CN114199135A - 喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置及方法，测量装置包括：碳连接杆以及碳纤维薄壳套筒；碳连接杆设置于待测量的喷管喉衬的中心位置；碳连接杆的中心位置设置有多个长度不一的圆柱孔；碳连接杆的外部依次设置碳纤维薄壳套筒。本申请对现有装置进行简单改进，装置结构简单，易于实现。本申请利用了碳材料在碳化后具有导电性这一特性，对碳化层的实时厚度进行测量，具有创新性。

Description

喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置及方法

技术领域

本申请涉及材料烧蚀性能测试技术领域，特别涉及喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置及方法。

背景技术

发动机喷管在工作时，工作环境十分恶劣。喉衬将面临急剧升高的温度、压力作用以及气流的冲蚀以及粒子流的剥蚀等复杂情况。为了减少喷管的质量，同时兼顾良好的隔热性能，大型发动机喷管的喉衬常常采用碳碳材料作为抗烧蚀材料。喉衬在工作时在高温以及燃气和粒子等多种因素作用下，会导致喉衬内型面退移以及碳化。其中内型面退移会改变喷管的喉径，因此对发动机的推力、燃烧室压强等产生很大的影响。而碳化会导致喉衬材料的密度发生改变、让吼衬内部产生孔隙对喉衬的强度以及导热性能产生影响。因此能够准确测量喉衬的烧蚀量和碳化层厚度对喷管的设计是十分重要的。

对喉衬烧蚀量的测量，目前采用两种主要方法。其中一种方法是在喉衬的不同深度位置嵌入金属丝，通过不同位置处的电流的通断来判断是否烧蚀到固定位置。另一种方法是在不同深度位置处设置热电偶，由于烧蚀作用使得热电偶熔断、碳化层具有导电性使得电路短路。两种情况都通过测量电路输出烧蚀信号。

但是上述两种方法，都只能对烧蚀进行估计，得到的结果是燃面退移量和碳化层厚度之和，无法具体区分燃面退移量和碳化层厚度。

发明内容

本申请提供了喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置及方法，可用于解决无法具体区分燃面退移量和碳化层厚度的技术问题。

第一方面，本申请提供喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置，所述测量装置包括：

碳连接杆以及碳纤维薄壳套筒；

所述碳连接杆设置于所述待测量的喷管喉衬的中心位置；

所述碳连接杆的中心位置设置有多个长度不一的圆柱孔；

所述碳连接杆的外部依次设置所述碳纤维薄壳套筒。

结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述圆柱孔按照长度呈阶梯状分布。

结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述碳纤维薄壳套筒包括三层薄壳套筒，每两层薄壳套筒之间缠绕有卡马镍铬电阻丝，分别为内圈卡马镍铬电阻丝以及外圈卡马镍铬电阻丝。

结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述碳连接杆内部设置有光纤；所述光纤穿过紧固螺钉中心孔，缝隙中填充有填充剂；

所述光纤外接光电二极管。

结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，两层卡马镍铬电阻丝分别连接测量导线；

所述测量导线与第一外接检测电路连接；

所述第一外接检测电路设置有恒流电源以及电压表。

第二方面，本申请提供了喉衬内型面退移量的测量方法，所述喉衬内型面退移量的测量方法包括：

获取多个圆柱孔分别对应的内型面退移量；

依次按照从长到短的顺序将所述圆柱孔接至外接输出电路上，直至出现电信号，将出现电信号的目标圆柱孔对应的内型面退移量作为目标内型面退移量。

第三方面，本申请提供了碳化层厚度的测量方法，所述碳化层厚度的测量方法应用于权利要求1至5所述的测量装置中，所述方法包括：

获取所述测量装置的碳化参数；所述碳化参数包括内圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径、外圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径、电阻丝绕组节距、卡马镍铬合金电阻丝直径、电阻率以及初始电阻；

根据电压表显示的电压数据以及恒流电源显示的电流数据，确定测量电阻；

根据测量电阻以及碳化参数确定碳化层厚度。

结合第三方面，在第三方面的一种可实现方式中，所述碳化层厚度通过以下方法确定：

式中，Δd是所述碳化层厚度；D为内圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径；D₁为外圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径；l为电阻丝绕组节距、d为卡马镍铬合金电阻丝直径、ρ为电阻率、R₀为初始电阻。

本申请对现有装置进行简单改进，装置结构简单，易于实现。

本申请采用光敏感电路测量喉衬内型面退移量，当型面退移到碳/碳连接杆底部时，光纤就会接受到光信号，因此光纤不会直接和高温高焓值热流接触，和一般的热电偶熔断法相比，保证了光纤工作环境的稳定可靠。

同时，本申请利用了碳材料在碳化后具有导电性这一特性，通过将卡马镍铬电阻丝、碳纤维薄壳套筒、导线等器材构成测量电路，可以对发动机工作过程中喉衬的碳化层的实时厚度进行测量，具有创新性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的碳连接杆结构参数示意图；

