專利名稱：航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M方法與裝置，特別是利用常壓亞音速高溫風洞結(jié)合材料性能試驗機，進行適用于高溫燃氣環(huán)境條件下多因素耦合加速實驗?zāi)M。主要用于高溫合金和陶瓷基復(fù)合材料等航空熱結(jié)構(gòu)材料環(huán)境性能演變規(guī)律的物理建模，也可用于其他熱結(jié)構(gòu)材料的環(huán)境性能測試。
背景技術(shù)：
目前，公知的高溫風洞主要用來進行航空發(fā)動機構(gòu)件模擬，以確定構(gòu)件的應(yīng)力場和溫度場，為構(gòu)件的設(shè)計和驗證提供依據(jù)。雖然構(gòu)件的理論壽命可以根據(jù)材料的常規(guī)力學(xué)性能進行計算，但構(gòu)件的實際壽命只能通過臺架試車或試飛確定。然而，通過試車或試飛對構(gòu)件進行考核存在三方面的問題(1)試車或試飛過程復(fù)雜，涉及面廣，而且費用非常昂貴；(2)由于沒有考慮復(fù)雜的真實發(fā)動機環(huán)境的影響，構(gòu)件的實際壽命存在很大的不確定性；(3)構(gòu)件發(fā)生非正常失效后無法確定損傷機制，很難為材料改進提供信息。實際上，除了應(yīng)力場和溫度場外，構(gòu)件的使用壽命主要與材料的環(huán)境性能演變有關(guān)，而獲得環(huán)境性能演變規(guī)律最有效的途徑就是進行環(huán)境實驗?zāi)M。
航空發(fā)動機熱端環(huán)境因素雖然復(fù)雜，但可以分為熱物理化學(xué)環(huán)境因素和應(yīng)力環(huán)境因素兩類。熱物理化學(xué)環(huán)境控制參數(shù)包括燃氣溫度、燃氣組成、燃氣壓力和燃氣速度，其中燃氣參數(shù)主要是氧分壓、水分壓和熔鹽分壓。應(yīng)力環(huán)境控制參數(shù)包括疲勞、蠕變和熱震。盡管國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多針對上述單因素和部分耦合因素的實驗?zāi)M研究，但目前還沒有進行全因素耦合實驗?zāi)M方法與裝置的報道。
航空發(fā)動機推重比的不斷提高對熱端材料和工作溫度提出了越來越高的要求，因此，熱端材料的環(huán)境實驗?zāi)M首先要解決耐高溫的難題。常用的不銹鋼水冷燃燒室只能在1500℃以下工作，不能滿足現(xiàn)在和未來一段時間內(nèi)航空熱結(jié)構(gòu)材料不斷發(fā)展的要求。
航空發(fā)動機的燃氣壓力高，燃氣速度也高于音速，因此使用高壓超音速風洞進行環(huán)境實驗?zāi)M相似性更好。但高壓超音速風洞不僅造價十份昂貴，只能短時間工作，而且工作溫度較低。雖然高壓超音速風洞可以模擬真實發(fā)動機環(huán)境構(gòu)件的工作狀態(tài)，但顯然不能滿足材料環(huán)境性能的實驗?zāi)M要求。
航空發(fā)動機的點火和加力是典型的熱震環(huán)境，但目前的熱震與應(yīng)力的耦合實驗?zāi)M都是在靜止空氣介質(zhì)中進行的。依靠反復(fù)點火在燃氣條件下進行熱震實驗?zāi)M雖然可以實現(xiàn)與應(yīng)力環(huán)境的耦合，但顯然難度很大，而且燃氣溫度很難穩(wěn)定。
盡管常壓亞音速風洞設(shè)備相對簡單，造價相對低廉，但由于燃油耗量較大，長時間的環(huán)境實驗?zāi)M費用仍然很高。因此，進行加速實驗?zāi)M是非常必要的。燃氣中含有一定的氧、水和熔鹽，但鹽分壓均較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)實驗?zāi)M研究耦合因素不全的不足，本發(fā)明提供一種航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M方法與裝置。利用常壓亞音速高溫風洞結(jié)合材料性能試驗機，進行適用于高溫燃氣環(huán)境條件下多因素耦合加速實驗?zāi)M。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M方法，其特征在于首先，將試樣固定在試樣架上，并在試樣兩端連接聲發(fā)射儀和電阻儀，然后，燃燒室點火，點火6～8秒后，燃氣火焰穩(wěn)定在900～1700℃，啟動材料性能試驗機施加疲勞、蠕變載荷，同時啟動聲發(fā)射儀和電阻儀，轉(zhuǎn)動手柄，使試樣架與燃氣火焰垂直，熱震加熱，此過程保持25～35秒后再次轉(zhuǎn)動手柄，使試樣架與燃氣火焰平行，熱震冷卻，此過程保持80～100秒后重復(fù)上述過程，使試樣架上的試樣處于加熱——冷卻——再加熱——再冷卻的過程，完成熱震試驗?zāi)M。
