CN102507849A - 模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置及方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。该测试装置包括模拟燃烧室、氧乙炔加热装置、智能加水控制系统、湿度测量系统、温度测量系统、图像采集处理系统和样品夹持装置。本发明设计出了模拟发动机燃烧室环境的密闭腔室，利用智能加水控制系统加水模拟发动机燃烧室的湿度条件，利用氧分压控制系统模拟发动机燃烧室的氧化条件，同时将加热设备与高速摄像机结合，提供了一种模拟发动机燃烧室环境下动态氧化烧蚀的装置以及观测方法，该发明可实现对材料的氧化烧蚀过程的实时观测以及材料性能的定量分析。

Description

模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试方法与装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。 

背景技术

发动机是飞行器的核心部件，是飞行器机动性、航程、可靠性、经济性及环境影响的决定性因素之一。航空发动机服役环境恶劣、因素复杂，材料对环境的响应存在耦合效应，而不是单一环境作用结果的叠加。为此，各国在相应的重大材料研究计划中，都将材料的环境性能模拟作为主要内容，如美国1988年制定的飞机用复合材料计划、1990年NASA、DOE和DoD联合制定的先进热机陶瓷技术计划和日本1993年制定的未来汽轮发电机的先进材料计划(AMG)等都不约而同地要求建立材料的环境性能表征和数据库，并首先发展了环境模拟方法，其中包括实验模拟和数值模拟两方面。 

在实验模拟方面，目前存在两种方法：第一种是采用全环境因素试验，直接获取材料的试验结果。尽管全环境模拟方法和设备越来越逼近真实环境，但缺点也显而易见，那就是模拟设备的投资和环境考核试验的成本成倍上升。第二种是从环境与材料相互作用的物理和化学本质出发，发展新型模拟理论与实验方法。这些方法的特点是以材料损伤与破坏的环境控制因素和材料性能控制因素为依据，将全环境因素模拟简化为控制因素的实验模拟。如NASALewiS研究中心研制了台架燃气模拟器替代高温风洞来研究材料在燃气环境中的氧化腐蚀重量变化，节省了大量实验费用。德国Hambury-Harburg技术大学利用摄像装置对CMC的高温稳定性进行研究，实时观测裂纹扩展，采集和处理数据。加州理工学院利用高速CCD像机以万幅/秒的速度采集图像，研究材料裂纹的动态扩展过程等。由于对材料损伤与破坏的环境控制因素和材料性能控制因素认识不清，目前所建立的各种简易模拟方法均具有一定局限性。因此，全环境的实验模拟方法仍占据较重要位置。燃烧室结构材料在发动机燃烧环境下的动态氧化烧蚀是决定发动机热防护的关键因素，如何得到材料在高温复杂耦合环境下的动态演化过程以及演化机理对进一步改进材料结构，提高材料服役性能也是起着至关重要的作用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置及方法，该装置可实现材料在模拟发动机环境下的氧化和烧蚀实验，对实验过程进行实时记录与测量；同时在此装置基础上提出模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试方法。 

本发明的技术方案如下： 

一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置，其特征在于：该测试装置包括模拟燃烧室、氧乙炔加热装置、智能加水控制系统、湿度测量系统、温度测量系统、图像采集处理系统和样品夹持装置；所述智能加水控制系统包括喷雾器、喷水器和智能加水控制器，喷雾器和喷水器分别通过信号线与智能加水控制器连接；所述湿度测量系统包括湿度传感器和湿度测量仪，湿度传感器通过信号线与湿度测量仪连接；所述图像采集系统包括带有滤波片的第一高速摄像机、带有滤波片的第二高速摄像机、控制两台高速摄像机的第一计算机以及光源，两台高速摄像机分别位于模拟燃烧室的两侧，并分别透过第一高温石英玻璃窗口和第二高温石英玻璃窗口对样品两侧烧蚀过程进行记录，同时两台高速摄像机经一个触发器由第一计算机实现同步控制；所述温度测量系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪和控制两台红外测温仪的第二计算机，两台红外测温仪经一个触发器由第二计算机实现同步控制，分别透过第一高温石英玻璃窗口和第二高温石英玻璃窗口实现对样品两侧表面烧蚀温度的记录。两台高速摄像机和两台红外测温仪均摆放在氧化烧蚀实验台上。 

本发明所述的样品夹持装置包括导轨、支撑杆和夹具，导轨固定在模拟燃烧室的底部；支撑杆与导轨连接，沿导轨滑动。 

本发明又一技术特征是：所述的模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置还包括氧化烧蚀实验台，模拟燃烧室固定在氧化烧蚀实验台上；第一高速摄像机、第二高速摄像机、第一红外测温仪和第二红外测温仪分别通过三脚架放置在氧化烧蚀实验台上。 

