CN109307599B - 试验用高温环境模拟系统、可磨耗试验机及温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种试验用高温环境模拟系统、可磨耗试验机及温度控制方法。试验用高温环境模拟系统包括：叶片罩壳，内部具有腔室，用于容纳试验用叶片(7)；和火焰加热装置，用于向所述腔室内喷射火焰(3a)，以提升所述腔室的内部温度。本发明通过火焰加热装置向容纳试验用叶片的叶片罩壳的腔室内喷射火焰，能够有效地提高腔室的内部温度，从而实现试验用叶片的加热，使其更好地模拟发动机在实际工况下的高温环境，从而提高相关测试的精度。

Description

试验用高温环境模拟系统、可磨耗试验机及温度控制方法

技术领域

本发明涉及航空发动机试验领域，尤其涉及一种试验用高温环境模拟系统、可磨耗试验机及温度控制方法。

背景技术

国外对于超高速高温可磨耗试验设备的研制，起步于上世纪50年代。美国PWA(Pratt&Whitney Aircraft)公司、美国NASA研究中心、荷兰太空研究所(NLR)、瑞士SULZERMETCO、加拿大NRC、美国GE等研究机构和公司都对可磨耗试验机进行了研制。此类试验机可模拟涡喷发动机高温高速的工况，并通过测试来评价涡喷发动机叶片与机匣封严涂层在高温高速下的可刮削性能。这些国外研制的可磨耗试验机主要采用加热涂层试样的方式来模拟航空发动机的运行工况。

近年来，为了适应涂层可磨耗性研究的需要，国内部分研究所及企业也加大了对此类可磨耗试验机研制的力度。在国内已有的可磨耗试验机中，也主要采用加热涂层试样的方式。例如中国科学院金属研究所研制的可磨耗试验机采用辐照聚光加热装置对涂层试样进行加热。北京矿冶研究总院研制型号为AST500高温高速可磨耗试验机，采用氧气-乙炔火焰枪对涂层试样进行加热，温度可达800℃，可部分模拟高温气氛环境。北京矿冶研究总院研制型号为AST1000的高温超高速可磨耗试验机，采用氧气-丙烷超音速火焰枪加热，最高温度可达1200℃，可部分模拟高温气体冲蚀环境。

发明内容

发明人经过研究发现，在发动机实际的工作条件下，叶片和涂层都具有较高的温度，而现有的超高速高温可磨耗试验设备采用加热涂层试样使涂层试样达到发动机实际工作条件下的温度，而测试用的叶片温度较低，远没有达到发动机实际工作条件下的温度，因此其试验测试条件与发动机实际工作条件有一定的差别，其测试结果与发动机实际工作情况也会产生一定的差异。

有鉴于此，本发明提出一种试验用高温环境模拟系统、可磨耗试验机及温度控制方法，能够更好地模拟实际工况，以提高测试精度和可靠度。

为实现上述目的，本发明提供了一种试验用高温环境模拟系统，包括：

叶片罩壳，内部具有腔室，用于容纳试验用叶片；和

火焰加热装置，用于向所述腔室内喷射火焰，以提升所述腔室的内部温度。

进一步地，所述叶片罩壳包括至少两个分体罩壳，用于在组合时形成所述腔室，并在分离时形成取放所述试验用叶片的空间。

进一步地，所述至少两个分体罩壳包括在竖直方向上位于下方的下罩壳和位于上方的上罩壳，所述上罩壳能够相对于所述下罩壳运动，以与所述下罩壳共同组合成所述腔室，或与所述下罩壳分离。

