技术领域
[0001] 本
发明属于钛
合金应用技术领域，涉及一种钛火试验用激光点火燃烧室。
背景技术
[0002] 钛合金在航空
发动机高温、高压和高速的气流环境中有发生燃烧的安全隐患，造成钛火故障。除了美国、俄罗斯发生过100余起钛火，近年我国先进发动机研制过程也发生了几起钛火，钛合金燃烧问题引起高度重视。
[0003] 钛火试验是科学评价发动机服役环境中钛合金燃烧特性的核心与关键，高能摩擦、激光和液滴等外部
能量均可作为点火源。其中，激光是一种安全、可靠、清洁的新型点火技术，具有能量
密度大、点火速度快的特点，将其应用到钛火试验中，可实现点火
位置可控且能够定量表征燃烧过程涉及的基本特性。
[0004] 美国率先把激光点火技术用于评价发动机钛火安全性，并在赖特-帕特森空军基地和普惠公司发动机厂建立了钛火试验专用燃烧装置，实现了高温、高压和高速气流条件下钛合金的燃烧试验，为F119等型先进发动机有效
预防钛火提供了技术
支撑。然而，由于技术封
锁等原因，我国钛火试验技术研究尚处于起步阶段，现有燃烧室或装置不能满足先进发动机研制需求。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对
现有技术的不足而提供一种能够调节和保持气流
温度、压
力和速度的激光点火燃烧室。
[0006] 本发明的技术方案是，提供一种钛火试验用激光点火燃烧室，采用激光作为点火源，所述燃烧室包括壳体(1)、前盖(2)、后盖(3)、进气管(4)、排气管(5)、样品夹具(6)、
冷却水管(8)、观察窗(9)、激光入射窗(10)、气体温度
传感器(11)和气体
压力传感器(12)；壳体(1)的壁内嵌有冷却水道(104)，冷却水道与外接的冷却水管(8)接通(通过
焊接或者
螺纹相连接)，冷却水管和冷却水道内部通入冷却水对壳体进行冷却，防止热空气导致的壳体温度过高；壳体壁上开有三个开口，分别密封固定安装样品夹具(6)、观察窗(9)和激光入射窗(10)；
[0007] 外部激光通过激光入射窗(10)入射到壳体内；
[0008] 样品夹具(6)用于将样品安装固定到壳体内；
[0009] 观察窗用于从壳体外部观测样品；
[0010] 前盖(2)和后盖(3)分别与壳体(1)两端密封连接，形成密闭空腔；
[0011] 进气管(4)连接到前盖(2)，且进气管(4)穿过前盖(2)伸入腔体；
[0012] 排气管(5)连接到前盖(2)，且排气管(5)穿过后盖(3)伸入腔体；
[0013] 气体温度传感器(11)和压力传感器(12)分别通过前盖(2)伸入壳体(1)腔体，用于测量样品附近气体温度和气体压力。
[0014] 进一步的，还包括
压板(7)，压板(7)用于将样品夹具压紧到壳体上，压板通过两个
螺栓与壳体
螺纹连接。
[0015] 进一步的，进气管端部与测试样品距离为20～50mm。以使入射气体能够直接喷射到测试样品表面。
[0016] 进一步的，气体温度传感器(11)和压力传感器(12)均距离测试样品10～30mm。测量样品附近气体温度和气体压力。
[0017] 进一步的，观察窗(9)位于测试样品正上方，观察窗(9)为带窗盖板，采用
石英玻璃片为窗，盖板通过螺栓固定到壳体开口(102)上，石英玻璃片与盖板之间密封连接。设备运行时观察窗正上方可安装高速摄像机观察腔内样品情况，或安装红外温度传感器测量样品温度。
[0018] 进一步的，激光入射窗(10)与壳体中心线所呈
角度小于90°，激光入射窗采用透射率高于80％的材料。使得激光垂直于激光入射窗进入燃烧室内腔后能够准确的照射到样品上。
[0019] 进一步的，样品夹具(6)包括第一
夹板(601)、第二夹板(602)、支撑杆(603)、端盖(604)和把手(605)；第一夹板(601)和第二夹板(602)用于夹持样品；第一夹板(601)和第二夹板(602)均套装在支撑杆(603)前端，且可围绕支撑杆(603)旋转以调整样品和入射气流或样品和入射激光之间的夹角；支撑杆(603)后端与端盖(604)固定连接或一体成型，端盖(604)用于与壳体开口进行密封固定，端盖(604)带有把手。
[0020] 进一步的，前盖(2)具有一中心孔，用于焊接进气管(4)，中心孔两侧有气体温度传感器(11)安装孔和气体压力传感器(12)安装孔，次
