CN106679820A - 一种基于红外测温原理的钛起燃试验中温度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于红外测温原理的钛起燃试验中温度测量系统，属于一种燃试验中温度测量系统。包括：钛点燃系统、红外测温系统、热电偶对照系统、数据处理系统；所述钛点燃系统包括：乙炔氧气焰点火器、固定钛片的支架、起保护和带有光学窗口的燃烧腔室；红外测温系统包括：光学系统、光纤、数据处理模块组成；热电偶标定系统是将热电偶固定在红外探测点的两侧，利用红外探测系统测得的信号和热电偶测得的温度进行比较。本发明所搭建的钛起火温度测量系统相比传统的测量系统，具有相应速度快、测量精度高、不破坏试件结构及对流场干扰小的特点，可方便完成涡轮叶片表面温度精确测量及实时监测。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机测量技术领域，更具体的是一种燃试验中温度测量系统。
背景技术
钛及钛合金由于其具有比重小、强度高、耐蚀、耐高温、无磁性、可焊接等优异的综合性能，己经被广泛的应用于各个领域，尤其是在航空发动机工业中的应用范围及数量日益增长。由于钛合金自身具有的导热系数低，氧化生成热高和燃烧生成热高的特性，导致普通的钛合金在特定的航空发动机的环境下(高温、高压以及高速气流的冲击)服役时，容易被点燃，并且发生持续的燃烧，这会导致钛火故障的发生。通常情况下，发动机中钛燃烧的时间约为4-20s，造成重大的事故，严重危及飞行安全。
温度是航空发动机工作过程中一个重要的参数，对航空发动机的研制、试验、生产和使用维修有着重要意义。研制高强度、耐高温以及具有抗燃烧性能的钛合金是解决航空发动机中“钛火”事故发生的最根本的方法。而准确测量钛起火的温度则是研制高强度、耐高温的钛合金的前提。
现有的钛起燃试验温度测量的研究，所采用的钛点燃方法，比较复杂且成本高，起燃温度的测量误差较大且无法评估误差具体数值。美国Clark等人发展了CO2激光器作为点火源，在静态环境下研究了较大尺寸块状钛和钛合金的燃烧，其中的测温部分是通过双波长高温计来测量样品表面的温度。为了模拟和再现航空发动机中钛制零件的摩擦着火现象,俄罗斯设计制造了以表面摩擦为点火源的钛合金阻燃性能测试装置,俄罗斯用此装置测定了BTT-1和BTT-3的阻燃性能。其中有关温度的测量是用热电偶来实现的。
西北有色金属研究院赵永庆等人利用直流电弧激发法将钛合金试样点燃，它是在一定的电流和电压条件下点燃钛合金一定时间。相比于以前的液滴点燃法和摩擦点燃法，它具有自动控制点燃参数的优点，能更有效的区分开不同合金在点燃时需要的点燃条件，其中未提到温度测量的方法。北京航空材料研究院的弭光宝等采用摩擦点燃方法研究摩擦接触压力和预混气流氧浓度对Ti40钛合金抗点燃性能的影响。其中也涉及到不同条件下钛合金起火温度的研究，起火温度的测量是由热电偶进行测量的。
利用传统的接触式热电偶的测温方法，由于钛起燃速度快，热电偶需要在温度达到平衡时才能准确测量，表现出响应速度慢的缺点。非接触式的红外双波长测温方法是利用两个选定波长下测定目标的辐射亮度比，来消除材料发射率的影响进而得到其真实温度，此法对灰体材料是有效的，但对一般非灰体材料会造成较大的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于红外测温原理的钛起燃试验中温度测量系统，以期对钛起燃温度进行实时准确监测。