进一步地，还包括：

第一支架，与所述至少两个分体罩壳分别连接，用于对所述至少两个分体罩壳分别进行支撑；和

第二支架，与至少部分所述至少两个分体罩壳连接，用于维持所述至少两个分体罩壳组合时的位置关系。

进一步地，在所述腔室内壁设有隔热材料层。

进一步地，所述火焰加热装置包括：

至少两个火焰枪，设置在所述叶片罩壳的外侧，其火焰喷射口指向或进入所述叶片罩壳上开设的通孔。

进一步地，所述喷射口的中心线与所述试验用叶片的外圆周相切。

进一步地，所述至少两个火焰枪相对于所述试验用叶片沿周向等角度设置。

进一步地，所述至少两个火焰枪还包括用于对涂层磨耗试验中的涂层试样进行加热的涂层加热火焰枪。

进一步地，还包括：

火焰导流罩，设置在所述涂层磨耗试验用的进给平台上，用于在进给过程中随所述进给平台相对于所述叶片罩壳移动，以便在涂层磨耗试验时与所述叶片罩壳形成热气流的引导通道。

进一步地，在所述涂层加热火焰枪的上游设有角度可调的气体导流板，用于防止火焰被高速气流吹散，减少火焰热流能量的散失。

进一步地，所述至少两个火焰枪相对于所述叶片罩壳的设置位置和/或喷射角度可调。

进一步地，所述至少两个火焰枪的焰流强度可调。

进一步地，在所述叶片罩壳与所述试验用叶片的主轴之间还设有动密封结构。

进一步地，所述试验用叶片为发动机真实叶片或测试叶片。

进一步地，还包括：

至少一个温度传感器，设置在所述叶片罩壳内，用于感测所述腔室的内部温度；和

至少一个温度调节器，设置在所述叶片罩壳内，用于根据所述至少一个温度传感器的感测数据调节所述腔室的内部温度。

进一步地，所述至少一个温度传感器包括多个温度传感器，分布在所述叶片罩壳内的不同位置。

进一步地，所述温度调节器包括：

压缩气路，与所述腔室连通，用于向所述腔室内通入压缩空气，以形成所述腔室内的空气对流；和

流量调节阀，设置在所述压缩气路中，用于调节所述压缩气路中压缩空气的流量，以调整所述腔室的内部温度。

进一步地，所述压缩气路的排气口临近设置在所述火焰加热装置的至少一侧。

为实现上述目的，本发明还提供了一种可磨耗试验机，包括：前述的试验用高温环境模拟系统。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于前述的试验用高温环境模拟系统的温度控制方法，包括：

启动所述火焰加热装置向所述腔室内喷射火焰；

根据所述温度传感器的感测值，判断所述腔室的实际内部温度与设定温度的差值绝对值是否小于粗调阈值；

如果小于粗调阈值，则通过所述温度调节器对所述腔室的内部温度进行精调，直至所述腔室的内部温度与所述设定温度的差值绝对值小于精调阈值；

如果不小于粗调阈值，则调整所述火焰加热装置的位姿和/或调整所述火焰加热装置的焰流强度。

基于上述技术方案，本发明通过火焰加热装置向容纳试验用叶片的叶片罩壳的腔室内喷射火焰，能够有效地提高腔室的内部温度，从而实现试验用叶片的加热，使其更好地模拟发动机在实际工况下的高温环境，从而提高相关测试的精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明可磨耗试验机的一实施例的结构示意图。

图2为本发明温度控制方法的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明可磨耗试验机的一实施例的结构示意图。参考图1，在一些实施例中，可磨耗试验机主要包括进给系统和转子系统，其中，转子系统包括试验用叶片7和驱动机构。驱动机构可根据需要测试的发动机工况驱动试验用叶片7转动。进给系统包括进给平台2和数据测试仪器。在进给平台2上安装有涂层试样22，并能够实现精密的进给操作。数据测试仪器可以测量涂层试样与试验用叶片7之间高速碰磨时的碰磨数据，例如径向正压力、周向摩擦力等。

在图1中，进给系统可采用刚性基座8进行支撑，以确保系统刚度满足试验要求(例如≥500N/μm)。刚性基座8可采用稳定性好的方钢横梁，方钢横梁可与可磨耗试验机主机通过导轨9连接，并在导轨9上滑动来进行轴向位置调整。在刚性基座8上可安装调节进给平台2的高度的支承座21，支承座21可在刚性基座8上进行位置调整，以确保进给平台2能够在最佳的行程范围内工作。

