CN113640164A - 一种超高温风洞冲蚀试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高温风洞冲蚀试验系统，包括燃料系统、冲蚀系统、冲蚀喷枪、试件工装和试验装置，所述冲蚀喷枪分别与所述燃料系统和冲蚀系统相连，所述冲蚀喷枪设置于一提升旋转机构上，所述试件工装则设于所述提升旋转机构的一侧并与所述冲蚀喷枪的枪口相对置，所述试验装置与所述试件工装相连。本发明的超高温风洞冲蚀试验系统，提供一种提升旋转机构且将多组试件绕提升旋转机构环形设置，通过提升旋转机构带动高速冲蚀喷枪提升或旋转，既可以调整喷枪的角度及与不同试件间的相对位置，又能同时实现多组试件的冲蚀性能测试，操作方便。

Description

一种超高温风洞冲蚀试验系统
技术领域
本发明涉及材料性能测试领域，更具体地涉及一种超高温风洞冲蚀试验系统。
背景技术
航空发动机高速运转时，存在较大气流、较大火焰焰流和较高温度、较多的燃料燃烧产物存在，这些复杂的环境对发动机内部热端部件是极大考验。目前，多采用热障涂层作为发动机内部热端部件的表面关键结构材料。在实际服役过程中，热障涂层处于极其恶劣而又复杂的热、力、化学耦合的环境，其可能出现开裂、脱落、界面分离等失效和断裂。因此，航空发动机在服役前需要完成服役环境考核，即风洞试验验证，而风洞试验测试极其昂贵，为了降低成本，需要研制一种低成本的试验系统以模拟风洞试验测试，从而完成热障涂层材料性能测试。
中国专利申请CN103091189A公开了一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，包括安装有静态或是动态旋转试样夹持装置的试验测试平台、服役环境模拟模块、实时检测模块、控制平台等，服役环境模拟模块包括能模拟热障涂层涡轮叶片高温热疲劳、温度梯度、冲蚀、腐蚀的高温燃气喷枪、冲蚀颗粒加料系统、腐蚀服役环境模块、燃气输送系统，通过模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高温、冲蚀、腐蚀的服役环境，实现了热疲劳、高温腐蚀和高温冲蚀等多种破坏过程的一体化模拟。
但是，现有技术的试验装置只能对一种类型的试件进行测试，如果要对其他类型的试件进行测试，需要将前一试样拆除；且现有的试验装置无法自动调整冲蚀喷枪角度及与试件间的相对位置，导致操作不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高温风洞冲蚀试验系统，以模拟风洞试验测试，并同时对多组不同试件进行材料性能测试。
为实现上述目的，本发明提供一种超高温风洞冲蚀试验系统，包括：燃料系统、冲蚀系统、冲蚀喷枪、试件工装和试验装置，所述冲蚀喷枪分别与所述燃料系统和冲蚀系统相连，所述冲蚀喷枪设置于一提升旋转机构上，所述试件工装则设于所述提升旋转机构的一侧并与所述冲蚀喷枪的枪口相对置，所述试验装置与所述试件工装相连。
进一步地，所述提升旋转机构包括底座和固定在所述底座上的旋转支架，所述旋转支架外侧从下至上依次套设有支撑螺母、支撑弹簧、导向套和过渡套，所述支撑螺母和过渡套均与所述旋转支架螺纹连接，所述支撑弹簧和所述导向套与所述旋转支架滑动配合，所述导向套上固定有悬臂支撑板，所述高速冲蚀喷枪固定在所述悬臂支撑板上。
进一步地，所述旋转支架内设置有砝码，所述旋转支架上，砝码通过一滑轮机构与所述悬臂支撑板相连。
进一步地，所述滑轮机构包括导向轮和钢丝绳，所述导向轮通过轴安装在所述旋转支架的顶部，所述钢丝绳两端分别与所述砝码和悬臂支撑板相连。
进一步地，所述旋转支架的外侧套设有连接环，所述连接环位于所述支撑螺母和弹簧之间，所述连接环与所述悬臂支撑板相连。
进一步地，所述弹簧和导向套外侧套设有防尘罩，所述防尘罩的两端分别与所述连接环和悬臂支撑板相连。
进一步地，所述底座上固定有导向柱，所述连接环上设置有导向槽，所述导向柱滑动在所述导向槽中。
进一步地，所述过渡套上设置有旋转手柄。
进一步地，所述悬臂支撑板上设置有平动手柄。
进一步地，所述试件工装绕所述提升旋转机构环形设置。
进一步地，绕所述提升旋转机构环形设置的试件工装包括楔形试件、圆形试件、矩形试件和空心管试件。
进一步地，还包括隔音降噪室，所述冲蚀喷枪、提升旋转机构、试件工装和试验装置位于所述隔音降噪室内。
进一步地，所述冲蚀喷枪内具有拉法尔喷管式结构。
