一种模拟发动机烧蚀的试验装置及其方法与流程

本发明涉及烧蚀试验，具体涉及一种模拟发动机烧蚀的试验装置及其方法。

背景技术：

1、固体火箭发动机或冲压发动机的壳体、喷管等零部件，其工作环境不仅需要承受燃气产生的高温，还需要承受高速粒子流的冲刷。例如：固体火箭发动机，推挤剂燃烧后产生高温（2000℃以上）、氧化性的燃气，其对发动机壳体、喷管表面造成严重的烧蚀，同时，喷管还会承受超音速燃气产生的冲刷；冲压发动机工作时会引入空气进行燃烧、从而在燃烧室内形成一个富氧环境（空燃比8～14），产生带有大量金属氧化物组成的快速冲刷气流及较高的温度，从而对发动机表面与喷管表面形成高温烧蚀与粒子流冲刷。因此，现有在进行固体火箭发动机或冲压发动机壳体、喷管等零件制备过程中，通常需要对壳体或发动机表面制备耐烧蚀或绝热层材料，从而保证壳体或喷管等零部件的绝热性能与使用寿命，避免壳体或喷管等零部件在使用过程中失效而出现安全隐患。

2、通常，在对发动机的壳体、喷管等零部件进行耐烧蚀材料或绝热层材料的制备后，需要进行模拟试验以测试材料层的耐烧蚀或绝热性能；然而，现有的模拟试验方法仍存在以下不足：一是气体流速低，且气流内不含粒子流，无法准确模拟发动机喷管处高速粒子流冲刷的真实环境；二是目前的试验方法所产生的气体焰流基本为还原性或中性气氛，无法有效模拟发动机（尤其是冲压发动机）壳体、喷管面临的高压富氧烧蚀环境，易导致烧蚀材料在高温下产生碳化现象；三是模拟试验环境的高温焰流冲刷环境与发动机实际的冲刷剥离环境差异大，造成模拟测试结果误差大、指导性不强。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种模拟发动机烧蚀的试验装置，该装置所喷射出的焰流能够有效模拟发动机使用过程中的实际工况，从而保证测试结果与实际工况的结果一致、为发动机表面耐烧蚀或绝热层的使用提供指导性参考意见。

2、本发明的另一个目的在于提供一种模拟发动机烧蚀的试验装置的使用方法，从而准确、有效的模拟对发动机壳体、喷管表面进行模拟测试。

3、本发明的目的通过以下技术方案实现：

4、一种模拟发动机烧蚀的试验装置，其特征在于：包括载气座、送粉管、密封块、喷嘴、冷却外壳及固定头；载气座包括同轴设置的第一壳体与第二壳体、且第二壳体位于第一壳体外圈，第二壳体与第一壳体之间形成燃料气流通道；送粉管与第一壳体同轴设置且送粉管位于第一壳体内，送粉管与第一壳体之间形成助燃气流通道；第一壳体前端同轴设置喷嘴，喷嘴包括燃烧腔与喷射腔，燃烧腔与喷射腔均为锥形结构且燃烧腔与喷射腔平滑连通，燃烧腔位于靠近第一壳体的一端且燃烧腔内设置火花塞；第二壳体与喷嘴之间（且位于第二壳体与喷嘴外壁）设置密封块；冷却外壳同轴设置在载气座与喷嘴的外壁，冷却外壳内壁与各部件外壁之间形成压缩空气通道，燃料气流通道、助燃气流通道、压缩空气通道均与燃烧腔连通；冷却外壳与喷嘴之间形成冷却进流道；固定头设置在冷却外壳外壁（且与喷嘴远离第一壳体的外壁连接），固定头与冷却外壳之间形成冷却出流道，且冷却进流道与冷却出流道通过通孔进行连通。

5、作进一步优化，所述燃烧腔的收敛角 a为12.5°～13.5°，喷射腔的扩张角 b为2.5°～3.5°；燃烧腔与喷射腔连接处的喉部直径 d为φ6.9mm～φ7.1mm。

6、作进一步优化，所述燃烧腔的长度 l为13.5～18.5mm，所述喷射腔的长度 n为55.6～60.5mm，所述燃烧腔与喷射腔连接处的喉部长度 s为1～2mm。

