CN101393098A - 一种材料在高温燃气中的烧蚀检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种材料在高温燃气中的烧蚀检测装置及方法，采用煤油与氧气燃烧产生的燃气作为高温烧蚀热源，通过调节煤油与氧的流量混合比，从而形成具有特定要求的燃气流，包括压强、速度、温度、富氧度，煤油和氧气以一定的压力与流量通过控制台输送到喷射器，经雾化、混合后喷入燃烧室，点火燃烧形成高温高压的燃气，燃气通过喉部后，速度达到超音速，将试验材料制成一定厚度的圆环试样，置于燃烧室、喉部或喷管，并对试样进行烧蚀，试验其在亚音速、音速和超音速高温燃气流中的烧蚀特征。采用送粉装置，可将粉末注入到燃烧室或喷管，形成粒子―燃气两相流，还可对试样进行两相流烧蚀试验。通过分析试样烧蚀前后的特征参量来表征其耐烧蚀性能。

Description

一种材料在高温燃气中的烧蚀检测装置及方法

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，涉及一种材料在高温燃气中的烧蚀检测装置及方法。

背景技术

在各类与高温燃气接触的装置中，如火焰筒、航空发动机、火箭发动机等，其部件的热学性能非常重要，特别是材料的耐烧蚀性能，是决定装置寿命和安全性能的关键因素。但是，目前对材料在高温燃气中的烧蚀特性的试验方法与实际工况相差较大，不能有效的准确评价材料的耐烧蚀性能。

当前所使用的试验方法主要有氧-乙炔火焰法和高压电弧加热法，它们产生高温的火焰或电弧，对材料表面进行烧蚀，通过测试烧蚀过程中和烧蚀后的状态参数，来评价材料的烧蚀特性，这些方法具有较高的热流密度，对材料的耐烧蚀性能试验有一定的效果，但是，这些试验方法都是在敞开环境中开展的，没有压强的作用，而实际工作环境是有压强作用的，因此，这些试验与研究方法有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料在高温燃气中的烧蚀检测装置及方法，本发明不仅能产生压强、温度与速度调节范围宽的燃气，并且还能够根据材料的具体工作环境，试验其在亚音速、音速和超音速燃气中的烧蚀行为。

为达到上述目的，本发明的装置包括：包括火焰喷射器以及通过控制台与火焰喷射器相连接的冷水机组、煤油供给系统、氧气供给系统及送粉器，所说的火焰喷射器包括连为一体的相互密闭的后座、燃烧室外壳、收敛段外壳和喷管外壳，燃烧室外壳、收敛段外壳和喷管外壳内分别设置有相连通的燃烧室、收敛段和喷管，燃烧室试样、收敛段试样和喷管试样分别设置在燃烧室、收敛段和喷管的内壁上，后座上开设有与煤油供给系统相连通的煤油接管嘴、与氧气供给系统相连通的氧气接管嘴和火花塞，燃烧室的入口与煤油接管嘴、氧气接管嘴及火花塞相连通，燃烧室外壳、收敛段外壳和喷管外壳与燃烧室、收敛段和喷管之间形成了一个空腔，且在燃烧室外壳及喷管外壳上分别开设有与冷水机组相连通的入水口和出水口，后座及喷管外壳上还分别开设有与燃烧室、喷管相连通的送粉嘴，所说的煤油接管嘴、氧气接管嘴、送粉嘴和入水口还分别与控制台相连。