本发明的超高温风洞冲蚀试验系统，提供一种提升旋转机构且将多组试件绕提升旋转机构环形设置，通过提升旋转机构带动高速冲蚀喷枪提升或旋转，既可以调整喷枪的角度及与不同试件间的相对位置，又能同时实现多组试件的冲蚀性能测试，操作方便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超高温风洞冲蚀试验系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的超高温风洞冲蚀试验系统的高速冲蚀喷枪、提升旋转机构和试件工装的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的超高温风洞冲蚀试验系统的楔形试件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的超高温风洞冲蚀试验系统的圆形试件的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的超高温风洞冲蚀试验系统的提升旋转机构的结构示意图；
图6为图5的主视图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种超高温风洞冲蚀试验系统，包括燃料系统1、冲蚀系统2、高速冲蚀喷枪3、提升旋转机构4、试件工装5和试验装置(图中未示出)，其中燃料系统1和冲蚀系统2分别与高速冲蚀喷枪3相连，高速冲蚀喷枪3固定在提升旋转机构4上，提升旋转机构4可带动高速冲蚀喷枪3实现上下、左右移动，试件工装5位于高速冲蚀喷枪3的一侧，且对准高速冲蚀喷枪3的枪头，试验装置用于对试件工装进行材料性能测试。燃料系统1燃烧产生高温，利用高速冲蚀喷枪3形成高速火焰焰流，冲蚀系统2将冲蚀粒子经过高速冲蚀喷枪3输送出来，与火焰焰流结合形成高温高速冲蚀粒子，并喷射至试件工装5，从而模拟航空发动机真实的服役环境，试验装置对试件工装5进行材料性能测试，从而得到试件在服役环境下的测试结果。
试验装置可以设置为材料力学性能试验机，实现在复杂机械载荷与高温高速冲蚀联合作用下的材料性能测试。
燃料系统1包括第一存储罐111、第二存储罐112和气路控制装置12，第一存储罐111中存储有燃料，第二存储罐112中存储有液态氧气，第一存储罐111和第二存储罐112通过气路控制装置12与高速冲蚀喷枪3相连，从而使燃料和液态氧气进入高速冲蚀喷枪3并在其中燃烧形成高温火焰焰流。气路控制装置12可控制进入高速冲蚀喷枪3中的燃料和液态氧气的量，从而实现温度的精确控制。通过燃料系统1可实现2000℃以上的超高温。
具体地，第一存储罐111和第二存储罐112上设置有阀门(图中未示出)，气路控制装置12通过对阀门进行控制而实现温度的调控。优选地，阀门为可调开度的阀门，从而实现对温度的精准控制。
冲蚀系统2包括相互连通的气源21和冲蚀颗粒装置22，冲蚀颗粒装置22与高速冲蚀喷枪3相连，冲蚀颗粒装置22内存储有冲蚀粒子，且可实现粒子数量计算和调整，冲蚀粒子可以为氧化铝、氧化锆等此温度下尚未融化的颗粒物，气源21产生的高压气将冲蚀颗粒装置22内部的冲蚀粒子送入高速冲蚀喷枪3中，并与高温火焰焰流结合形成高温高速的冲蚀粒子。为实现粒子数量的精准测量和控制，可在高速冲蚀喷枪3与冲蚀颗粒装置22之间设置过滤器(图中未示出)。冲蚀颗粒装置22内部设置有可观察仪器仪表，用于观察送粉的进气压力、输气流量等参数。
高速冲蚀喷枪3内部具有拉法尔喷管式结构，从而使通过的气流从亚音速到音速，甚至加速至超音速，且枪头可根据试验需求进行更换，实现速度调整。通过拉法尔喷管式结构，本实施例可实现6.5马赫数的高速。
由于速度大于音速后将产生较大噪音，为降低噪音影响，在本发明实施例中，将高速冲蚀喷枪3、提升旋转机构4、试件工装5和试验装置设置于一隔音降噪室6内。
在一实施例中，超高温风洞冲蚀试验系统还包括排热装置7，其置于隔音降噪室6之外，且一端(排热端)伸入隔音降噪室6内的试件工装5远离高速冲蚀喷枪3的一侧，用于将燃料高温燃烧产生的余热输送至室外，避免试验中热量与颗粒粉尘对整体装置造成热蚀。
隔音降噪室6内还设置有非接触测温装置81和热电偶82，非接触测温装置81用于测量试件工装5靠近高速冲蚀喷枪3一侧(正面)的温度，热电偶82设置于试件工装5远离高速冲蚀喷枪3一侧的温度，用于测量试件工装5另一侧(背面)的温度，两者可进行温度对比试验。其中，非接触测温装置81可以采用光电比色计。
隔音降噪室6外还设置有控制装置9，其分别与燃料系统1、冲蚀系统2、非接触测温装置81和热电偶82相连，当试件工装5的实际温度高于或低于设定温度时，通过调节燃料系统1中燃料与液态氧气的量，从而调节试件工装5的温度。
控制装置9还可设置为用于采集试验过程中的试验信息并对其进行储存，便于读取与分析数据，试验信息包括冲蚀温度和时间、试件正面和背面温度以及正背面温度差等。在一可行的实施方式中，控制装置9为计算机。
如图2所示，试件工装5包括楔形试件工装51、圆形试件工装52和支架53，楔形试件工装51和圆形试件工装52均设置于支架53上。高速冲蚀喷枪3将高温高速的冲蚀粒子喷射向楔形试件工装51或圆形试件工装52，从而使其处于高温冲蚀环境。