為了加速試驗?zāi)M，燃燒室點火后，通過環(huán)繞在燃燒室周圍的氣嘴和水嘴通入氧氣和水，提高氧分壓和水分壓，通過溶解在水中的鹽類提高熔鹽分壓。
一種航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M裝置，包括常壓亞音速高溫風洞18和材料性能試驗機3，其特征在于材料性能試驗機3安裝在常壓亞音速高溫風洞18的尾噴管4處，試件1通過尾噴管4上的兩個孔分別與材料性能試驗機3的上接頭5和下接頭7相連，試件1和尾噴管4通過隔熱塞12密封，在燃燒室2的內(nèi)層置有陶瓷內(nèi)襯10，穿過冷卻水套11和陶瓷內(nèi)襯10沿燃燒室2的周圍并列分布若干個氣嘴19和水嘴20。
所述的試件1可用試件架13取代，試件架13上有轉(zhuǎn)動鉸鏈15和轉(zhuǎn)動手柄16，試件架13與燃氣火焰21垂直，轉(zhuǎn)動手柄16，在轉(zhuǎn)動鉸鏈的帶動下，試件架13還可與燃氣火焰21平行。
所述的陶瓷內(nèi)襯10為收斂結(jié)構(gòu)，厚度為6～10，進口內(nèi)徑D為230～240，出口內(nèi)徑d為70～90，為氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷，孔隙率控制在25～35％。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于，由于采用在燃燒室增加陶瓷內(nèi)襯，試驗?zāi)M的溫度高，燃氣溫度可達1700℃；其燃燒室周圍分布的氣嘴和水嘴，可提高氧分壓和水分壓，通過溶解在水中的鹽類提高熔鹽分壓，模擬的環(huán)境因素全；總之，本發(fā)明的方法具有模擬溫度高、模擬時間短、模擬的環(huán)境因素全。利用現(xiàn)有的高溫亞音速燃氣風洞和材料性能試驗機結(jié)合組成的實驗裝置，造價低。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1為航空發(fā)動機熱端材料環(huán)境的實驗?zāi)M裝置結(jié)構(gòu)示意2為燃燒室結(jié)構(gòu)示意3為試樣架位置示意中1-試件，2-燃燒室，3-材料性能試驗機，4-尾噴管，5-上夾頭，7-下夾頭，10-陶瓷內(nèi)襯，11-冷卻水套，12-隔熱塞頭，13-試件架，15-轉(zhuǎn)動鉸鏈，16-轉(zhuǎn)動手柄，18-常壓亞音速高溫風洞，19-氣嘴，20-水嘴，21-燃氣火焰。
具體實施例方式
航空發(fā)動機推重比的不斷提高對熱端材料和工作溫度提出了越來越高的要求，因此，熱端材料的環(huán)境實驗?zāi)M首先要解決耐高溫的難題。針對常用的不銹鋼水冷燃燒室只能在1500℃以下工作，不能滿足現(xiàn)在和未來一段時間內(nèi)航空熱結(jié)構(gòu)材料不斷發(fā)展的要求。本發(fā)明采用自行研制的氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷內(nèi)襯，使燃燒室的工作溫度提高到1700℃。通過控制陶瓷的燒結(jié)孔效率和使用碳化硅顆粒作為增韌相，大幅度提高了內(nèi)襯的抗熱震性能，可以滿足燃燒室在反復(fù)點火熱沖擊時陶瓷內(nèi)襯不產(chǎn)生貫穿性開裂的使用要求。
本發(fā)明采用常壓亞音速高溫風洞，燃氣壓力略高于大氣壓，而燃氣速度接近音速。雖然常壓亞音速風洞的環(huán)境條件除了燃氣組成外與真實發(fā)動機環(huán)境差別比較大，但不會影響材料環(huán)境性能的實驗?zāi)M。首先，燃氣壓力對材料環(huán)境性能演變的影響表現(xiàn)為氣動載荷，而氣動載荷可以折算為機械載荷后在加載系統(tǒng)中予以考慮。其次，燃氣速度對材料環(huán)境性能演變的影響表現(xiàn)為改變介質(zhì)擴散速度，而燃氣速度對擴散速的影響可以外延。因此，常壓亞音速風洞可以滿足航空發(fā)動機熱端材料環(huán)境性能的實驗?zāi)M要求。
