[发明专利]一种发动机环境热阻涂层辐射特性研究系统及方法

说明书

本发明公开了一种发动机环境热阻涂层辐射特性研究系统及方法，该系统包括风洞、傅里叶光谱测量仪、红外热像测量仪、红外椭偏测量仪，分别采用傅里叶光谱测量方法进行高温介质红外光谱特性测量、红外热像测量方法进行涂层及基体结构表面温度测量、红外椭偏测量方法进行涂层表面吸收率和发射率测量。可以实现风洞模拟真实发动机热循环下，定量获得介质辐射与涂层热能及辐射能之间的瞬态及稳态传递关系和演化规律，可以定量获得介质辐射涂层热能及辐射能之间的瞬态及稳态传递关系和演化规律，定量评估热阻涂层瞬态及稳态热辐射阻隔率和隔热效果。

技术领域

本发明属于热环境试验研究技术领域，具体涉及风洞模拟真实发动机热循环下多场耦合的一种发动机环境热阻涂层辐射特性研究系统及方法。

背景技术

为了测试多种隔热技术对于高温环境的阻隔效果，国内外开展了大量的热环境试验研究：60年代国内外结构热试验室均采用以石英灯辐射加热作热源的热试验系统。此类试验系统，一般总功率从几千瓦到几十万千瓦；到了70年代，研究人员开始研制石墨加热器。按试验对象的形状把石墨加工成加热元件，用石墨加热元件的辐射热加热试验对象，形成新的以石墨为加热元件的辐射加热试验系统，把试验对象的温度提高到1200℃～1600℃，加热率也有提高，最典型的试验是航天飞机的翼前缘与鼻锥热结构试验；在研制石墨加热器的同时，还研究了以高温、高压燃气为热源的对流加热试验系统，如美国的TPSTF(防热系统试验装置)、HTST(8英尺高温结构风洞)等，这类试验系统采用高压气与燃料的化学反应产生高温、高压、高速气流对试验对象表面进行加热，考核防护热结构的放热能力与热结构的承热能力。而目前营造高温环境下的加热设备主要包含三类：一是太阳炉；二是电弧灯；三是石英灯与石墨加热元件。其中，石墨加热器因加热温度高、温区均匀以及运行时间长等优势，常常用于热防护结构传热性能的测试试验中。但是目前常用的加热装置其温升速率很低(5℃)，现有试验设备多用于表征高温环境下防护材料的稳态热辐射特性。

而实际发动机温升率可达100℃，伴随着极端的温度变化，材料受到热应力也将快速变化，极易导致热膨胀及热变形等问题。而材料的膨胀和变形对于表面涂层的力学特性及隔热防护效果均会带来不利影响，甚至诱发涂层失效。因而探究温升急速变化过程中，热阻涂层瞬态和稳态热特性至关重要。

因此，需发展风洞模拟真实发动机热循环下一种多场耦合的发动机环境热阻涂层辐射特性研究系统及方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种发动机环境热阻涂层辐射特性研究系统及方法，可以实现风洞模拟真实发动机热循环下，定量获得介质辐射与涂层热能及辐射能之间的瞬态及稳态传递关系和演化规律，定量评估热阻涂层瞬态及稳态热辐射阻隔率、隔热效果。

本发明采取的技术方案为：

一种发动机环境热阻涂层辐射特性研究系统，包括风洞、傅里叶光谱测量仪、红外热像测量仪、红外椭偏测量仪，以实现风洞模拟真实发动机热循环下，定量获得介质辐射与涂层热能及辐射能之间的瞬态及稳态传递关系和演化规律，定量评估热阻涂层瞬态及稳态热辐射阻隔率、隔热效果。

所述风洞中放置有涂覆涂层的基体，即在发动机涡轮叶片上涂热阻涂层，以考察对于耐受长时间大热流密度(如10⁰～10¹MW/m²)、高温(如1400℃)、高温升速率(如100℃/s)环境下热阻涂层对于基体(即发动机涡轮叶片)的隔热效果。

所述傅里叶光谱测量仪，水平放置在风洞的一侧，红外热像测量仪水平放置在风洞的另一侧、红外椭偏测量仪的入射光系统和接收检测光系统对称设置在风洞的两侧，红外椭偏测量仪的光线照射在涂层(2)上。

进一步的，所述风洞设置为超声速风洞，风洞的试验段温升速率达100℃/s。以构造基体和热阻涂层的大热流密度(如10⁰～10¹MW/m²)、高温(如1400℃)、高温升速率(如10²℃/s)环境。