进给平台2可采用能够实现精密进给和微进给的高精度十字交叉滚柱丝杠机构。具体来说，步进电机可按照给定的脉冲频率转动，并经联轴器将扭矩传到高精度的十字交叉滚柱丝杠，带动十字交叉滚柱丝杠旋转，从而拖动进给平台2在试验用叶片7的径向和轴向上前后滑动。进给平台2上靠近试验用叶片7的一侧可通过夹具安装涂层试样22。当进给平台2运动时，也会带动涂层试样22一起实现精密进给。

为了有效地模拟试验机的高温环境，在可磨耗试验机中还可包括试验用高温环境模拟系统。参考图1，在一些实施例中，试验用高温环境模拟系统包括：叶片罩壳和火焰加热装置。叶片罩壳内部具有腔室，用于容纳试验用叶片7。叶片罩壳可以为整体式结构，而为了方便试验用叶片、配重等的安装，叶片罩壳也可为分体式，即叶片罩壳可包括至少两个分体罩壳。至少两个分体罩壳可以在组合时形成容纳试验用叶片的腔室。而在需要进行试验用叶片安装或拆卸时，可将至少两个分体罩壳相互分离，以便形成取放所述试验用叶片7的空间。

为了实现至少两个分体罩壳的支撑和固定，在一些实施例中，试验用高温环境模拟系统还可包括第一支架和第二支架。其中，第一支架与所述至少两个分体罩壳分别连接，用于对所述至少两个分体罩壳分别进行支撑。第二支架与至少部分所述至少两个分体罩壳连接，用于维持所述至少两个分体罩壳组合时的位置关系。

在图1中，至少两个分体罩壳可以包括在竖直方向上位于下方的下罩壳11和位于上方的上罩壳12。下罩壳11可通过第一支架41和42进行支撑和固定，而上罩壳12能够相对于所述下罩壳11运动。上罩壳12靠近火焰枪33的一端可与第一支架42进行铰接，从而通过第一支架42对该端进行支撑。通过上罩壳12上的吊环4可使上罩壳12绕第一支架42的铰接轴沿图1中的顺时针方向转动，直至与下罩壳11闭合，而共同组合成容纳试验用叶片7的腔室。此时，还可通过第二支架43对上罩壳11进行锁定，从而维持上下罩壳组合时的位置关系，并保证上罩壳11的轴向位置不变。通过起升吊环14，还可以使上罩壳12绕第一支架42的铰接轴沿图1中逆时针方向转动，与下罩壳11分离，以形成试验用叶片及其他部件的取放空间。

在本实施例中，火焰加热装置用于向所述腔室内喷射火焰，以提升所述腔室的内部温度。参考图1，在一些实施例中，火焰加热装置可包括至少两个火焰枪，例如图1中的火焰枪31、火焰枪32和火焰枪33，这些火焰枪可通过支架34等进行固定和位置调整。火焰枪可以为氧气-丙烷燃烧的火焰喷枪，或采用其他燃料例如乙炔、天然气等的火焰喷枪。至少两个火焰枪可设置在所述叶片罩壳的外侧，其火焰喷射口指向或进入所述叶片罩壳上开设的通孔。从火焰枪的火焰喷射口喷出的火焰3a能够迅速的提高腔室内的温度，并使得腔室内部的气流能够形成高速的热交换，从而使得设置在腔室内的试验用叶片的温度得以提升。

在布置火焰枪时，可使至少两个火焰枪相对于试验用叶片7沿周向等角度设置。例如图1中，将火焰枪31、32、33按照每120度周向布置。通过周向均匀布置多个火焰枪，不仅能够促进叶片罩壳内部的温度均匀性，还能够在试验时迅速提高加热温度，实现快速加温，有效地缩短了检测试验的时间。另外，至少两个火焰枪31、32、33的焰流强度可调，从而实现更为精确的加热温度控制。

根据加热温度的实际需要，可对火焰枪的设置位置进行调整。在调整火焰枪的姿态时，可参考图1，将火焰枪的喷射口的中心线与所述试验用叶片7的外圆周相切。这样既可以对试验用叶片进行直接加热，也实现了腔室内温度的快速提升。根据加热温度的实际需要，可对火焰枪的姿态进行调整。