本發(fā)明除了依靠反復(fù)點火進行熱震外，主要采用轉(zhuǎn)動熱震。轉(zhuǎn)動熱震的原理是恒定燃氣溫度，將試樣安裝在試樣架上，試樣架可以轉(zhuǎn)動手柄的推動下圍繞轉(zhuǎn)動鉸鏈轉(zhuǎn)動。當試樣架與燃氣火焰垂直時熱震加熱，當試樣架與燃氣火焰平行時熱震冷卻。由于燃氣流的引流作用，熱震冷卻的速度也很快。雖然轉(zhuǎn)動熱震不能實現(xiàn)與應(yīng)力環(huán)境的耦合，但可以實現(xiàn)熱震與燃氣環(huán)境的耦合，而且熱震時的升溫和降溫速度是其他方法不能達到的。
本發(fā)明采用改變?nèi)細饨M成的方法進行加速實驗?zāi)M，通入氧氣提高氧分壓，通入水提高水分壓。溶解在水中的硫酸鈉等鹽類通過水引入燃燒室，從而提高熔鹽分壓。氧氣和水通過多個環(huán)繞在燃燒室周圍的水嘴和氣嘴引入，引入位置應(yīng)該合適。引入位置太靠前影響火焰燃燒的穩(wěn)定性，而太靠后影響氧氣和水蒸氣與燃氣的摻混均勻性。通過改變氧氣流量、水流量和鹽在水中的溶解度可以調(diào)整氧分壓、水分壓和熔鹽分壓。
航空發(fā)動機熱端環(huán)境的應(yīng)力參數(shù)主要是疲勞和蠕變及其交互作用，材料試驗機可以很方便的實現(xiàn)這一點。本發(fā)明采用INSTRON試驗機進行應(yīng)力環(huán)境的模擬，試驗機安裝在高溫風洞燃燒室的尾噴管處。模擬時試樣穿過燃燒室的尾噴管與試驗機的夾頭相連，試樣與尾噴管之間的空隙之間裝有隔熱塞，防止高溫燃氣輻射對試樣架頭的影響。由于夾頭的溫度較低，使材料演變信息的采集成為可能。用聲發(fā)射儀采集裂紋生成信號，用電阻儀采集裂紋損傷與擴展信號。模擬過程中，燃氣垂直作用在試樣上，因而燃氣中心的溫度就是試樣中心的溫度。為了降低燃油消耗量，也為了避免試樣過長，燃燒室尾噴管的出口直徑為80mm。
應(yīng)用實施例1將30％的Si粉和70％的SiC粉混合，用注模的方法成型，然后在反應(yīng)燒結(jié)爐中進行氮化燒結(jié)，得到氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷內(nèi)襯。Si粉的粒度為320目，而SiC粉的粒度有70目、40目和10目三種，分別占30％、60％和10％。氮化時分別在1150℃、1250℃、1350℃和1450℃保溫，總保溫時間為40～50小時。為了提高抗熱震性能，內(nèi)襯的孔隙率控制在30％、厚度為8mm。陶瓷內(nèi)襯為收斂結(jié)構(gòu)，進口直徑為237mm，出口直徑為80mm。
應(yīng)用實施例2恒溫實驗?zāi)M。
將尺寸為185mm×15mm×3mm的試樣穿過燃燒室尾噴管上下的兩個直徑為20mm的孔與材料性能試驗機的夾頭相連，同時在試樣的兩端連接聲發(fā)射測頭和電阻測頭，然后燃燒室點火。點火后8秒之內(nèi)火焰能在900℃～1700℃之間的給定溫度進入穩(wěn)定狀態(tài)，這時啟動材料性能試驗機施加疲勞、蠕變等載荷，同時啟動聲發(fā)射儀和電阻儀。在整個模擬過程中，記錄載荷譜、聲發(fā)射信號譜和電阻信號譜。
應(yīng)用實施例3熱震試驗?zāi)M。
熱震試驗?zāi)M有兩種，第一種熱震實驗?zāi)M的過程與恒溫實驗?zāi)M過程完全相同，只是材料性能試驗機、聲發(fā)射儀和電阻儀一直處于開啟狀態(tài)，而燃燒室反復(fù)點火。第二種熱震實驗?zāi)M是將多個尺寸為60mm×5mm×3mm的試樣用螺栓固定在試樣架上，試樣的一端處于圓形試樣架的中心，呈輻條式排列。燃燒室點火后恒定溫度不變，依靠手柄將試樣架轉(zhuǎn)動進入燃氣火焰，保持30秒后將試樣架轉(zhuǎn)出燃氣火焰，停留90秒后重復(fù)轉(zhuǎn)動試樣架。實驗?zāi)M過程中關(guān)閉材料性能試驗機、聲發(fā)射儀和電阻儀，記錄熱震溫度譜。
