涂层试样加热系统、温度控制方法及可磨耗试验机与流程

本发明涉及航空发动机试验领域，尤其涉及一种涂层试样加热系统、温度控制方法及可磨耗试验机。

背景技术：

国外对于超高速高温可磨耗性能试验设备(简称可磨耗试验机)的研制，起步于上世纪50年代。美国pwa(pratt&whitneyaircraft)公司、美国nasa研究中心、荷兰太空研究所(nlr)、瑞士sulzermetco、加拿大nrc、美国ge等研究机构和公司都对可磨耗试验机进行了研制。此类试验机可模拟涡喷发动机高温高速的工况，并通过测试来评价涡喷发动机叶片与机匣封严涂层在高温高速下的可刮削性能。近年来，为了适应涂层可磨耗性研究的需要，国内部分研究所及企业也加大了对此类可磨耗试验机研制的力度。

在国内外可磨耗试验机主要通过以下几种方式模拟高温工况：一种是通过辐照聚光加热装置对涂层试样进行加热，温度控制精度较差；另一种是通过氧气-乙炔火焰枪对涂层试样进行加热，可实现800℃以上的高温，温度控制精度也较差；还有一种采用高速高压空气对氧气-丙烷火焰进行加速，提高焰流速度，其主要通过调节氧气和丙烷的气体流量来控制火焰，但这种方式也存在着温度控制精度有限，火焰加热效果不易控制，容易烧毁其他零部件的问题，另外还存在着高温段温度提升缓慢的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种涂层试样加热系统、温度控制方法及可磨耗试验机，能够有效地提升涂层试样的火焰加热效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种涂层试样加热系统，包括：

火焰喷射装置，用于对涂层试样喷射火焰，以提升所述涂层试样的温度；和

火焰整形装置，用于对所述火焰喷射装置喷射的火焰形状进行调整。

进一步地，所述火焰整形装置包括：多个火焰挡板，设置在所述火焰喷射装置和所述涂层试样之间，用于将所述火焰喷射装置喷射的火焰聚拢在预设区域。

进一步地，所述多个火焰挡板在所述火焰喷射装置的喷射方向上围成u形的所述预设区域。

进一步地，所述火焰挡板内部设有水冷流道，所述水冷流道与冷水循环系统可操作地连接。

进一步地，还包括：温度微调装置，与压缩气源可操作地连接，用于通过压缩空气对经过所述火焰整形装置的火焰温度进行微调。

进一步地，所述温度微调装置包括：

至少两个第一气流喷管，各个第一气流喷管的中心线分别位于所述火焰的两侧；和

至少一个第二气流喷管，各个第二气流喷管的中心线与所述火焰相交。

进一步地，所述火焰整形装置包括设置在所述火焰喷射装置和所述涂层试样之间的多个火焰挡板，所述温度微调装置设置在所述火焰挡板上靠近所述涂层试样的位置。

进一步地，还包括：接触式温度传感器，设置在所述涂层试样内，用于以接触方式检测所述涂层试样的内部温度。

进一步地，在所述涂层试样的非火焰加热侧设有盲孔，所述接触式温度传感器插设在所述盲孔内。

为实现上述目的，本发明还提供一种可磨耗试验机，包括前述的涂层试样加热系统。

进一步地，还包括：

进给平台，安装有涂层试样和所述涂层试样加热系统；和

转子系统，包括用于引导所述涂层试样加热系统加热所述涂层试样时的热气流沿测试叶片周向流动的导流机构。

进一步地，所述导流机构包括：

导流罩，设置在所述测试叶片的径向外侧，并沿所述测试叶片的周向覆盖所述测试叶片的至少部分角度范围；和

气体导流板，设置在所述导流罩上对应于所述涂层试样加热系统的火焰喷射装置的上游位置，且相对于所述导流罩角度可调。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于前述涂层试样加热系统的温度控制方法，包括：