图3为本申请实施例提供的碳纤维薄壳套筒结构示意图。

图中标号：1螺钉，2喷管壳体，3外接检测电路，4光电二极管，5光纤，6卡马镍铬电阻丝，7碳纤维薄壳套筒，8喷管喉衬，9碳连接杆，10恒流电源，11电压表。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

下面首先结合图1对本申请实施例提供的喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置进行介绍。

测量装置包括：

碳连接杆9以及碳纤维薄壳套筒7。

其中碳连接杆9用于测量喉衬内型面退移量。碳纤维薄壳套筒7用于测量、碳化层厚度。

碳连接杆9设置于待测量的喷管喉衬8的中心位置。

碳连接杆9的中心位置设置有多个长度不一的圆柱孔。圆柱孔按照长度呈阶梯状分布。

碳连接杆9的外部依次设置碳纤维薄壳套筒7。

具体的，碳连接杆9内部设置有光纤5。光纤5穿过紧固螺钉1中心孔，缝隙中填充有填充剂。

光纤5外接光电二极管4。

光电二极管4和第二外接检测电路连接。

碳纤维薄壳套筒7包括三层薄壳套筒，每两层薄壳套筒之间缠绕有卡马镍铬电阻丝6，分别为内圈卡马镍铬电阻丝以及外圈卡马镍铬电阻丝。

两层卡马镍铬电阻丝6分别连接测量导线。

测量导线与第一外接检测电路连接。

第一外接检测电路设置有恒流电源10以及电压表11。

具体的，碳连接杆9在喷管喉衬8开设盲孔的中心位置。圆柱连接杆外围从内向外依次为内层碳纤维薄壳套筒、内圈卡马镍铬电阻丝、中间层碳纤维薄壳套筒、外圈卡马镍铬电阻丝以及最外层碳纤维薄壳套筒。最外层碳纤维薄壳套筒和喉衬开设盲孔的侧壁面贴合。碳连接杆9开设多个长度不一圆柱孔，在碳连接杆9内部均匀布置。光纤5在圆柱孔内部，探入孔的距离保持一致。碳连接杆9上端套入螺钉底部开设的圆柱孔中，螺钉1下底面和碳纤维薄壳套筒7的顶面贴合。螺钉1的台阶面下表面和喷管壳体2上表面贴合，螺钉1左侧为预制的引出导线的通孔。

本申请实施例提供的喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置的加工工艺如下：

首先，碳连接杆9在加工时开设多个圆柱孔，每个圆柱孔底面与喉衬内型面距离不同，呈阶梯状态分布。光纤5采用固化工艺固化于碳连接杆9开设的内孔中，且光纤5底部距圆柱孔底部有一定距离。开设圆柱孔的数量和相邻两孔之间底面的距离决定了内型面退移量的测量精度。

所属喷管喉衬8在靠近喷管壳体2的一侧开设盲孔，喷管壳体2在盲孔对应的位置设置螺纹通孔，使螺钉1和喷管壳体2螺纹连接。紧固螺钉在靠近喉衬一侧开设盲孔，通过粘接剂和碳连接杆粘接。光纤穿过紧固螺钉对应的中心孔，外部连接光电二极管和输出电路。紧固螺钉的中心孔使用填充剂进行填充。

碳纤维薄壳套筒共三层结构，最内层直径最小，采用粘接剂粘接在碳/碳圆柱连杆表面。使用卡马镍铬电阻丝均匀缠绕在最内层薄壳套筒的外表面，中间一层薄壳套筒套在电阻丝表面，外面再使用卡马镍铬电阻丝缠绕均匀缠绕在中间一层薄壳套筒上。最外层碳纤维套筒套入电阻丝后，使用粘合剂和喉衬开设盲孔粘接。

测量导线的两路分别焊接在两圈缠绕的卡马镍铬电阻丝靠近喷管壳体一侧的底端，导线从紧固螺钉开设的通孔中引出，并使用填充剂填充通孔。引出的导线和外部横流电源、电压表构成测量电路。

本申请提供了喉衬内型面退移量的测量方法。首先对本申请提供的喉衬内型面退移量的测量方法的原理进行介绍。

当喉衬内型面退移到碳连接杆内部圆柱孔底部时，由于底部被烧蚀掉，导致内孔贯通，使孔内固化的光纤感知到热流的光信号，通过光电二极管转化为电信号，外接测量电路产生电压后，可以判定当发动机喉衬的内型面已经退移到当前位置，根据发生烧蚀的碳连接杆内孔底面距离喷管喉衬内型面的距离可以判断当前时刻喉衬内型面的烧蚀量。在制造碳连接杆时，通过控制内部圆孔底面和喉衬内型面的距离、开设内孔的数量就可以调整喉衬内型面退移量的测量范围X以及测量精度Δx。