航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M裝置的主要性能指標可以達到最高使用溫度1700℃最大載荷2.5噸燃氣速度270米/秒燃氣壓力0.986公斤/厘米3燃氣組成氧分壓、水分壓和熔鹽分壓可調(diào)1300℃熱震加熱速度15秒尾噴管出口直徑80mm試樣尺寸185×15(mm)燃燒室壽命100小時
權(quán)利要求
1.一種航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M方法，其特征在于首先，將試樣固定在試樣架上，并在試樣兩端連接聲發(fā)射儀和電阻儀，然后，燃燒室點火，點火6～8秒后，燃氣火焰穩(wěn)定在900～1700℃，啟動材料性能試驗機施加疲勞、蠕變載荷，同時啟動聲發(fā)射儀和電阻儀，轉(zhuǎn)動手柄，使試樣架與燃氣火焰垂直，熱震加熱，此過程保持25～35秒后再次轉(zhuǎn)動手柄，使試樣架與燃氣火焰平行，熱震冷卻，此過程保持80～100秒后重復(fù)上述過程，使試樣架上的試樣處于加熱——冷卻——再加熱——再冷卻的過程，完成熱震試驗?zāi)M。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M方法，其特征在于為了加速試驗?zāi)M，燃燒室點火后，通過環(huán)繞在燃燒室周圍的氣嘴和水嘴通入氧氣和水，提高氧分壓和水分壓，通過溶解在水中的鹽類提高熔鹽分壓。
3.一種航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M裝置，包括常壓亞音速高溫風洞(18)和材料性能試驗機(3)，其特征在于材料性能試驗機(3)安裝在常壓亞音速高溫風洞(18)的尾噴管(4)處，試件(1)通過尾噴管(4)上的兩個孔分別與材料性能試驗機(3)的上接頭(5)和下接頭(7)相連，試件(1)和尾噴管(4)通過隔熱塞(12)密封，在燃燒室(2)的內(nèi)層置有陶瓷內(nèi)襯(10)，穿過冷卻水套(11)和陶瓷內(nèi)襯(10)沿燃燒室(2)的周圍并列分布若干個氣嘴(19)和水嘴(20)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M裝置，其特征在于所述的試件(1)可用試件架(13)取代，試件架(13)上有轉(zhuǎn)動鉸鏈(15)和轉(zhuǎn)動手柄(16)，試件架(13)與燃氣火焰(21)垂直，轉(zhuǎn)動手柄(16)，在轉(zhuǎn)動鉸鏈的帶動下，試件架(13)還可與燃氣火焰(21)平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M裝置，其特征在于所述的陶瓷內(nèi)襯(10)為收斂結(jié)構(gòu)，厚度為6～10，進口內(nèi)徑D為230～240，出口內(nèi)徑d為70～90，為氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷，孔隙率控制在25～35％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種航空發(fā)動機材料熱端環(huán)境實驗?zāi)M方法與裝置，本發(fā)明方法采用恒定燃氣溫度改變試樣位置的方法進行熱震模擬，采用引入氧氣、水以及鹽類水溶液的方法改變?nèi)細饨M成進行加速模擬。本發(fā)明的裝置是將常壓亞音速風洞和材料性能試驗機相結(jié)合，采用氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷作為燃燒室內(nèi)襯來提高燃燒室的耐高溫水平，其試件架+轉(zhuǎn)動鉸鏈+轉(zhuǎn)動手柄的結(jié)構(gòu)可進行熱震模擬，其燃燒室周圍分布的氣嘴和水嘴，可提高氧分壓和水分壓，通過溶解在水中的鹽類提高熔鹽分壓。本發(fā)明的方法具有模擬溫度高、模擬時間短、模擬的環(huán)境因素全。利用現(xiàn)有的高溫亞音速燃氣風洞和材料性能試驗機組成的實驗裝置造價低。
文檔編號G01M9/02GK1546974SQ20031011896
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月9日
發(fā)明者成來飛, 張立同, 徐永東, 欒新剛, 劉小瀛 申請人:西北工業(yè)大學(xué)