如图3所示，楔形试件工装51包括楔形试件511、左夹头512、右夹头513、支柱514、夹套515和刻度盘516，刻度盘516固定在支架53上，支柱514通过夹套515安装在刻度盘516上，夹套515固定在刻度盘516上，支柱514则在夹套515内旋转，左夹头512和右夹头513固定在支柱514上，楔形试件511被夹持在左夹头512和右夹头513之间。刻度盘516用于标记角度，楔形试件511可根据需要旋转至任意角度，从而模拟航空发动机叶片在工作时的旋转。
如图4所示，圆形试件工装52包括圆形试件521、上夹头522、下夹头523、支柱524、夹套525和刻度盘526，刻度盘526固定在支架53上，支柱524通过夹套525安装在刻度盘526上，下夹头523固定在支柱524上，圆形试件521被夹持在上夹头522和下夹头523之间，且上夹头522通过螺母527和螺柱528与下夹头523固定在一起。同样的，圆形试件521也可以根据需要旋转至任意角度。
当楔形试件511或圆形试件521被冲蚀至设定温度后，试验装置对其进行材料性能试验，从而得到其在高温冲蚀环境下的试验数据。
试件的材料可以是金属材料、非金属材料或金属与非金属结合在一起的材料。
可以理解的是，试件工装5还可以根据需要包括矩形试件工装、空心管试件工装等其他形式的试件工装，以实现多组试件同时开展材料冲蚀性能测试。
如图2、图5和图6所示，提升旋转机构4包括底座401和设置在底座401上的旋转支架402，旋转支架402可通过螺钉固定在底座401上，用于提供整个提升旋转机构4的受力框架。
旋转支架402外侧从下至上依次套设有支撑螺母403、连接环404、支撑弹簧405、导向套407、过渡套410和顶盖411，支撑螺母403与旋转支架402螺纹连接，连接环404、支撑弹簧405和导向套407可绕旋转支架402旋转并沿旋转支架402上下移动，过渡套410与旋转支架402螺纹连接，顶盖411通过轴承与旋转支架402相连，从而使其可绕旋转支架402旋转；导向套407外侧通过螺钉固定有悬臂支撑板408，悬臂支撑板408上固定有旋转套414，顶盖411上设置有安装架419，导向轮412通过轴安装在安装架419上，从而可绕轴转动；旋转支架402内部设置有砝码409，砝码409上设置有吊环415，导向轮412上缠绕有钢丝绳413，钢丝绳413的两端分别与吊环415和旋转套414相连。即，砝码409通过一滑轮机构与悬臂支撑板408相连。
高速冲蚀喷枪3固定于悬臂支撑板408的一端，砝码409的重量与悬臂支撑板408和高速冲蚀喷枪3的重量相当，以抵消其重量的影响，这样，砝码409与悬臂支撑板408和高速冲蚀喷枪3处于平衡状态，对悬臂支撑板408施加一个微小的力就可以使其向上或向下移动。
过渡套410上设置有旋转手柄4101，通过旋转手柄4104可拧紧或拧松过渡套410，从而使其绕旋转支架402旋转，并上下移动。
悬臂支撑板408上设置有平动手柄4081，通过平动手柄4081可推动悬臂支撑板408和导向套407绕旋转支架402发生旋转。
支撑弹簧405处于压缩状态且两端分别与连接环404和导向套407接触，用于助力悬臂支撑板408的提升。支撑弹簧405和导向套407外侧套设有防尘罩406，用于保护支撑弹簧405并使其保持清洁。防尘罩406上端和下端分别与悬臂支撑板408和连接环404固定连接，这样，悬臂支撑板408、防尘罩406、连接环404可同步旋转。
提升旋转机构4还包括导向柱416、锁紧套417和锁母418，导向柱416通过锁紧套417固定在底座401上，连接环404上设置有导向槽4041，导向柱416的一端穿过该导向槽4041，并可在导向槽4041内滑动，当连接环404旋转至某一位置时，锁母418将导向柱416的上端与连接环404锁紧，从而限定连接环404的位置，使其不再发生旋转。
本发明的提升旋转机构的工作原理如下：
通过旋转手柄4101拧紧过渡套410，过渡套410将发生旋转，并向悬臂支撑板408施加向下的力，使悬臂支撑板408和导向套407向下移动，并压缩弹簧406，因此实现悬臂支撑板408和高速冲蚀喷枪3的下降；当旋转手柄4101拧松过渡套410时，过渡套410将向上移动，此时，在弹簧406的压缩力的作用下，导向套407和悬臂支撑板408将向上移动，从而实现高速冲蚀喷枪3的提升。因此，通过旋转手柄4104即可实现高速冲蚀喷枪的提升或下降。