一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：在烧蚀之前，利用两台高速摄像机拍摄得到常温下样品的两个表面的图像，作为初始分析图像；通过氧乙炔加热装置对样品的一个表面进行加热烧蚀，同时打开智能加水控制器，选择滴水或喷雾方式进行加水，待模拟燃烧室的湿度达到实验要求后，两台高速摄像机同步开始进行实时拍摄，同时两台温度测量仪也同步进行实时温度测量，进行一段时间拍摄之后，停止拍摄记录；利用数字图像相关方法对第一高速摄像机采集得到的样品背面的烧蚀图像与初始得到的图像进行对比分析处理，计算得到样品烧蚀后的应力应变；对第二高速摄像机拍摄得到的样品正面烧蚀变化过程的图像进行观察分析，得到样品表面烧蚀演化的动态过程。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：设计了模拟发动机燃烧室环境的密闭腔，能够实现水蒸汽模拟以及氧分压控制，同时将高速摄影与温度测量同步统一起来，能够实时观测记录特定温度下材料的氧化烧蚀作用过程，通过放慢高速摄影得到的烧蚀过程动画，清晰观察并分析样品表面氧化物生成、流动、演化的过程；在结果分析方面又将图像识别方法与高速摄影巧妙地结合起来，能够对材料在高温氧化烧蚀条件下的应力、应变场进行定量测量。本发明实现了实验室条件下对发动机燃烧室环境的模拟，为研究材料的氧化烧蚀行为提供了一个新的实验装置和实验平台。 

附图说明

图1为本发明提供的一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置的结构原理示意图。 

图中：1-动态氧化烧蚀实验台、2-模拟燃烧室、3a-第一高速摄像机、3b-第二高速摄3b、4a-第一滤波片、4b-第二滤波片4b、5a-第一红外测温仪、5b-第二红外测温仪、6-支架、7-橡皮圈、8-氧乙炔加热装置、9-导轨、9a-支撑杆、10-夹具、11-样品、12-喷雾器、13-喷水器、14-智能加水控制器、15-湿度传感器、16-湿度测量仪、17-第一计算机、18-第二计算机、19-光源、20a-第一高温石英玻璃、20b-第二高温石英玻璃、21-氧分压控制系统。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作过程和实施方式。 

图1是一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置的结构原理示意图，该测试装置包括模拟燃烧室2、氧乙炔加热装置8、智能加水控制系统、湿度测量系统、温度测量系统、图像采集处理系统和样品夹持装置；所述智能加水控制系统包括喷雾器12、喷水器13和智能加水控制器14，喷雾器12和喷水器13分别通过信号线与智能加水控制器14连接；所述湿度测量系统包括湿度传感器15和湿度测量仪16，湿度传感器15通过信号线与湿度测量仪16连接；所述图像采集系统包括带有滤波片的第一高速摄像机3a、带有滤波片的第二高速摄像机3b、控制两台高速摄像机的第一计算机17以及光源19，两台高速摄像机分别位于模拟燃烧室的两侧，并分别透过第一高温石英玻璃窗口20a和第二高温石英玻璃窗口20b对样品11两侧的烧蚀过程进行记录，同时第一计算机经由一个触发器对两台高速摄像机实现同步控制；所述温度测量系统包括第一红外测温仪5a、第二红外测温仪5b和控制两台红外测温仪的第二计算机18，两台红外测温仪经一个触发器由第二计算机实现同步控制，分别透过第一高温石英玻璃窗口20a和第二高温石英玻璃窗口20b实现对样品11两侧表面烧蚀温度的记录。两台高速摄像机和两台红外测温仪均摆放在氧化烧蚀实验台1上。样品夹持装置包括导轨9、支撑杆9a和夹具10，导轨固定在模拟燃烧室2的底部；支撑杆与导轨连接，沿导轨滑动，实现烧蚀火焰与样品表面的距离的控制。所述的模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置还包括氧化烧蚀实验台1，模拟燃烧室固定在氧化烧蚀实验台上；第一高速摄像机、第二高速摄像机、第一红外测温仪和第二红外测温仪分别通过三脚架放置在氧化烧蚀实验台上。 

一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试方法，该方法包括如下步骤： 

1)在烧蚀之前，利用两台高速摄像机拍摄得到样品在常温下的两个表面的图像，作为初始分析图像； 

2)通过氧乙炔加热装置8对样品11一个表面进行加热烧蚀，同时打开智能加水控制器14，选择滴水或喷雾方式进行加水； 

3)待模拟燃烧室2的湿度达到实验要求后，两台高速摄像机同步开始进行实时拍摄，同时两台温度测量仪也同步进行实时温度测量，进行一段时间拍摄之后，停止拍摄记录；其中，第一高速摄像机实时记录烧蚀面背面的反应过程，第二高速摄像机实时记录烧蚀面正面的反应过程； 