启动火焰喷射装置对涂层试样喷射火焰；

当测试叶片的转速达到目标转速时，根据接触式温度传感器的感测值，判断所述涂层试样的温度与设定温度的差值绝对值是否小于粗调阈值；

如果小于粗调阈值，则通过温度微调装置对经过火焰整形装置的火焰温度进行微调，直至所述涂层试样的温度与设定温度的差值绝对值小于精调阈值；

如果大于等于粗调阈值，则调整所述火焰喷射装置的位姿和/或调整所述火焰喷射装置的焰流强度。

进一步地，还包括温度标定过程，具体包括：

将非接触式温度传感器的测温点设置在所述涂层试样的表面；

分别通过所述接触式温度传感器和所述非接触式温度传感器感测所述涂层试样内部和表面在目标温度下的测温曲线；

根据所述测温曲线确定所述涂层试样的表里温差，以便在磨耗试验时根据所述接触式温度传感器的感测数据和所述表里温差确定所述涂层试样的表面温度。

进一步地，还包括：在所述测试叶片的转速未达到目标转速时，判断所述涂层试样的温度超过安全限值和/或所述涂层试样的温度与设定温度的差值超过调整阈值，则系统停机。

基于上述技术方案，本发明通过火焰整形装置对火焰喷射装置向涂层试样喷射的火焰形状进行调整，以使火焰能够集中地对涂层试样进行加热，提高涂层试样的加热效率，从而有效地提升涂层试样的火焰加热效果，另外还减少或避免了火焰对其他零部件的烧伤或烧毁。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明可磨耗试验机的一实施例的结构示意图。

图2为本发明可磨耗试验机实施例中火焰整形装置的结构示意图。

图3是图2中火焰整形装置的正向结构示意图。

图4是图2中火焰整形装置的俯向结构示意图。

图5是本发明涂层试样加热系统的一实施例的温度标定过程的示意图。

图6是本发明涂层试样加热系统实施例的两种温度传感器的测温曲线图。

图7是本发明温度控制方法的一实施例的流程示意图。

图8是本发明温度控制方法的另一实施例中温度标定过程的流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明可磨耗试验机的一实施例的结构示意图。在本实施例中，可磨耗试验机包括：进给平台10、转子系统40和涂层试样加热系统。进给平台10上安装有涂层试样60(参考图5)，涂层试样加热系统也安装在进给平台10上。转子系统40中可包括测试叶片42和安装测试叶片42的轮盘41以及驱动轮盘41转动的驱动机构。当进行磨耗试验时，可先通过驱动机构来驱动轮盘41转动，以带动测试叶片42逐渐达到测试工况所需要的转速。进给平台10可带动涂层试样60相对于测试叶片42进给，而涂层试样加热系统随着进给平台10的进给对涂层试样60进行加热，以使涂层试样60尽量达到测试工况所需要的温度。

参考图1，在一些实施例中，涂层试样加热系统可包括：火焰喷射装置20和火焰整形装置30。其中，火焰喷射装置20用于对涂层试样60喷射火焰，以提升所述涂层试样60的温度。火焰喷射装置20可连接对应的燃料源和助燃剂源，通过燃料源和助燃剂源分别提供的燃料气体例如乙炔或丙烷等和助燃气体例如氧气等燃烧形成加热火焰。而通过控制火焰喷射装置20中各种气体的流量可实现对焰流强度的控制，从而实现涂层试样加热温度的控制。另外，火焰喷射装置20可包括火焰枪和火焰枪的支撑及调节机构，通过该支撑及调节机构对火焰枪的位姿进行调整，也能够在一定程度上实现涂层试样加热温度的调整。

火焰整形装置30用于对所述火焰喷射装置20喷射的火焰形状进行调整。火焰喷射装置20所喷射的火焰容易受到外部的扰动而偏离被加热物体，并且火焰可能比较发散，其集中度难以满足加热要求，因此使用火焰整形装置30可对火焰的集中程度以及火焰的加热目标进行更精确地控制，从而使火焰能够集中地对涂层试样进行加热，提高涂层试样的加热效率，有效地提升涂层试样的火焰加热效果，另外还减少或避免了火焰对其他零部件的烧伤或烧毁。

参考图2-图4，在一些实施例中，火焰整形装置30包括多个火焰挡板33。这些火焰挡板33可设置在所述火焰喷射装置20和所述涂层试样60之间，用于将所述火焰喷射装置20喷射的火焰聚拢在预设区域。也就是说，火焰挡板33可围成特定的空间形式，以便使火焰能够聚拢在预设区域。例如，多个火焰挡板33可在所述火焰喷射装置20的喷射方向上围成图2和图4中u形的预设区域。这种u形的预设区域可使火焰不会偏离u形的两侧位置和底部位置的火焰挡板，避免火焰过于分散而造成加热效率低下的问题，另外也防止相应区域的其他零部件被火焰烧伤或烧毁。