外圈有冷却水管孔，用于使冷却水管(8)穿过，冷却水管孔直径略大于冷却水管(8)外径，外圈有螺栓孔，用于通过螺栓使其固定到壳体(1)上，后盖(3)结构与前盖(2)基本相同，只是没有气体温度传感器(11)安装孔和气体压力传感器(12)安装孔。
[0021] 进一步的，样品夹具的第一夹板和第二夹板结构相同，头部均为圆弧结构，内有使其套在支撑杆上的孔，圆弧延伸出两个夹片，夹片中间用于放置样品，夹片两侧有孔，用于穿入螺栓对样品夹紧。
[0022] 所述进气管和排气管均通过焊接方法分别与前盖和后盖连接。
[0023] 本发明具有以下优点及突出性效果：
[0024] 1)本发明提供的燃烧室能够承载高温、高压和高速的气流条件，满足模拟发动机服役环境作用下钛火试验的需要，同时采用激光点火方式可以在极短的时间内点燃测试样品；2)燃烧室的壳体的壁内设有冷却结构，大大提高了设备的耐温能力，可以实现600℃以上的钛火试验；3)燃烧室的进气管出气端距测试样品比较近，使样品表面气流速度接近或等于进气管气流速度，此种设计避免了为达到样品表面气流速度而提高整个腔体内气流速度，只需提高进气管气流速度即可，在同样气流速度条件下降低了气体流量，进而降低了气体加热器功率；4)在样品正上方设置观察窗，可实时观察记录样品燃烧过程，也可实现通过红外温度传感器测量样品的点火温度；5)测试样品可围绕样品夹具支撑杆旋转，能够调节样品与入射气流和入射激光的夹角；6)样品夹具可夹持两个或两个以上样品，可实现多组样品的燃烧；7)该燃烧室结构紧凑，操作方便且成本较低，具有广泛应用前景。
附图说明
[0025] 图1为本发明提供的钛火试验用激光点火燃烧室的结构装配图。
[0026] 图2为图1的内部结构图。
[0027] 图3为图1所示的壳体图。图4为图1所示的前盖图。
[0028] 图5为图1所示的样品夹具图。
[0029] 图6为图5所示的第一或第二夹板主视图。
[0030] 图7为图5所示的第一或第二夹板俯视图。
[0031] 其中：1-壳体、2-前盖、3-后盖、4-进气管、5-排气管、6-样品夹具、7-压板、8-冷却水管、9-观察窗、10-激光入射窗、11-气体温度传感器、12-气体压力传感器、101-用于安装样品夹具的开口、102-用于观察窗的开口、103-用于激光入射窗的开口、104-壳体壁内部的冷却水道、601-第一夹板、602-第二夹板、603-支撑杆、604-端盖、605-把手。
具体实施方式
[0032] 本发明为一种钛火试验用激光点火燃烧室，如图1、2、3所示，提供一种钛火试验用激光点火燃烧室，采用激光作为点火源，所述燃烧室包括壳体(1)、前盖(2)、后盖(3)、进气管(4)、排气管(5)、样品夹具(6)、冷却水管(8)、观察窗(9)、激光入射窗(10)、气体温度传感器(11)和气体压力传感器(12)；壳体(1)的壁内嵌有冷却水道(104)，冷却水道与外接的冷却水管(8)接通(通过焊接或者螺纹相连接)，冷却水管和冷却水道内部通入冷却水对壳体进行冷却，防止热空气导致的壳体温度过高；壳体壁上开有三个开口，分别密封固定安装样品夹具(6)、观察窗(9)和激光入射窗(10)；
[0033] 外部激光通过激光入射窗(10)入射到壳体内；
[0034] 样品夹具(6)用于将样品安装固定到壳体内；
[0035] 观察窗用于从壳体外部观测样品；
[0036] 前盖(2)和后盖(3)分别与壳体(1)两端密封连接，形成密闭空腔；
[0037] 进气管(4)连接到前盖(2)，且进气管(4)穿过前盖(2)伸入腔体；
[0038] 排气管(5)连接到前盖(2)，且排气管(5)穿过后盖(3)伸入腔体；
[0039] 气体温度传感器(11)和压力传感器(12)分别通过前盖(2)伸入壳体(1)腔体，用于测量样品附近气体温度和气体压力。
[0040] 进一步的，还包括压板(7)，压板(7)用于将样品夹具压紧到壳体上，压板通过两个螺栓与壳体螺纹连接。
[0041] 进一步的，进气管端部与测试样品距离为20～50mm。以使入射气体能够直接喷射到测试样品表面。
[0042] 进一步的，气体温度传感器(11)和压力传感器(12)均距离测试样品10～30mm。测量样品附近气体温度和气体压力。
[0043] 进一步的，观察窗(9)位于测试样品正上方，观察窗(9)为带窗盖板，采用石英玻璃片为窗，盖板通过螺栓固定到壳体开口(102)上，石英玻璃片与盖板之间密封连接。设备运行时观察窗正上方可安装高速摄像机观察腔内样品情况，或安装红外温度传感器测量样品温度。