方法如下：

步骤101，获取多个圆柱孔分别对应的内型面退移量。

步骤102，依次按照从长到短的顺序将圆柱孔接至外接输出电路上，直至出现电信号，将出现电信号的目标圆柱孔对应的内型面退移量作为目标内型面退移量。

具体的，假设碳连接杆开设了五个圆柱孔。结合图2，喉衬内型面距离盲孔底面距离L₁、连接杆底面距离圆柱连接杆最深孔洞距离Δl、以及测量的最小烧蚀量s₀：

s₀＝Δl+L₁

五个圆柱孔对应的内型面退移量如表1所示：

表1：圆柱孔对应的内型面退移量

表中，Δx为相邻长度的圆柱孔之间的长度差。

按照圆柱孔从长到短的顺序，依次将引出的对应编号的光电二极管导线连接在外接输出电路上，即本申请实施例提供的第二外接检测电路。

观察第二外接检测电路的输出信号，当对应线路中出现电信号后，对应的喉衬内型面退移量为对应的s₀。需要说明的是，本申请提供的方法精度与圆柱孔的数量以及相邻长度圆柱孔之间的长度差相关，圆柱孔的数量可以根据实际需要进行设置。

本申请还提供了碳化层厚度的测量方法，首先对本申请提供的碳化层厚度测量方法的原理进行介绍。

原本内圈卡马镍铬电阻丝和外圈电阻丝之间有碳纤维薄壳套筒阻挡，正常情况下碳纤维薄壳不具有导电性，所以测量电路始终处于断路。当喷管开始工作时，喉衬因受热产生碳化，由于碳纤维薄壳套筒和喉衬的制造材料相同，因此会保持同样的碳化速率产生碳化层。由于碳化后的薄壳套筒具有导电性，因此内圈卡马镍铬电阻丝、中间层碳化后的碳纤维薄壳套筒、外圈卡马镍铬电阻丝构成了通路，测量电路开始正常工作。

步骤S201，获取测量装置的碳化参数。碳化参数包括内圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径、外圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径、电阻丝绕组节距、卡马镍铬合金电阻丝直径、电阻率以及初始电阻。

步骤S202，根据电压表显示的电压数据以及恒流电源显示的电流数据，确定测量电阻。

步骤S203，根据测量电阻以及碳化参数确定碳化层厚度。

碳化层厚度通过以下方法确定：

式中，Δd是碳化层厚度。D为内圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径。D₁为外圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径。l为电阻丝绕组节距、d为卡马镍铬合金电阻丝直径、ρ为电阻率、R₀为初始电阻。

本申请对现有装置进行简单改进，装置结构简单，易于实现。

本申请采用光敏感电路测量喉衬内型面退移量，当型面退移到碳/碳连接杆底部时，光纤就会接受到光信号，因此光纤不会直接和高温高焓值热流接触，和一般的热电偶熔断法相比，保证了光纤工作环境的稳定可靠。

同时，本申请利用了碳材料在碳化后具有导电性这一特性，通过将卡马镍铬电阻丝、碳纤维薄壳套筒、导线等器材构成测量电路，可以对发动机工作过程中喉衬的碳化层的实时厚度进行测量，具有创新性。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (8)

1.喉衬内型面退移量、碳化层厚度的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

碳连接杆(9)以及碳纤维薄壳套筒(7)；

所述碳连接杆(9)设置于所述待测量的喷管喉衬(8)的中心位置；

所述碳连接杆(9)的中心位置设置有多个长度不一的圆柱孔；

所述碳连接杆(9)的外部依次设置所述碳纤维薄壳套筒(7)。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述圆柱孔按照长度呈阶梯状分布。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述碳纤维薄壳套筒(7)包括三层薄壳套筒，每两层薄壳套筒之间缠绕有卡马镍铬电阻丝(6)，分别为内圈卡马镍铬电阻丝以及外圈卡马镍铬电阻丝。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述碳连接杆(9)内部设置有光纤(5)；所述光纤(5)穿过紧固螺钉(1)中心孔，缝隙中填充有填充剂；

所述光纤(5)外接光电二极管(4)。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，两层卡马镍铬电阻丝(6)分别连接测量导线；

所述测量导线与第一外接检测电路连接；

所述第一外接检测电路设置有恒流电源(10)以及电压表(11)。

6.喉衬内型面退移量的测量方法，其特征在于，所述喉衬内型面退移量的测量方法包括：

获取多个圆柱孔分别对应的内型面退移量；

依次按照从长到短的顺序将所述圆柱孔接至外接输出电路上，直至出现电信号，将出现电信号的目标圆柱孔对应的内型面退移量作为目标内型面退移量。

7.碳化层厚度的测量方法，其特征在于，所述碳化层厚度的测量方法应用于权利要求1至5所述的测量装置中，所述方法包括：

获取所述测量装置的碳化参数；所述碳化参数包括内圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径、外圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径、电阻丝绕组节距、卡马镍铬合金电阻丝直径、电阻率以及初始电阻；

根据电压表显示的电压数据以及恒流电源显示的电流数据，确定测量电阻；

根据测量电阻以及碳化参数确定碳化层厚度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳化层厚度通过以下方法确定：

式中，Δd是所述碳化层厚度；D为内圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径；D₁为外圈卡马镍铬电阻丝缠绕直径；l为电阻丝绕组节距、d为卡马镍铬合金电阻丝直径、ρ为电阻率、R₀为初始电阻。

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