为了防止火焰挡板33自身被火焰烧伤或烧毁，可在火焰挡板33内部设有水冷流道34。这些水冷流道34可以与冷水循环系统可操作地连接。例如图2-图4中的每个火焰挡板33都设有一个进水管31和出水管32。进水管31和出水管32之间通过火焰挡板33内部的水冷流道34连通，而进水管31和出水管32分别与外部的冷水循环系统连接。

为了提高涂层试样加热温度的控制效果，在本发明涂层试样加热系统的另一些实施例中，还可以包括温度微调装置50。该温度微调装置50与压缩气源可操作地连接，用于通过压缩空气对经过所述火焰整形装置30的火焰温度进行微调。具体来说，参考图2和图3，温度微调装置50可包括至少两个第一气流喷管51和至少一个第二气流喷管52。其中，各个第一气流喷管51的中心线分别位于所述火焰的两侧，这样第一气流喷管51所喷出的气流能够从火焰的侧方包裹火焰，使火焰更加集中，这使得火焰的加热温度得到提升。而各个第二气流喷管52的中心线与所述火焰相交，这样第二气流喷管52所喷出的气流可使火焰分散，以使火焰热量更多的散失，从而降低火焰对涂层试样的加热温度。这样，通过控制两种气流喷管的流量可以更加精细地控制火焰的加热温度，从而实现对涂层试样的精细加热控制。

参考图3，温度微调装置50优选设置在所述火焰挡板33上靠近所述涂层试样60的位置。这样火焰在通过火焰整形装置30时在整形的作用下较为集中，而此时通过压缩气体对其温度进行控制，可以有效地提高控制效果。在另一些实施例中，温度微调装置50也可以独立于火焰整形装置30进行设置，例如设置在火焰整形装置30的下方，以便对整形后的火焰进行温度微调。

在可磨耗试验机运行时，高速转动的轮盘和测试叶片所产生的气流也会对火焰的温度场产生冷却作用和干扰，增加涂层试样加热温度的控制难度。为了尽量消除这种气流影响，转子系统可包括用于引导涂层试样加热系统加热涂层试样60时的热气流沿测试叶片42周向流动的导流机构80。利用导流机构80来引导热气流运行，减少或避免热气流对火焰的干扰，同时减少了热气流的温度散失，提高了加热的效率。

参考图1和图5，导流机构80可具体包括导流罩81和气体导流板82。导流罩81设置在转子系统40的测试叶片42的径向外侧，并沿所述测试叶片42的周向覆盖所述测试叶片42的至少部分角度范围。当火焰对涂层试样进行加热时，火焰所带来的热气流会随着转子系统40的轮盘41和测试叶片42的高速转动进入导流罩81，并沿导流罩81内腔流动。气体导流板82设置在所述导流罩81上对应于所述涂层试样加热系统的火焰喷射装置20的上游位置，且相对于所述导流罩81角度可调。利用气体导流板82可将导流罩81内流向火焰喷射装置20的热气流引导到不会明显干扰火焰的方向。而试验人员可根据不同的测试叶片转速、燃料气体和助燃气体的配比和流量等因素对气体导流板82相对于导流罩81的角度进行调节。

为了使涂层试样的加热温度控制能够有合理的参考依据，可在涂层试样加热系统中进一步包括接触式温度传感器71。参考图5，该接触式温度传感器71可设置在所述涂层试样60内，用于以接触方式检测所述涂层试样60的内部温度。接触式温度传感器71优选采用热电偶，在其他实施例中也可采用热电阻等。为了使接触式温度传感器71能够更准确地测量涂层试样60的内部温度，在所述涂层试样60的非火焰加热侧可设置盲孔，并将所述接触式温度传感器71插设在所述盲孔内。

由于涂层试样60在与测试叶片42进行高温高速碰磨试验时，对应的测试工况中涂层试样60的温度通常指的是涂层试样60的表面温度。而接触式温度传感器71所测得的温度是涂层试样60的内部温度。考虑到试验时因为测试叶片42的遮挡而难以直接对涂层试样60的表面温度进行测量，并且非接触式的测温方式(例如红外测温方式)的测温位置容易在涂层试样60进给时发生变化，影响温度测量，因此本发明实施例通过温度标定的方式来间接地测量涂层试样60的表面温度。