本发明的燃烧室、收敛段和喷管之间分别通过凸台及过渡段相连；

控制台包括冷水机组控制器、煤油控制器、氧气控制器和送粉控制器；

所说的冷水机组控制器包括安装在冷水机组出水口管路上的出水压力表P1和出水温度计t1，安装在冷水机组回水管路上的回水压力表P2和回水温度计t2；

所说的煤油控制器包括依次安装在煤油供给系统管路上的电机油泵R2、油电磁阀组1DT、煤油压力表P3、煤油调节阀D1和煤油流量计F1；

所说的氧气供给系统包括依次安装在氧气供给系统管路上的减压器Q1、氧气电磁阀2DT、氧气流量调节阀D2、氧气压力表P4和氧气流量计F2；

所说的送粉控制器包括安装在送粉器管路上的送粉电磁阀3DT；

氧气压力为4.5Mpa，氧气流量为60-120Kg/h；

煤油压力为4.5Mpa，煤油流量为30-40L/h；

燃烧室内的压力为3Mpa；

喷管喉部直径为12-15mm、出口直径为20-30mm；

燃烧室试样、收敛段试样和喷管试样均采用圆环状结构。

本发明的试验方法为：

1)安装试样：将圆环状试样通过粘接的方法安装于喷射器的燃烧室、收敛段和喷管的内壁，并固化，然后装配整个喷射器；

2)启动燃气喷射器：通过煤油调节阀和氧气调节阀分别调节两者的流量，得到预定状态的燃气；

3)送粉：启动送粉器，将喷涂粉末送入火焰中，形成烧蚀用的气固二相流；

4)烧蚀：完成设定烧蚀时间后，停止系统的工作，按照停止送粉、供油、供气的顺序关机；

5)最后，拆开喷射器，取下试样，通过分析试样烧蚀前后的特征参量来表征其耐烧蚀性能。

本发明采用煤油与氧气燃烧产生的燃气作为高温烧蚀热源，通过调节煤油与氧的流量混合比，从而形成具有特定要求的燃气流，包括压强、速度、温度、富氧度，煤油和氧气以一定的压力与流量通过控制台输送到喷射器，经雾化、混合后喷入燃烧室，点火燃烧形成高温高压的燃气，燃气通过喉部后，速度达到超音速，将试验材料制成一定厚度的圆环试样，置于燃烧室、喉部或喷管，并对试样进行烧蚀，试验其在亚音速、音速和超音速高温燃气流中的烧蚀特征。采用送粉装置，可将粉末注入到燃烧室或喷管，形成粒子—燃气两相流，还可对试样进行两相流烧蚀试验。通过分析试样烧蚀前后的特征参量来表征其耐烧蚀性能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明火焰喷射器的结构示意图；

图3是本发明控制台的结构示意图；

图4是本发明控制台电气连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括火焰喷射器6以及通过控制台5与火焰喷射器相连接的冷水机组1、煤油供给系统2、氧气供给系统3及送粉器4。

参见图2，本发明的火焰喷射器6包括连为一体的相互密闭的后座7、燃烧室外壳12、收敛段外壳13和喷管外壳14，燃烧室外壳12、收敛段外壳13和喷管外壳14内分别设置有相连通的燃烧室15、收敛段16和喷管17，燃烧室15、收敛段16和喷管17之间分别通过凸台23及过渡段24相连，喷管17喉部直径为12-15mm、出口直径为20-30mm，圆环状结构的燃烧室试样18、收敛段试样19和喷管试样20分别设置在燃烧室15、收敛段16和喷管17的内壁上，后座7上开设有与煤油供给系统2相连通的煤油接管嘴9、与氧气供给系统3相连通的氧气接管嘴8和火花塞10，燃烧室15的入口与煤油接管嘴9、氧气接管嘴8及火花塞10相连通，燃烧室外壳12、收敛段外壳13和喷管外壳14与燃烧室15、收敛段16和喷管17之间形成了一个空腔，且在燃烧室外壳12及喷管外壳14上分别开设有与冷水机组1相连通的入水口21和出水口22，后座7及喷管外壳14上还分别开设有与燃烧室15、喷管17相连通的送粉嘴11，所说的煤油接管嘴9、氧气接管嘴8、送粉嘴11和入水口21还分别与控制台5相连。