4)实验完毕，关闭氧乙炔火焰，停止第一高速摄像机3a、第二高速摄像机3b拍摄和第 一红外测温仪5a、第二红外测温仪5b测量，并停止加水和湿度测量。

5)利用数字图像相关方法对第一高速摄像机4a采集得到的样品背面的烧蚀图像与初始得到的图像进行对比分析，对于未变形前的目标图像每一点(x，y)具有一个灰度值f(x，y)，变形后目标图像子区中每一点(x′，y′)具有一个新的灰度值g(x′，y′)，通过以下相关函数 

$C_{f,g}\left(\stackrel{\→}{p}\right)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[f(x,y)-f_m]\×[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[f(x,y)-f_m]}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}^2}}$

其中(x，y)表示变形前的坐标，(x′，y′)表示变形后的坐标，M表示选定的图像子区宽度的一半，f(x，y)表示变形前的灰度值函数，g(x′，y′)表示变形后的灰度值函数，f_m表示变形前的平均灰度值，g_m表示变形后的平均灰度值， 

其中u、v分别表示位移， 

表示相关函数，通过对相关函数 

求极值，可求得每一点的位移(u，v)，通过局部最小二乘拟合原理可以由位移场进一步计算出应变场(ε_x，ε_y，γ_xy)； 

6)根据以下公式，(其中E是材料的弹性模量，μ是泊松比) 

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_x+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_y)$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_y+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_x)$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{E}{2(1+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}$

可以计算出应力场； 

7)对第二高速摄像机4b拍摄得到的样品正面烧蚀变化过程的图像，通过放慢高速摄影得到的烧蚀过程动画，清晰观察并分析样品表面氧化物生成、流动和演化的动态过程。 

Claims (4)

1.一种模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置，其特征在于：该测试装置包括模拟燃烧室(2)、氧乙炔加热装置(8)、智能加水控制系统、湿度测量系统、温度测量系统、图像采集处理系统和样品夹持装置；所述智能加水控制系统包括喷雾器(12)、喷水器(13)和智能加水控制器(14)，喷雾器(12)和喷水器(13)分别通过信号线与智能加水控制器(14)连接；所述湿度测量系统包括湿度传感器(15)和湿度测量仪(16)，湿度传感器(15)通过信号线与湿度测量仪(16)连接；所述图像采集系统包括带有滤波片的第一高速摄像机(3a)、带有滤波片的第二高速摄像机(3b)、控制两台高速摄像机的第一计算机(17)以及光源(19)，两台高速摄像机分别位于模拟燃烧室的两侧，并分别透过第一高温石英玻璃窗口(20a)和第二高温石英玻璃窗口(20b)对样品(11)两侧烧蚀过程进行记录，同时两台高速摄像机经一个触发器由第一计算机实现同步控制；所述温度测量系统包括第一红外测温仪(5a)、第二红外测温仪(5b)和控制两台红外测温仪的第二计算机(18)，两台红外测温仪经一个触发器由第二计算机实现同步控制，分别透过第一高温石英玻璃窗口(20a)和第二高温石英玻璃窗口(20b)实现对样品(11)两侧表面烧蚀温度的记录。两台高速摄像机和两台红外测温仪均摆放在氧化烧蚀实验台(1)上。

2.按照权利要求1所述的模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置，其特征在于：样品夹持装置包括导轨(9)、支撑杆(9a)和夹具(10)，导轨固定在模拟燃烧室(2)的底部；支撑杆与导轨连接，沿导轨滑动。

3.按照权利要求1所述的模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置，其特征在于：所述的模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试装置还包括氧化烧蚀实验台(1)，模拟燃烧室固定在氧化烧蚀实验台上；第一高速摄像机、第二高速摄像机、第一红外测温仪和第二红外测温仪分别通过三脚架放置在氧化烧蚀实验台上。

4.一种采用如权利要求1所述的装置的模拟发动机燃烧室环境的动态氧化烧蚀测试方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在烧蚀之前，利用两台高速摄像机拍摄得到常温下样品的两个表面的图像，作为初始分析图像；

2)通过氧乙炔加热装置(8)对样品(11)一个表面进行加热烧蚀，同时打开智能加水控制器(14)，选择滴水或喷雾方式进行加水，待模拟燃烧室(2)的湿度达到实验要求后，两台高速摄像机同步开始进行实时拍摄，同时两台温度测量仪也同步进行实时温度测量，进行一段时间拍摄之后，停止拍摄；

3)利用数字图像相关方法对第一高速摄像机(4a)采集得到的样品背面的烧蚀图像与初始得到的图像进行对比分析处理，计算得到样品烧蚀后的应力应变；对第二高速摄像机(4b)拍摄得到的样品正面烧蚀变化过程的图像进行观察分析，得到样品表面烧蚀演化的动态过程。

Images