī) 拍攝得到的樣品正面燒蝕變化過(guò)程的圖像進(jìn)行觀察分析，得到樣品表面燒蝕演化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
權(quán)利要求1.一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置，其特征在于該測(cè)試裝置包括模擬燃燒室(2)、氧こ炔加熱裝置(8)、智能加水控制系統(tǒng)、濕度測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)和樣品夾持裝置；所述智能加水控制系統(tǒng)包括噴霧器(12)、噴水器(13)和智能加水控制器(14)，噴霧器(12)和噴水器(13)分別通過(guò)信號(hào)線與智能加水控制器(14)連接；所述濕度測(cè)量系統(tǒng)包括濕度傳感器(15)和濕度測(cè)量?jī)x(16)，濕度傳感器(15)通過(guò)信號(hào)線與濕度測(cè)量?jī)x(16)連接；所述圖像采集系統(tǒng)包括帶有濾波片的第一高速攝像機(jī)(3a)、帶有濾波片的第二高速攝像機(jī)(3b)、控制兩臺(tái)高速攝像機(jī)的第一計(jì)算機(jī)(17)以及光源(19)，兩臺(tái)高速攝像機(jī)分別位于模擬燃燒室的兩側(cè)，井分別透過(guò)第一高溫石英玻璃窗ロ(20a)和第二高溫石英玻璃窗ロ(20b)對(duì)樣品(11)兩側(cè)燒蝕過(guò)程進(jìn)行記錄，同時(shí)兩臺(tái)高速攝像機(jī)經(jīng)ー個(gè)觸發(fā)器由第一計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制；所述溫度測(cè)量系統(tǒng)包括第一紅外測(cè)溫儀(5a)、第二紅外測(cè)溫儀(5b)和控制兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀的第二計(jì)算機(jī)(18)，兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀經(jīng)ー個(gè)觸發(fā)器由第二計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制，分別透過(guò)第一高溫石英玻璃窗ロ(20a)和第二高溫石英玻璃窗ロ(20b)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品(11)兩側(cè)表面燒蝕溫度的記錄；兩臺(tái)高速攝像機(jī)和兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀均擺放在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)(I)上。
2.按照權(quán)利要求I所述的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置，其特征在于樣品夾持裝置包括導(dǎo)軌(9)、支撐桿(9a)和夾具(10)，導(dǎo)軌固定在模擬燃燒室(2)的底部；支撐桿與導(dǎo)軌連接，沿導(dǎo)軌滑動(dòng)。
3.按照權(quán)利要求I所述的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置，其特征在于所述的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置還包括氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)(1)，模擬燃燒室固定在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)上；第一高速攝像機(jī)、第二高速攝像機(jī)、第一紅外測(cè)溫儀和第二紅外測(cè)溫儀分別通過(guò)三腳架放置在氧化燒蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。
專利摘要一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的動(dòng)態(tài)氧化燒蝕測(cè)試裝置，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。該測(cè)試裝置包括模擬燃燒室、氧乙炔加熱裝置、智能加水控制系統(tǒng)、濕度測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)和樣品夾持裝置。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境的密閉腔室，利用智能加水控制系統(tǒng)加水模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的濕度條件，利用氧分壓控制系統(tǒng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的氧化條件，同時(shí)將加熱設(shè)備與高速攝像機(jī)結(jié)合，提供了一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境下動(dòng)態(tài)氧化燒蝕的裝置，該實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的氧化燒蝕過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)以及材料性能的定量分析。
文檔編號(hào)G01M15/00GK202393750SQ20112039996
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者馮雪, 方旭飛, 蘇恒強(qiáng), 董雪林 申請(qǐng)人:清華大學(xué)