参考图5，将非接触式温度传感器72(例如红外测温仪等)的测温点设置在所述涂层试样60的表面。可将该非接触式温度传感器72与涂层试样60安装于同一高度，并将该非接触式温度传感器72与轮盘41的圆周面的角度α设置成某一预设角度(例如15°或30°等)。利用火焰喷射装置20对涂层试样60进行加热，涂层试样的测温曲线参见图6。由图6可知，接触式的高温热电偶和非接触式的红外测温仪所分别测量的温度变化曲线的趋势比较相似。红外测温仪测得的数据始终高于高温热电偶的测量数据，两者的温差来自于涂层的隔热作用、热量的衰减以及热电偶的响应时间等因素。由于非接触式红外测温仪位置固定，而正式试验的过程中，涂层试样的位置会向轮盘径向的移动，当涂层试样位置移动后，非接触式红外测温仪的测温位置有可能不在涂层试样表面，因此非接触式红外测温仪测出的数据不能代表涂层试样表面的温度，因此需要根据该加温曲线所确定的温差值或温差范围，在碰磨试验时根据高温热电偶的测量数据结合该温度对应的表里温差推算出此时刻涂层试样的表面温度。

上述涂层试样加热系统的各实施例可不限于应用在可磨耗试验机中，也可以应用于其它需要对涂层试样进行加热的试验设备。

在前述涂层试样加热系统实施例的基础上，本发明还提供了对应的温度控制方法。如图7所示，是本发明温度控制方法的一实施例的流程示意图。在本实施例中，温度控制方法包括：

步骤100、启动火焰喷射装置20对涂层试样60喷射火焰；

步骤200、当测试叶片42的转速达到目标转速时，根据接触式温度传感器71的感测值，判断所述涂层试样60的温度与设定温度的差值绝对值是否小于粗调阈值，如果小于粗调阈值，则执行步骤300，否则执行步骤400；

步骤300、通过温度微调装置50对经过火焰整形装置30的火焰温度进行微调，直至所述涂层试样60的温度与设定温度的差值绝对值小于精调阈值；

步骤400、调整所述火焰喷射装置20的位姿和/或调整所述火焰喷射装置20的焰流强度。

上述步骤均可通过一个或多个控制单元完成，控制单元可以为本地控制器或远程控制平台。粗调阈值可设置为相对于精调阈值较大的温度数值，例如30℃、50℃或80℃等，而精调阈值则可设置为相对于粗调阈值较小的温度数值，例如2℃、5℃、10℃等。

在步骤300中，控制单元可基于温度传感器的感测数值对温度调节器进行反馈控制，以使腔室的实际内部温度更加接近设定温度。在步骤400中，操作人员可手动或通过一些自动调整手段对火焰加热装置的位姿进行调整，例如调整火焰枪的喷射角度和/或调整火焰枪相对于所述叶片罩壳的设置位置等。

如图8所示，是本发明温度控制方法的另一实施例中温度标定过程的流程示意图。与上一实施例相比，本实施例还包括温度标定过程，具体包括：

步骤500、将非接触式温度传感器72的测温点设置在所述涂层试样60的表面；

步骤600、分别通过所述接触式温度传感器71和所述非接触式温度传感器72感测所述涂层试样60内部和表面在目标温度下的测温曲线；

步骤700、根据所述测温曲线确定所述涂层试样60的表里温差，以便在磨耗试验时根据所述接触式温度传感器71的感测数据和所述表里温差确定所述涂层试样60的表面温度。

温度标定过程可以在磨耗试验之前进行，以确定涂层试样在被加温时的表里温差。而在不同的试验条件下，例如焰流的影响区域、强度、燃烧功率等多种因素对涂层试样的表里温差也有一定影响，因此可以在试验前根据对应的试验条件预先确定出表里温差。相应的，步骤200和步骤300中的涂层试样的温度既可以使用涂层试样的内部温度，也可以使用表面温度，只需要根据表里温差对粗调阈值和精调阈值进行调整即可。

另外，在温度控制方法中还可加入基于安全或者基于试验效率等因素的控制步骤。例如，在所述测试叶片42的转速未达到目标转速时，可判断所述涂层试样60的温度是否超过安全限值，如果超过，则控制系统停机。这里的安全限值可以是一个非常高的温度值，这个温度值可能已超出设定温度过多，从而给试验设备或涂层试样带来被烧毁的风险，因此需要及时停机。又例如，在所述测试叶片42的转速未达到目标转速时，可判断所述涂层试样60的温度与设定温度的差值是否超过调整阈值，如果超过，则控制系统停机。这种情形是指升温情况不良导致涂层试样60的温度与设定温度差距过大，及时停机进行调整则可有效地提高试验效率。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。