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Mach 0.3燃烧器装置热循环

发布于2019-08-03 12:41????文章来源:北京亚游

美国国家航空航天局材料研究实验室Mach 0.3燃烧器装置
 
自成立以来,美国航天局一直致力于航空航天科学的进步。该
NASA科学和技术信息(STI)程序在帮助NASA维护方面起着关键作用这个重要的角色。NASA STI计划在主持下运作机构首席信息官办公室。 它收集,组织,提供归档和传播美国宇航局的STI。 NASA STI计划提供访问到NASA航空航天数据库和其公共接口,NASA技术报告服务器,从而提供最大的集合之一世界航空航天科学技术研究所。
结果在两个非美国航空航天局的频道上公布并由美国宇航局在美国国家航空航天局STI报告系列,其中包括以下报告类型:
本技术介绍了当前最先进的Mach 0.3燃烧器的功能设施。 它用于材料研究,包括氧化,腐蚀,腐蚀和影响。
在相应的测试中有7台计算机控制的喷射式燃烧器,小型燃烧器每小时燃烧2至3加仑的喷气燃料。 该装置被用作潜在的飞机引擎/机身先进的材料以高温,高速度和热量非常接近实际的操作环境一种有效的方法。 各种几何形状材料可以在700至2400°F(370至1316°C)的温度下评估进行测试,不仅在裸露的高温合金和陶瓷上,而且要研究涂在这些材料上涂层的热防护行为和耐久性。
1.0简介
最先进的Mach 0.3燃烧器装置位于在美国国家航空航天局格伦研究中心材料研究实验室内。它用于材料研究,包括氧化,腐蚀,腐蚀和影响。装置的名称来自排气的速度(?335英尺/秒,或?102米/秒)。该装置被用作对飞机发动机/机身先进的材料,以高温,高速度和热循环密切相关的模拟,接近实际的操作环境进行有效评价手段。可以是各种几何形状和组成的材料,在700至2400°F(370至1316°C)的温度下进行评估。另外,材料可以承受热循环,这与飞机每天起飞所经历的飞行周期相同。这个装置主要用于NASA基础航空项目的测试和评价。燃气涡轮发动机吸入大量的空气,同时,它也可以吸进来诸如灰尘、污垢、火山灰、沙子、岩石、冰、冰雹和人造物体(例如螺母、螺栓)的物体。
该装置可以近似模拟高温腐蚀,热循环冲击同时模拟高温中的灰尘、污垢、火山灰、沙子、岩石。且已经为飞机燃气涡轮发动机公司(包括General)已经进行了更多的服务,包含电力航空公司,普惠公司,罗尔斯·罗伊斯公司,LibertyWorks公司(前身为Allison Advanced Development公司霍尼韦尔航空航天(前身为联信发动机)和威廉姆斯国际;美国空军,海军和陆军;各种材料供应商;美国航天局其他的外地中心和学术界。
本技术主要重点是介绍当前能力。每个装置的核心: 燃烧器本身在整个设施中是不变的,在材料测试配置在每个测试单元中都是唯一的。 目前的能力包括循环氧化(热冷或怠速巡航),腐蚀,腐蚀冲击和拉伸载荷。 测试不仅进行裸露的高温合金和陶瓷上,还可以研究保护涂层的行为和耐久性。
Mach 0.3燃烧器的描述和操作
图1给出了标准Mach 0.3燃烧器的示意图。
标准的排气喷嘴直径为1英寸(2.5厘米),但也使用了其它喷嘴。单个固定样品可达到的最高样品温度为标称2400F(1316度)。 每台装置采用120 psig(800 kPa)空气在过滤车间,空气流量用Sponsler(Lake Bluff,IL)2503型涡轮流量计测量(电子输出到计算机)。以0.3马赫运行,大约使用2.5磅/分钟的气流。 对于更高的马赫数可以达到7.0磅/分钟的气流。 空气预热到500℉(260℃)减少燃烧室内的积碳,并通过直径0.75英寸(1.9厘米)的管线输送,喷气燃料是从5000加仑(19000升)地下储罐。 低压燃油泵(35 psig)将过滤后的燃油输送到燃烧器。 一个高压泵(350psig)将燃料输送到每个测试单元,在那里它被注入到燃烧器中使用位于旋流板中心的现成的Goodrich-Delavan燃油喷嘴。该最常用的燃料喷嘴提供1.5加仑/小时。
燃烧室内的压力用换能器测量,通常比环境高1psi。这个ΔP决定了马赫0.3的火焰速度。衬里由铬镍铁合金601高温合金制成,外径用旁路空气冷却。在这个下游通过衬管孔将空气添加到燃烧过程中。使用“K”型热电偶确认火焰的存在,对于腐蚀研究,可以使用可选的盐溶液注射器。
样品温度可以用多种方法测量,常规地,使用光学高温计。另一种监测技术是使用摄像机记录。由于装置全天候工作,视频可以用来捕捉某些事件,例如热障涂层的散裂。
目前有七个燃烧器,每个分别安置在具有10×10英尺(3×3米)尺寸的测试房间中。
 
