[发明专利]CMC火焰筒试验箱及其试验方法

说明书

本发明公开了一种CMC火焰筒试验箱装置，该装置能良好地模拟CMC火焰筒内的工况：低温、高温两股气流，通过试验箱箱体形成强烈的回流区，良好地模拟出CMC火焰筒工作时周围的气流和温度分布状况；本发明可以进行改变多种变量：可以通过更换不同角度、口径的可拆式高温进气涵道来模拟不同型号燃烧室内部的燃气冲击情况。可以通过改变进气的温度、速度、压力等参数来模拟CMC火焰筒的不同工况。可以改变试验件上气膜孔的形状和分布等来试验气膜孔的冷却效率等；本发明可以对多种物理量进行测量：可以通过红外热像仪测量火焰筒表面的温度分布；可以在试件表面喷涂散斑，通过DIC测量系统测量试件的应变分布，可以对试件施加周期性热载荷，观察试件的损伤情况。

技术领域

本发明涉及航空发动机试验领域，具体为一种CMC火焰筒试验箱及其试验方法。

背景技术

航空发动机在追求高性能的道路上不断提升涡轮前温度，这将对热端部件材料的高温强度、抗腐蚀性及抗氧化性能等提出越来越严苛的要求。据称下一代军用发动机推重比将达到15～20，而发动机的涡轮前温度将达到2200K。这就对航空发动机燃烧室火焰筒的选材和设计发出了严峻的挑战。陶瓷基复合材料（CMC）相比于高温合金，具有耐温高、密度低、有类金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性的损毁等优异性能。如果能将陶瓷基复合材料（CMC）火焰筒用于发动机燃烧室中，不仅能节约冷气，还有益于大幅减重，从而提高总压比，在高温合金耐温基础上实现进一步提升工作温度400~500℃、结构减重50%~70%的指标。由于CMC火焰筒的损伤机理复杂、细观建模困难，且寿命与环境屏障涂层密切相关，因此需要进行大量的试验。

尽管目前已有关于火焰筒的试验，但目前的火焰筒试验装置具有一定的局限性。有些试验装置通过直接向火焰筒壁面喷射火焰来验证其寿命，有些试验装置将试件置于高温气流的氛围下，但是其来流方向与实际火焰筒有较大差别，上述试验装置模拟的环境与实际火焰筒的流场和温度分布有着较大区别。有些试验装置选取了燃烧室的周期性模型进行建立，但是该方法成本较高，试验难度大，且装置的通用性差。

本发明提出了一种CMC火焰筒试验箱，可以良好地模拟CMC火焰筒内的实际工况：通过高温进气口、低温涵道进气口进入的两股气流，在高温涵道内部形成回流，良好地模拟出CMC火焰筒工作时周围的气流和温度分布状况。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种CMC火焰筒试验箱，并进一步的提出该CMC火焰筒试验箱的试验方法，可以良好地模拟CMC火焰筒内的实际工况：通过高温进气口、低温涵道进气口进入的两股气流，在高温涵道内部形成回流，良好地模拟出CMC火焰筒工作时周围的气流和温度分布状况。本发明具有模拟效果好、能改变多种变量以及试件制作成本较低的优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种CMC火焰筒试验箱，包括箱体，箱体内设低温涵道和高温涵道,低温涵道一端为低温涵道进气口，另一端经试验件取放区与高温涵道连接，高温涵道包括一个高温进气口和一个排气口，高温进气口密封连接可拆式气流调整器，试验件密封固定安装在试验件取放区上，将低温涵道与高温涵道分隔，试验件表面设置有贯穿试验件的气膜孔，低温气流通过低温涵道进气口进入，流经试验件表面的气膜孔,进入高温涵道，高温气流从可拆式气流调整器流经高温进气口进入高温涵道，作用于试验件表面，两股气流相互作用，部分气流经由排气口排出，部分气流在高温涵道形成回流，箱体设置有石英窗口,通过石英窗口能观测到试验件表面经高温作用的应变反应。

进一步的，试验件取放区贯穿箱体上下部，且贯穿处均以盖板密封，所述的盖板与箱体之间还设置有用于增加密封性的陶瓷基纤维垫片，盖板表面设置有卡槽, 试验件夹在上下两个盖板的卡槽中固定，试验件与卡槽侧壁具有间隙。

进一步的，盖板采用高温合金材料制作，可承受900℃高温。

进一步的，试验件横截面尺寸与试验件取放区相适应，试验件采用多层CMC纤维布铺设，气膜孔相对于试验件表面具有倾斜角度。