7、作进一步优化，所述冷却外壳上分别设置冷却水进口与冷却水出口。

8、一种模拟发动机烧蚀的试验方法，采用如上所述的试验装置，其特征在于：包括以下步骤：

9、步骤一：调节试验装置，使得试验装置的喷嘴口部与待测试试样的中心距离为a，并使得试验装置的中轴线与待测试试样表面的垂线方向之间的夹角为 c；

10、步骤二：打开冷却水进口与冷却水出口，并向冷却水进口通入循环冷却液；

11、步骤三：将试验装置置于调试位置（喷嘴远离试样的位置），通过燃料气流通道通入天然气（主要成分为ch4）、同时通过助燃气流通道通入氧气，通过压缩空气流道通入压缩空气，启动燃烧腔内的火花塞进行点火，逐渐增加气体流量至设定的工作流量，待燃烧火焰稳定后，采用双通道高精度送粉器、并以氩气为载气向送粉管内输送氧化铝（ al 2 o 3）与硅酸铝（ al 2 o 3 ·sio 2）的复合陶瓷粉末；复合陶瓷粉末进入燃烧腔内、被火焰燃烧达到固液两相熔融状态，并经喷射腔喷出，实现高温燃气流与固液两相粒子流的加速；

12、步骤四：将试验装置迅速置于烧蚀位置（步骤一所示位置），将高温高速焰流喷射到待测试工件表面进行高温、高速冲刷试验；

13、步骤五：关闭送粉载气，逐渐减少天然气、氧气以及压缩空气至焰流熄灭；

14、步骤六：停止火花塞停止冷却液通入；取下待测试工件，检测试样经高温、高速冲刷烧蚀后的形貌和性能，完成试验模拟与性能评定。

15、采用氧气、压缩空气与天然气配合作为原料气体、能够有效保证燃烧温度，使得燃烧腔内产生高温、高压；若燃烧室内压力不足以进行试验，通过调节各燃烧气体的压力、流量，调节压缩气体的压力、实现压缩气体对于燃烧产物的增压。之后，通过氧化铝与硅酸铝的复合陶瓷粉末的轴向送粉，一是确保粉末熔化的一致性好、保证熔融状态粉末的分布均匀，从而形成均匀、一致的固液两相粒子流，二是通过送粉管与第一壳体的同轴设置，使得初始通入燃烧腔内的复合陶瓷粉末、及时在富氧条件下完成高温熔融，陶瓷粒子有足够的时间进行高温熔融、形成固液两相的粒子流，从而真实模拟发动机推进剂燃烧时产生的固液两相粒子流的冲刷环境。之后，燃烧室内的燃料产物与固液两相熔融状态的粉末经喷嘴的先压缩后膨胀，进一步实现高温燃气流与固液两相粒子流的加速，从而实现对待测试试样表面的超音速冲刷与高温作用，真实、有效的模拟实际工作环境。

16、作进一步优化，所述步骤一中a为220～225mm， c为55°～65°。

17、作进一步优化，所述步骤三中天然气的流量为11～12m3/h，天然气压力为0.6～0.9mpa；氧气流量为33～36 m3/h，氧气压力为0.8～1.1mpa；压缩空气流量为40～48m3/h，压缩空气压力为0.6～0.8mpa。

18、作进一步优化，所述步骤三中氧化铝与硅酸铝的平均粒径均为30～50μm；其中，氧化铝的用量为100～120g/min，硅酸铝的用量为200～250g/min。

19、本发明具有如下技术效果：

20、本技术通过上述装置与方法，实现对发动机热防护材料（具体为发动机外壳与喷管使用的橡胶材料、树脂基复合材料、烧蚀涂层材料等）进行烧蚀试验时，更真实的模拟发动机使用过程中的实际工况，即燃气温度、氧化气氛、粒子冲刷环境等更接近发动机的实际工况环境，使得测试结果更具有参考价值，更能真实、有效评定发动机热防护材料的耐烧蚀或绝热特性、有效评估发动机在复杂工况下的使用寿命，为发动机热防护选材及结构设计提供有效的数据支撑。同时，本技术通过气体原料的选用、粉体原料的选用、配合装置结构，能够确保短时间内粉体达到固液两相的熔融状态，且熔融状态分布均匀、一致性好，不会造成喷嘴喉部的堵塞，试验流畅性高、再现性强，能够进行反复、多次试验，从而减小试验误差、确保试验精度。此外，本技术中所采用的试验原料均为通用原材料，测试成本低、具有良好的经济型，能有效降低试验成本。