参见图3，本发明的控制台5包括冷水机组控制器、煤油控制器、氧气控制器和送粉控制器；所说的冷水机组控制器包括安装在冷水机组1出水口管路上的出水压力表P1和出水温度计t1，安装在冷水机组1回水管路上的回水压力表P2和回水温度计t2；所说的煤油控制器包括依次安装在煤油供给系统2管路上的电机油泵R2、油电磁阀组1DT、煤油压力表P3、煤油调节阀D1和煤油流量计F1；所说的氧气供给系统包括依次安装在氧气供给系统3管路上的减压器Q1、氧气电磁阀2DT、氧气流量调节阀D2、氧气压力表P4和氧气流量计F2；所说的送粉控制器包括安装在送粉4器管路上的送粉电磁阀3DT，其中氧气压力为4.5Mpa，氧气流量为60-120Kg/h；煤油压力为4.5Mpa，煤油流量为30-40L/h；燃烧室15内的压力为3Mpa。

煤油和氧气经过控制台调压后，以一定压力进入火焰喷射器的燃烧室，点火燃烧形成高温高压的燃气，经拉伐尔喷管后形成超音速的燃气流，燃气从燃烧室经喉部从喷管流出的过程中，温度不断下降，速度不断增大，从亚音速到音速直至超音速，并对安装在喷射器内壁的圆环试样进行烧蚀，圆环安装于不同的位置，便经受不同特性的压强、温度与速度的燃气烧蚀作用。

本发明的燃烧器采用分段设计，便于更换试样，包括燃烧室、收敛段和喷管，试验材料制作成圆环状，置于燃烧室、收敛段和喷管的内壁。装置工作时，燃气与试样表面接触，形成烧蚀作用。试验件根据需要可设计成不同的内型面，以获得不同的温度与速度环境。

冷水机组为风冷式大型冷却水循环系统，制冷量为150KW，保证产生几乎恒温的冷却水，以强制冷却喷射器，防止烧蚀；送粉装置为高压粉末流化系统，在高压下将粉末与送粉载气混合成流态，输送至喷射器，形成气固两相流，冷水机组和高压送粉器可从市场选购成熟产品，设计好它们与喷射器的接口应能直接应用。

控制台对烧蚀过程进行有效的控制，控制台按一定时序完成供气、供油、点火、喷射、送粉功能，并对冷却水、煤油、氧气的状态参数进行显示监控。控制台的一端连接冷水机组、煤油箱、氧气源、送粉装置，另一端连接燃气喷射器。

参见图4，控制台内的电气系统由开关、交流接触器、电磁阀线圈组成，其中，FU1为保险丝，KM为交流接触器，K1至K6分别为控制开关，实现其控制功能。

本发明的检测方法为：

1)安装试样：将圆环状试样通过粘接的方法安装于喷射器的燃烧室、收敛段和喷管的内壁，并固化，然后装配整个喷射器；

2)启动燃气喷射器：通过煤油调节阀和氧气调节阀分别调节两者的流量，得到预定状态的燃气；

3)送粉：启动送粉器，将喷涂粉末送入火焰中，形成烧蚀用的气固二相流；

4)烧蚀：完成设定烧蚀时间后，停止系统的工作，按照停止送粉、供油、供气的顺序关机；

5)最后，拆开喷射器，取下试样，通过分析试样烧蚀前后的特征参量来表征其耐烧蚀性能。

本发明同现有技术相比有以下优点：

1、试验方法上的根本突破，现有试验方法无法对试验材料施加压强，本方法由于是在燃气腔内完成试验，能产生压强作用，与材料的实际工作环境接近。

2、系统控制参数准确，可控性好，能对试验的燃气流的压强、温度与速度进行定量设定，并可注入粒子，大大提高了试验的范围与准确性。

本发明成功地设计了高温条件下材料的耐烧蚀试验方法及装置，与目前的试验装置相比，与材料的实际工况更为接近，为材料性能试验提供了有效的方法，在航空航天、原子能、军事装备等领域将取得广泛应用。

Claims (9)