考虑到火焰加热装置在向叶片罩壳的内腔喷射火焰时，会使叶片罩壳的温度过热，并且还会通过叶片罩壳向外散热，因此参考图1，在一些实施例中，可在腔室内壁设置隔热材料层13，以便对叶片罩壳的内腔与罩壳本身进行热隔离。隔热材料层13优选采用陶瓷真空纤维毡，也可以采用其他能够实现高温隔热的材料，例如蛭石板等。

另外，为了使叶片罩壳的腔室内热气不容易外泄，还可以在所述叶片罩壳与所述试验用叶片7的主轴之间设置动密封结构，以免热气从叶片罩壳和主轴之间的间隙向外泄出，从而更好地维持腔室内部温度，减少火焰加热装置的能量消耗。

在前面提到操作人员可根据实际需要求调整火焰枪的位姿，以便使火焰加热装置在对腔室内加热后的实际内部温度接近设定温度。而为了使实际内部温度的可控性，使其更精确地达到设定温度，则在另一些实施例中，可在试验用高温环境模拟系统加入温控功能。具体来说，一些实施例中的试验用高温环境模拟系统还包括：至少一个温度传感器和至少一个温度调节器。该至少一个温度传感器设置在所述叶片罩壳内，用于感测所述腔室的内部温度。至少一个温度调节器设置在所述叶片罩壳内，用于根据所述至少一个温度传感器的感测数据调节所述腔室的内部温度。

在图1实施例中，设置有三个温度传感器和两个温度调节器。其中，三个温度传感器分别为温度传感器51、52和53，并分布在所述叶片罩壳内的不同位置，例如下罩壳11的底部、上罩壳12的侧部和下罩壳11靠近试验用叶片7的主轴的位置等。温度传感器可采用热电偶或红外感应器等。根据需要还可以设置更多的温度传感器，并分布到更多的位置，这样可了解叶片罩壳的腔室内各个部位的温度分布。另外，在进行温度控制时，各个温度传感器的感测数据可以用来计算均值，以便消除部分温度传感器的测量误差的影响。

两个温度调节器分别为温度调节器61和62，这些温度调节器可根据需要设置在适当的位置。例如将温度调节器临近火焰加热装置设置等。而参考图1，在一些实施例中，温度调节器可以包括：压缩气路和流量控制阀。压缩气路与叶片罩壳的腔室连通，用于向所述腔室内通入压缩空气，以形成所述腔室内的空气对流。由于压缩空气的温度相对较低，在通入腔室后能够对腔室的内部温度进行均衡。另外，压缩空气在腔室内形成的气流可促使火焰形成的热空气快速流动，从而促进腔室内温度更加一致。参考图1，压缩气路的排气口优选临近设置在所述火焰加热装置的至少一侧，以便使压缩空气能够迅速的参与火焰形成的热气的循环。

流量调节阀可设置在所述压缩气路中，用于调节所述压缩气路中压缩空气的流量，以调整所述腔室的内部温度。有关的控制单元，例如本地控制器或远程控制平台等，可根据温度传感器的感测数据来控制流量调节阀的开闭和开度。在另一些实施例中，温度调节器也可以包括对火焰加热装置的燃料流量进行控制的阀门。

根据试验的需要，试验用叶片可以为测试叶片，也可直接使用发动机真实叶片。当发动机真实叶片被设置在叶片罩壳内部时，其叶片部分和轮盘的温度都能够得到提升，从而更好地模拟出发动机真实工况下的温度环境。

上述本发明的试验用高温环境模拟系统的各实施例可不仅应用在可磨耗试验机的高温环境模拟，还可以应用到试验用叶片的其他测试场景(例如叶片的疲劳、振动等测试场景)的相关设备中。