GRC公司的0.3马赫燃烧器基于普惠公司(东哈特福德,康涅狄格州)的设计,最早的是在二十世纪七十年代初期上线的。 起初,这些钻机都是手动操作模式。随着二十世纪八十年代初个人电脑(PC)的出现,燃烧器的数字控制成为可行。 这使他们非常灵活,并提供24/7全天候无人值守。可进行准确的材料耐久性测试。
今天使用的计算机控制系统是在1987年安装的。截至本文撰写,坚固的基于486的机器仍然用于运行基于DOS的版本1.1的程序该控制系统是一个混合电脑(数字)和机电(模拟)。 通过一个合适的接口,PC获取试样温度(通常通过光学高温计),燃料压力,燃料流量,燃烧器压力等参数,
样品温度由使用PID控制算法对燃料流量进行数字调节来控制。 
每个测试可以选择五种不同的测试模式:
1、高温计/燃料 - 大部分时间都使用这种模式。 通过调节燃油流量,使维持一个特定的样本表面温度(±6°C /±10°F),用高温计测量的。
2、燃料/空气比率 - 在整个测试中,该模式保持特定的燃料 - 空气比 软件调整温度(最少需要60秒),然后将燃烧器旋转到实际样品上。
3、热电偶/燃料 - 此模式保持特定的样品温度(±6°C /±10°F;样品通过热电偶测量然后调整燃油流量。
4、热电偶/空气 - 在这种模式下,空心热电偶试样的温度保持不变,通过调节通过样品的冷却空气流量来稳定。 预选的燃料与空气比率是保持在整个测试。
5、高温计/空气 - 在这种模式下,空心试样的温度用光学测量
通过调节通过样品的冷却空气流,高温计保持稳定。 预先选择的燃料 - 空气比例在整个测试中保持不变。
 
另一种测试模式的选择是热循环,其中燃烧器可以在
采样指定次数。此外,当燃烧器枢转离开样品。单个样品被固定在适当的位置并被火焰撞击,其中冲击角度由客户指定。如果要测试多个样品,a使用旋转样品转盘( 100至200 rpm ) 圆盘传送带是内部制造的根据客户的需要。
 
 
当前研究和特定测试单元配置3乘3in平板氧化
高温合金是用于燃气涡轮发动机热段的高温金属。材料在1830°F ( 1000°C)附近的温度下保持显著的强度。对高温合金的氧化和热腐蚀行为具有重要意义。在这种苛刻的应用中,诸如涡轮叶片和叶片的部件通常用热障涂层( TBC)保护。这些薄5 - 10密耳( 0.125 - 0.25 mm)氧化锆基陶瓷涂层当与内部结合空气冷却,允许部件在比裸部件高100至200°F的温度下运行。
在此测试中,方形氧化样品(涂层或未涂层)与流量成45°角并保持在超级合金“相框”中。“燃烧器固定就位(不枢转)。通过机电致动,样品可移近1英寸,燃烧器出口喷嘴直径模拟全功率发动机条件(如起飞)下遇到的高温,远离喷嘴模拟发动机怠速状态,并到达中间位置模拟巡航状态。样品可在1到18in之间快速移动(在几秒钟内)远离燃烧器喷嘴,一些客户最多指定三个位置,这些位置对应的温度与怠速、巡航和起飞/着陆条件有关。优选的样品尺寸是3×3英寸。( 7.6乘7.6厘米)
如图7所示,虽然2乘2英寸。(5乘5厘米)和4乘4英寸。( 10.2×10.2 cm)样品也有已经过测试。
 
诸如碳化硅和氮化硅的陶瓷通常比大多数金属和合金。这些材料在氧化环境中形成二氧化硅( SiO 2)的稳定膜。先进燃气涡轮发动机高温结构陶瓷的开发已成为一项重要的研究内容
多年来积极研究的领域。在这种应用中,陶瓷不仅暴露于高
温度,还包括腐蚀性气体(包括水蒸汽)和可能的沉积物(海盐)。水二氧化硅垢的蒸气侵蚀导致衬底在不可接受的比率。为了解决这一问题,已经开发了环境阻挡涂层( EBCs)。在海盐热腐蚀的情况下,腐蚀的关注点是由于表面点蚀。用该板对硅基陶瓷进行了氧化研究氧化装备,