[發明專利]CMC火焰筒試驗箱及其試驗方法

在審

• 申請號: 202110085156.4
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112903302A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 宋迎東;陳正揚;高希光;張盛;于國強
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01M15/14
• 分類號: G01M15/14
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 張明浩;徐燕

本發明公開了一種CMC火焰筒試驗箱裝置，該裝置能良好地模擬CMC火焰筒內的工況：低溫、高溫兩股氣流，通過試驗箱箱體形成強烈的回流區，良好地模擬出CMC火焰筒工作時周圍的氣流和溫度分布狀況；本發明可以進行改變多種變量：可以通過更換不同角度、口徑的可拆式高溫進氣涵道來模擬不同型號燃燒室內部的燃氣沖擊情況。可以通過改變進氣的溫度、速度、壓力等參數來模擬CMC火焰筒的不同工況。可以改變試驗件上氣膜孔的形狀和分布等來試驗氣膜孔的冷卻效率等；本發明可以對多種物理量進行測量：可以通過紅外熱像儀測量火焰筒表面的溫度分布；可以在試件表面噴涂散斑，通過DIC測量系統測量試件的應變分布，可以對試件施加周期性熱載荷，觀察試件的損傷情況。

技術領域

本發明涉及航空發動機試驗領域，具體為一種CMC火焰筒試驗箱及其試驗方法。

背景技術

航空發動機在追求高性能的道路上不斷提升渦輪前溫度，這將對熱端部件材料的高溫強度、抗腐蝕性及抗氧化性能等提出越來越嚴苛的要求。據稱下一代軍用發動機推重比將達到15～20，而發動機的渦輪前溫度將達到2200K。這就對航空發動機燃燒室火焰筒的選材和設計發出了嚴峻的挑戰。陶瓷基復合材料（CMC）相比于高溫合金，具有耐溫高、密度低、有類金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、不發生災難性的損毀等優異性能。如果能將陶瓷基復合材料（CMC）火焰筒用于發動機燃燒室中，不僅能節約冷氣，還有益于大幅減重，從而提高總壓比，在高溫合金耐溫基礎上實現進一步提升工作溫度400~500℃、結構減重50%~70%的指標。由于CMC火焰筒的損傷機理復雜、細觀建模困難，且壽命與環境屏障涂層密切相關，因此需要進行大量的試驗。

盡管目前已有關于火焰筒的試驗，但目前的火焰筒試驗裝置具有一定的局限性。有些試驗裝置通過直接向火焰筒壁面噴射火焰來驗證其壽命，有些試驗裝置將試件置于高溫氣流的氛圍下，但是其來流方向與實際火焰筒有較大差別，上述試驗裝置模擬的環境與實際火焰筒的流場和溫度分布有著較大區別。有些試驗裝置選取了燃燒室的周期性模型進行建立，但是該方法成本較高，試驗難度大，且裝置的通用性差。

本發明提出了一種CMC火焰筒試驗箱，可以良好地模擬CMC火焰筒內的實際工況：通過高溫進氣口、低溫涵道進氣口進入的兩股氣流，在高溫涵道內部形成回流，良好地模擬出CMC火焰筒工作時周圍的氣流和溫度分布狀況。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的是提供了一種CMC火焰筒試驗箱，并進一步的提出該CMC火焰筒試驗箱的試驗方法，可以良好地模擬CMC火焰筒內的實際工況：通過高溫進氣口、低溫涵道進氣口進入的兩股氣流，在高溫涵道內部形成回流，良好地模擬出CMC火焰筒工作時周圍的氣流和溫度分布狀況。本發明具有模擬效果好、能改變多種變量以及試件制作成本較低的優點。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種CMC火焰筒試驗箱，包括箱體，箱體內設低溫涵道和高溫涵道,低溫涵道一端為低溫涵道進氣口，另一端經試驗件取放區與高溫涵道連接，高溫涵道包括一個高溫進氣口和一個排氣口，高溫進氣口密封連接可拆式氣流調整器，試驗件密封固定安裝在試驗件取放區上，將低溫涵道與高溫涵道分隔，試驗件表面設置有貫穿試驗件的氣膜孔，低溫氣流通過低溫涵道進氣口進入，流經試驗件表面的氣膜孔,進入高溫涵道，高溫氣流從可拆式氣流調整器流經高溫進氣口進入高溫涵道，作用于試驗件表面，兩股氣流相互作用，部分氣流經由排氣口排出，部分氣流在高溫涵道形成回流，箱體設置有石英窗口,通過石英窗口能觀測到試驗件表面經高溫作用的應變反應。

進一步的，試驗件取放區貫穿箱體上下部，且貫穿處均以蓋板密封，所述的蓋板與箱體之間還設置有用于增加密封性的陶瓷基纖維墊片，蓋板表面設置有卡槽, 試驗件夾在上下兩個蓋板的卡槽中固定，試驗件與卡槽側壁具有間隙。

進一步的，蓋板采用高溫合金材料制作，可承受900℃高溫。

進一步的，試驗件橫截面尺寸與試驗件取放區相適應，試驗件采用多層CMC纖維布鋪設，氣膜孔相對于試驗件表面具有傾斜角度。