仍以图1所示的涂层磨耗试验用的可磨耗试验机为例，涂层试样在试验时通常也需要进行高温加热，因此，在一些实施例中，试验用高温环境模拟系统中的至少两个火焰枪中还包括用于对涂层磨耗试验中的涂层试样22进行加热的涂层加热火焰枪，即火焰枪31。火焰枪31喷射的火焰3a不仅对涂层试样22进行了加热，其形成的热气流也通过叶片罩壳的开口流入到叶片罩壳的腔室内。

在涂层磨耗试验过程中，进给平台2会带动涂层试样22相对于试验用叶片7运动，而为了限制进给平台2在运动过程中造成热量外泄，可在进给平台2上设置火焰导流罩23。该火焰导流罩23能够在进给过程中随所述进给平台2相对于所述叶片罩壳移动，以便在涂层磨耗试验时与所述叶片罩壳形成热气流的引导通道，防止火焰热流流到叶片罩壳以外，损伤进给平台及测量仪器。在图1中，火焰枪31的火焰3a通过火焰导流罩23将热气流引入叶片罩壳的腔室中。

为了使叶片罩壳不会对火焰导流罩23造成干涉，可在叶片罩壳靠近进给平台2的一侧设置与火焰导流罩23的形状相适配的开口。

另外，由于涂层加热火焰枪的火焰3a需要对准涂层试样22进行加热，试验机驱动机构的高速运转会引起腔室内气流的高速流动，高速气流会将火焰3a吹向远离叶片的方向，导致火焰热流的散失，且被高速气流吹到远离叶片的方向的火焰会造成其他设备温度的升高，影响其他设备的正常运行。而为了避免或减少腔室内的气流对涂层加热火焰枪的火焰3a的影响，减少火焰热流热量的散失，在另一些实施例中，可在所述涂层加热火焰枪的上游设置角度可调的气体导流板。这里的上游是基于热空气沿腔室周向内壁流动的方向确定的。气体导流板可可以减少高速气流对火焰3a的影响，减少火焰热流热量的散失。

基于上述试验用高温环境模拟系统的各实施例，本发明还提供了相应的温度控制方法。参考图2所示的温度控制方法实施例的流程图，温度控制方法包括：

步骤100、启动所述火焰加热装置向所述腔室内喷射火焰；

步骤200、根据所述温度传感器的感测值，判断所述腔室的实际内部温度与设定温度的差值绝对值是否小于粗调阈值，如果小于粗调阈值，则执行步骤300，否则执行步骤400；

步骤300、通过所述温度调节器对所述腔室的内部温度进行精调，直至所述腔室的内部温度与所述设定温度的差值绝对值小于精调阈值；

步骤400、调整所述火焰加热装置的位姿和/或调整所述火焰加热装置的焰流强度。

上述步骤均可通过一个或多个控制单元完成，控制单元可以为本地控制器或远程控制平台。粗调阈值可设置为相对于精调阈值较大的温度数值，例如30℃、50℃或80℃等，而精调阈值则可设置为相对于粗调阈值较小的温度数值，例如2℃、5℃、10℃等。

在步骤300中，控制单元可基于温度传感器的感测数值对温度调节器进行反馈控制，以使腔室的实际内部温度更加接近设定温度。在步骤400中，操作人员可根据需要停机，并通过手动或一些自动调整手段对火焰加热装置的位姿进行调整，例如调整火焰枪的喷射角度和/或调整火焰枪相对于所述叶片罩壳的设置位置等，然后再重新开机。而火焰加热装置的焰流强度也可根据需要选择停机调整或实时调整。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (13)

1.一种试验用高温环境模拟系统，包括：

叶片罩壳，内部具有腔室，用于容纳试验用叶片(7)；和

火焰加热装置，用于向所述腔室内喷射火焰(3a)，以提升所述腔室的内部温度；

火焰导流罩(23)，设置在涂层磨耗试验用的进给平台(2)上，用于在进给过程中随所述进给平台(2)相对于所述叶片罩壳移动，以便在所述涂层磨耗试验时与所述叶片罩壳形成热气流的引导通道；

