[发明专利]模拟发动机叶片服役环境的动态氧化烧蚀测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟发动机叶片服役环境的动态氧化烧蚀测试装置及方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。

背景技术

航空发动机对飞行器的性能以及飞行器设计与制造起着关键作用。虽然航空发动机的研究技术难度大、成本高，但各国仍将航空发动机的研究与发展置于重要地位。因为发动机叶片薄、转速大，所以在高温、高压的发动机工作环境中很容易发生变形甚至损坏，影响发动机的工作安全。因此，对发动机叶片在服役强度下的工作状态进行考核是很有必要的。

现有研究航空发动机的方法包括数值模拟与实验模拟。因为发动机服役环境复杂，所以数值模拟的方法仍然具有很大的局限性，实验模拟仍然是进行发动机研发的最有效手段。实验模拟分为两种，第一种是全环境模拟方法，第二种是将全环境因素简化为控制因素的方法。全环境模拟方法可以直接获得叶片的实验结果，且更为接近真实的服役环境，但是全环境模拟方法在设备方面的成本高昂。将全环境因素简化为控制因素的方法从发动机叶片服役环境与发动机叶片发生破坏的本质原因出发，模拟发动机叶片的工作环境，在低成本的情况下完成对发动机叶片工作情况的考核。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟发动机叶片服役环境的动态氧化烧蚀测试装置及方法，该装置可实现发动机叶片在真实工作环境下的烧蚀实验，实现对发动机叶片变形的测量；同时在此装置基础上提出模拟发动机叶片服役环境的动态氧化烧蚀测试方法。

本发明的技术方案如下：

一种模拟发动机叶片服役环境的动态氧化烧蚀测试装置，包括加热箱、高速旋转装置、温度反馈系统和图像采集系统，其中：所述高速旋转装置安装在加热箱的一个侧壁上，其包括加热箱外的部分和嵌入到加热箱内的部分，该嵌入到加热箱内的部分为耐高温材料制成，具有与发动机叶片连接的部件；在与高速旋转装置相对的加热箱侧壁上设有观察窗，所述图像采集系统位于观察窗外，包括两台带有滤波片的高速摄像机、两个蓝色光源和计算机，两台高速摄像机通过一个触发器由计算机实现同步控制；所述温度反馈系统用于调控加热箱温度，其测温部件位于加热箱内。

上述测试装置中，所述耐高温材料优选为耐高温陶瓷材料。所述高速旋转装置可以是一发动机，发动机嵌入到加热箱内部分的机壳为耐高温陶瓷材料；与发动机叶片连接的部件通常为耐高温材料制成的外齿轮，该外齿轮与发动机叶片中心的内齿轮啮合。

所述观察窗优选为高温石英玻璃观察窗，可以设两个观察窗，两台高速摄像机分别透过两个观察窗对发动机叶片表面的烧蚀过程进行记录；两个蓝色光源用于高温条件下的补光。

所述温度反馈系统为闭环控制的温度反馈系统，其测温部件优选为热电阻测温装置。

进一步的，为防止高速旋转的发动机叶片在测试过程中发生脆断，碎片撞击加热箱继而导致加热箱毁坏，在加热箱的内壁周围设置保护装置，例如石棉网、铁丝网等。

基于上述模拟发动机叶片服役环境的动态氧化烧蚀测试装置，本发明提供了一种模拟发动机叶片服役环境的动态氧化烧蚀测试方法，包括以下步骤：

1)将待测发动机叶片安装到高速旋转装置上，在烧蚀测试之前，通过两台高速摄像机透过观察窗拍摄常温下发动机叶片的两个图像，作为未产生变形的初始图像；

2)开始测试，将加热箱内部加热到发动机叶片的服役温度(通常为1500℃)，并开启高速旋转装置，使发动机叶片转速达到服役时的转速(如150r/s)，同时两台高速摄像机开始进行实时拍摄，一段时间后停止拍摄；

3)通过刚体位移的运算矩阵将拍摄得到的不同位置的发动机叶片图像移动到相同的位置，消除刚体位移；

4)利用数字图像相关方法对测试过程拍摄到的发动机叶片图像与初始图像进行对比分析处理，计算得到发动机叶片烧蚀后的应力应变，以及发动机叶片在服役环境下表面烧蚀演化的动态过程。

上述步骤3)可以通过特征识别技术选择发动机叶片，并利用矩阵运算将高速摄像机拍摄得到的发动机叶片图像旋转至同一位置。

上述步骤4)先针对每台高速摄像机拍摄的一组图像，通过数字图像相关方法对测试过程的烧蚀图像与初始图像进行对比分析：首先将每张图像相应分成若干子区，对于变形前的初始图像中的每一点(x,y)具有一个灰度值f(x,y)，变形后的烧蚀图像中的每一点(x′,y′)具有一个新的灰度值g(x′,y′)，对于每个子区计算以下相关函数：