通过平动手柄4081推动悬臂支撑板408发生旋转，悬臂支撑板408带动旋转套414、安装架419、导向轮412以及高速冲蚀喷枪3同步转动，从而实现高速冲蚀喷枪3在水平面内的旋转；同时，悬臂支撑板408将带动防尘罩406和连接环404旋转，从而使导向柱416在导向槽4041内滑动，当滑向导向槽4041的两端时，连接环404将被导向柱416限位，无法继续旋转，这样，悬臂支撑板408也无法继续旋转，从而限定了高速冲蚀喷枪3的最大旋转角度。因此，导向槽4041两端的位置限定了高速冲蚀喷枪3的旋转范围。当高速冲蚀喷枪3在旋转范围内旋转时，可通过锁母418将导向柱416锁在任意位置，从而使高速冲蚀喷枪3固定在某一特定角度。因此，通过旋转平动手柄4081即可实现高速冲蚀喷枪3在水平面内的旋转。
应当注意的是，上述操作过程可全部通过机器人来完成，从而实现自动化操作。
支架53可安装在底座401上，且其上的楔形试件工装51、圆形试件工装及其他类型的试件工装可围绕提升旋转机构4设置，以使高速冲蚀喷枪3可根据需要对不同类型的试件进行高温高速冲蚀，从而实现多组试件同时开展材料冲蚀性能测试。
本发明实施例提供的超高温风洞冲蚀试验系统，多组试件绕提升旋转机构4环形设置，提升旋转机构4带动高速冲蚀喷枪3提升或旋转，以调整喷枪的角度及与不同试件间的相对位置，从而同时实现多组试件的冲蚀性能测试，且操作方便。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (13)

1.一种超高温风洞冲蚀试验系统，包括燃料系统、冲蚀系统、冲蚀喷枪、试件工装和试验装置，所述冲蚀喷枪分别与所述燃料系统和冲蚀系统相连，其特征在于，所述冲蚀喷枪设置于一提升旋转机构上，所述试件工装则设于所述提升旋转机构的一侧并与所述冲蚀喷枪的枪口相对置，所述试验装置与所述试件工装相连。
2.根据权利要求1所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述提升旋转机构包括底座和固定在所述底座上的旋转支架，所述旋转支架外侧从下至上依次套设有支撑螺母、支撑弹簧、导向套和过渡套，所述支撑螺母和过渡套均与所述旋转支架螺纹连接，所述支撑弹簧和所述导向套与所述旋转支架滑动配合，所述导向套上固定有悬臂支撑板，所述冲蚀喷枪固定在所述悬臂支撑板上。
3.根据权利要求2所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述旋转支架内设置有砝码，所述旋转支架上，砝码通过一滑轮机构与所述悬臂支撑板相连。
4.根据权利要求3所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述滑轮机构包括导向轮和钢丝绳，所述导向轮通过轴安装在所述旋转支架的顶部，所述钢丝绳两端分别与所述砝码和悬臂支撑板相连。
5.根据权利要求2所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述旋转支架的外侧套设有连接环，所述连接环位于所述支撑螺母和弹簧之间，所述连接环与所述悬臂支撑板相连。
6.根据权利要求5所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述弹簧和导向套外侧套设有防尘罩，所述防尘罩的两端分别与所述连接环和悬臂支撑板相连。
7.根据权利要求5所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述底座上固定有导向柱，所述连接环上设置有导向槽，所述导向柱滑动在所述导向槽中。
8.根据权利要求2所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述过渡套上设置有旋转手柄。
9.根据权利要求2所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述悬臂支撑板上设置有平动手柄。
10.根据权利要求1所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述试件工装绕所述提升旋转机构环形设置。
11.根据权利要求10所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，绕所述提升旋转机构环形设置的试件工装包括楔形试件、圆形试件、矩形试件和空心管试件。
12.根据权利要求1所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，还包括隔音降噪室，所述冲蚀喷枪、提升旋转机构、试件工装和试验装置位于所述隔音降噪室内。
13.根据权利要求1所述的超高温风洞冲蚀试验系统，其特征在于，所述冲蚀喷枪内具有拉法尔喷管式结构。
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