至少一个温度调节器(61，62)，设置在所述叶片罩壳内；

其中，所述火焰加热装置包括：

至少两个火焰枪(31，32，33)，设置在所述叶片罩壳的外侧，所述至少两个火焰枪(31，32，33)的火焰喷射口指向或进入所述叶片罩壳上开设的通孔，所述至少两个火焰枪(31，32，33)相对于所述试验用叶片(7)沿周向等角度设置，且所述火焰喷射口的中心线与所述试验用叶片(7)的外圆周相切，所述至少两个火焰枪(31，32，33)还包括用于对所述涂层磨耗试验中的涂层试样(22)进行加热的涂层加热火焰枪，在所述涂层加热火焰枪的上游设有角度可调的气体导流板，用于防止火焰(3a)被高速气流吹散，减少火焰热流能量的散失；

所述温度调节器(61，62)包括：

压缩气路，与所述腔室连通，用于向所述腔室内通入压缩空气，以形成所述腔室内的空气对流，所述压缩气路的排气口临近设置在所述火焰加热装置的至少一侧；和

流量调节阀，设置在所述压缩气路中，用于调节所述压缩气路中压缩空气的流量，以调整所述腔室的内部温度。

2.根据权利要求1所述的试验用高温环境模拟系统，其中，所述叶片罩壳包括至少两个分体罩壳，用于在组合时形成所述腔室，并在分离时形成取放所述试验用叶片(7)的空间。

3.根据权利要求2所述的试验用高温环境模拟系统，其中，所述至少两个分体罩壳包括在竖直方向上位于下方的下罩壳(11)和位于上方的上罩壳(12)，所述上罩壳(12)能够相对于所述下罩壳(11)运动，以与所述下罩壳(11)共同组合成所述腔室，或与所述下罩壳(11)分离。

4.根据权利要求2所述的试验用高温环境模拟系统，还包括：

第一支架(41，42)，与所述至少两个分体罩壳分别连接，用于对所述至少两个分体罩壳分别进行支撑；和

第二支架(43)，与所述至少两个分体罩壳的至少部分连接，用于维持所述至少两个分体罩壳组合时的位置关系。

5.根据权利要求1所述的试验用高温环境模拟系统，其中，在所述腔室内壁设有隔热材料层(13)。

6.根据权利要求1所述的试验用高温环境模拟系统，其中，所述至少两个火焰枪(31，32，33)相对于所述叶片罩壳的设置位置和/或喷射角度可调。

7.根据权利要求1所述的试验用高温环境模拟系统，其中，所述至少两个火焰枪(31，32，33)的焰流强度可调。

8.根据权利要求1所述的试验用高温环境模拟系统，其中，在所述叶片罩壳与所述试验用叶片(7)的主轴之间还设有动密封结构。

9.根据权利要求1所述的试验用高温环境模拟系统，其中，所述试验用叶片(7)为发动机真实叶片或测试叶片。

10.根据权利要求1～9任一所述的试验用高温环境模拟系统，还包括：

至少一个温度传感器(51，52，53)，设置在所述叶片罩壳内，用于感测所述腔室的内部温度；和

至少一个温度调节器(61，62)被配置为根据所述至少一个温度传感器(51，52，53)的感测数据调节所述腔室的内部温度。

11.根据权利要求10所述的试验用高温环境模拟系统，其中，所述至少一个温度传感器(51，52，53)包括多个温度传感器(51，52，53)，分布在所述叶片罩壳内的不同位置。

12.一种可磨耗试验机，包括：权利要求1～11任一所述的试验用高温环境模拟系统。

13.一种基于权利要求10～11任一所述的试验用高温环境模拟系统的温度控制方法，包括：

启动所述火焰加热装置向所述腔室内喷射火焰(3a)；

根据所述温度传感器(51，52，53)的感测值，判断所述腔室的实际内部温度与设定温度的差值绝对值是否小于粗调阈值；

如果小于粗调阈值，则通过所述温度调节器(61，62)对所述腔室的内部温度进行精调，直至所述腔室的内部温度与所述设定温度的差值绝对值小于精调阈值；

如果不小于粗调阈值，则调整所述火焰加热装置的位姿和/或调整所述火焰加热装置的焰流强度。

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