本发明提供了一种基于红外测温原理的钛起燃试验中温度测量系统，包括：钛点燃系统、红外测温系统、热电偶对照系统、数据处理系统；所述钛点燃系统包括：乙炔氧气焰点火器、固定钛片的支架、起保护和带有光学窗口的燃烧腔室；红外测温系统包括：光学系统、光纤、数据处理模块组成，其中光学系统采集钛起火燃烧产生的红外辐射，通过光纤传输至数据处理模块转换为电学信号，经过数据采集上传到数据处理系统；热电偶标定系统是将热电偶固定在红外探测点的两侧，利用红外探测系统测得的信号和热电偶测得的温度进行比较，来验证红外测温系统的准确性。
进一步的，所述钛点燃系统与红外测温系统分别设置于待燃烧的钛片两侧，设置2个对照热电偶分别位于钛片燃烧点的两侧。
本发明所搭建的钛起火点燃装置相比传统的钛滴点燃法、CO2激光器点燃法、摩擦点燃，直流电弧法，易于搭建，成本低，能够较为真实的模拟钛剧烈燃烧的工况。本发明所构建的红外测温系统，采用钛点燃系统采用氧-乙炔焰进行点燃的好处在于:相比于传统的钛滴点燃法、CO2激光器点燃法、摩擦点燃，直流电弧法，易于搭建，成本低，能够较为真实的模拟钛剧烈燃烧的工况；所采用的多波长红外测温系统的好处在于:多波长协同测量可以实现温度大量程高精度监测。通过采用1050nm与940nm两个波段进行温度测量，扩大了温度测量的量程。低温段采用1050nm波段进行温度测量，高温段采用940nm波段进行温度测量；并且响应速度快，能够捕获起火瞬间温度的变化。所采用的热电偶比较系统的优点在于:进一步加强测温的准确性，能够和红外测温系统测得的数据进行比较，从侧面反映出红外测温系统的测温准确性。
附图说明
图1为本发明红外测温系统的整体结构示意图；
图2为热电偶的安装和红外探头探测区域的示意图。
图2中：1-钛片2-红外探头3-氧-乙炔焰4-高精度热电偶5-石英窗口。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明:首先将钛片1(150mm*15mm*1mm)打磨光滑、去掉表面的氧化层，经过丙酮和无水乙醇清洗，最后超声清洗2-3次；清洗之后，在钛片上用点焊机点焊两根高精度热电偶4，需保证与钛片接触良好，两根热电偶之间保持一定的距离；然后搭建钛点燃系统，将钛片固定在支架上，并与石英玻璃窗口垂直；再搭建红外测温的光学系统，包括红外探头2、光纤的构建，使得红外探头、光学窗口5和钛片在一条直线上；红外探头的探测范围需要保证在两个热电偶与钛片的接触点之间；最后用氧-乙炔焰3将钛火点燃，开始测温。
本发明所述的一种基于红外测温原理的钛起燃试验中温度测量方法，经过实际的氧-乙炔焰将钛片点燃，利用红外测温设备进行实时测量，结果显示能够实时、准确的响应钛点燃过程中的温度变化，克服了热电偶测温时响应速度慢和双波长测量中实际物体不能当做灰体测量而引起误差的缺点，测温成本低，精度高，具有极大的应用价值。
Claims (2)
1.一种基于红外测温原理的钛起燃试验中温度测量系统，包括：钛点燃系统、红外测温系统、热电偶对照系统、数据处理系统；所述钛点燃系统包括：乙炔氧气焰点火器、固定钛片的支架、起保护和带有光学窗口的燃烧腔室；红外测温系统包括：光学系统、光纤、数据处理模块组成，其中光学系统采集钛起火燃烧产生的红外辐射，通过光纤传输至数据处理模块转换为电学信号，经过数据采集上传到数据处理系统；热电偶标定系统是将热电偶固定在红外探测点的两侧，利用红外探测系统测得的信号和热电偶测得的温度进行比较，来验证红外测温系统的准确性。
2.如权利要求1所述的一种基于红外测温原理的钛起燃试验中温度测量系统，其特征在于所述钛点燃系统与红外测温系统分别设置于待燃烧的钛片两侧，设置2个对照热电偶分别位于钛片燃烧点的两侧。
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