1、一种材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，包括火焰喷射器(6)以及通过控制台(5)与火焰喷射器相连接的冷水机组(1)、煤油供给系统(2)、氧气供给系统(3)及送粉器(4)，其特征在于：所说的火焰喷射器(6)包括连为一体的相互密闭的后座(7)、燃烧室外壳(12)、收敛段外壳(13)和喷管外壳(14)，燃烧室外壳(12)、收敛段外壳(13)和喷管外壳(14)内分别设置有相连通的燃烧室(15)、收敛段(16)和喷管(17)，燃烧室试样(18)、收敛段试样(19)和喷管试样(20)分别设置在燃烧室(15)、收敛段(16)和喷管(17)的内壁上，后座(7)上开设有与煤油供给系统(2)相连通的煤油接管嘴(9)、与氧气供给系统(3)相连通的氧气接管嘴(8)和火花塞(10)，燃烧室(15)的入口与煤油接管嘴(9)、氧气接管嘴(8)及火花塞(10)相连通，燃烧室外壳(12)、收敛段外壳(13)和喷管外壳(14)与燃烧室(15)、收敛段(16)和喷管(17)之间形成了一个空腔，且在燃烧室外壳(12)及喷管外壳(14)上分别开设有与冷水机组(1)相连通的入水口(21)和出水口(22)，后座(7)及喷管外壳(14)上还分别开设有与燃烧室(15)、喷管(17)相连通的送粉嘴(11)，所说的煤油接管嘴(9)、氧气接管嘴(8)、送粉嘴(11)和入水口(21)还分别与控制台(5)相连。

2、根据权利要求1所述的材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，其特征在于：所说的燃烧室(15)、收敛段(16)和喷管(17)之间分别通过凸台(23)及过渡段(24)相连。

3、根据权利要求1所述的材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，其特征在于：所说的控制台(5)包括冷水机组控制器、煤油控制器、氧气控制器和送粉控制器；

所说的冷水机组控制器包括安装在冷水机组(1)出水口管路上的出水压力表(P1)和出水温度计(t1)，安装在冷水机组(1)回水管路上的回水压力表(P2)和回水温度计(t2)；

所说的煤油控制器包括依次安装在煤油供给系统(2)管路上的电机油泵(R2)、油电磁阀组(1DT)、煤油压力表(P3)、煤油调节阀(D1)和煤油流量计(F1)；

所说的氧气供给系统包括依次安装在氧气供给系统(3)管路上的减压器(Q1)、氧气电磁阀(2DT)、氧气流量调节阀(D2)、氧气压力表(P4)和氧气流量计(F2)；

所说的送粉控制器包括安装在送粉(4)器管路上的送粉电磁阀(3DT)。

4、根据权利要求1所述的材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，其特征在于：所说的氧气压力为4.5Mpa，氧气流量为60-120Kg/h。

5、根据权利要求1所述的材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，其特征在于：所说的煤油压力为4.5Mpa，煤油流量为30-40L/h。

6、根据权利要求1所述的材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，其特征在于：所说的燃烧室(15)内的压力为3Mpa。

7、根据权利要求1所述的材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，其特征在于：所说的喷管(17)喉部直径为12-15mm、出口直径为20-30mm。

8、根据权利要求1所述的材料在高温燃气中的烧蚀检测装置，其特征在于：所说的燃烧室试样(18)、收敛段试样(19)和喷管试样(20)均采用圆环状结构。

9、一种依据权利要求1所述的装置的检测方法，其特征在于：

1)安装试样：将圆环状试样通过粘接的方法安装于喷射器的燃烧室、收敛段和喷管的内壁，并固化，然后装配整个喷射器；

2)启动燃气喷射器：通过煤油调节阀和氧气调节阀分别调节两者的流量，得到预定状态的燃气；

3)送粉：启动送粉器，将喷涂粉末送入火焰中，形成烧蚀用的气固二相流；

4)烧蚀：完成设定烧蚀时间后，停止系统的工作，按照停止送粉、供油、供气的顺序关机；

5)最后，拆开喷射器，取下试样，通过分析试样烧蚀前后的特征参量来表征其耐烧蚀性能。

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