[0044] 进一步的，激光入射窗(10)与壳体中心线所呈角度小于90°，激光入射窗采用透射率高于80％的材料。使得激光垂直于激光入射窗进入燃烧室内腔后能够准确的照射到样品上。
[0045] 如图5所示，样品夹具(6)包括第一夹板(601)、第二夹板(602)、支撑杆(603)、端盖(604)和把手(605)；第一夹板(601)和第二夹板(602)用于夹持样品；第一夹板(601)和第二夹板(602)均套装在支撑杆(603)前端，且可围绕支撑杆(603)旋转以调整样品和入射气流或样品和入射激光之间的夹角；支撑杆(603)后端与端盖(604)固定连接或一体成型，端盖(604)用于与壳体开口进行密封固定，端盖(604)带有把手。
[0046] 如图4所示，前盖(2)具有一中心孔，用于焊接进气管(4)，中心孔两侧有气体温度传感器(11)安装孔和气体压力传感器(12)安装孔，次外圈有冷却水管孔，用于使冷却水管(8)穿过，冷却水管孔直径略大于冷却水管(8)外径，外圈有螺栓孔，用于通过螺栓使其固定到壳体(1)上，后盖(3)结构与前盖(2)基本相同，只是没有气体温度传感器(11)安装孔和气体压力传感器(12)安装孔。
[0047] 如图6、7所示，样品夹具的内夹板(601)和外夹板(602)结构相同，头部均为圆弧结构，内有使其套在支撑杆(603)上的孔，圆弧延伸出两个夹片，夹片中间用于放置样品，夹片两侧有孔，用于穿入螺栓对样品夹紧。
[0048] 下面结合具体
实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0049] 实施例1
[0050] 如图1、2、3所示，壳体(1)截面为圆形，由整体
铸造方式制成，其外部直径为290mm、内腔直径为220mm，两端带有连接
法兰，法兰直径360mm，三个凸台(101)、(102)、(103)直径分别为200mm、120mm和80mm。凸台(101)安装样品夹具(6)，样品夹具由两个压板压紧到凸台(101)上，测试样品通过内外夹板(601)(602)装夹到样品夹具(6)上。观察窗(9)由石英玻璃制成，其直径为88mm，由带孔盖板通过螺栓固定到观察窗的凸台(102)上，设备运行时观察窗正上方可安装高速摄像机观察腔内样品情况，或安装红外温度传感器测量样品温度。激光入射窗(10)位于观察窗(9)前方，由硒化锌制成，其直径为32mm，由带孔盖板通过螺栓固定到观察窗的凸台(103)上，其中心线与壳体轴线成45°角，激光垂直于由激光入射窗进入试验腔内，照射到测试样品表面。前盖(2)和后盖(3)结构基本相同，直径均为360mm，均通过螺栓连接到壳体(1)法兰上，且与壳体(1)之间有
密封圈密封。进气管(4)和排气管(5)直径分别为40mm和100mm，通过焊接方法分别固定到前盖(2)和后盖(3)上。进气管(4)末端距样品20mm，以使入射气体能够直接喷射到测试样品表面。气体温度传感器(11)和气体压力传感器(12)通过密封螺纹安装到前盖(2)上，分别测量样品附近气体温度和压强。壳体(1)的壁内有10条直径为10mm冷却水道(104)，冷却水管(8)焊接到冷却水道(104)上，穿过前盖(2)和后盖(3)的冷却水管孔。试验时，首先冷却水管(8)通入冷却水保证对装置进行冷却，进气管(4)通入高温高压气体进入腔体，喷射到样品表面，调节排气管
阀门，待腔内温度、压强、气流速度稳定之后，激光从激光入射窗(10)进入照射到样品前部，使样品快速升温达到点燃，观察窗(9)上方安装有高速摄像机观察腔内样品情况，气体温度传感器(11)和气体压力传感器(12)分别测量样品附近气体温度和压强。
[0051] 实施例2
[0052] 壳体(1)截面形状为矩形，由带冷却水道(104)的四
块板材焊接制成，三个凸台(101)、(102)、(103)通过焊接方法连接到壳体(1)上，凸台(102)和凸台(103)布置在向上的一面，开口(101)布置在侧面，以使开口(102)上的观察窗(9)位于测试样品的正上方，开口(103)上的激光入射窗(10)位于测试样品的斜上方，观察窗(9)材料为石英玻璃，激光入射窗(10)材料为硒化锌，观察窗(9)和激光入射窗(10)与壳体开口之间设有密封圈，防止高温高压气体
泄漏。开口(103)倾斜布置，使垂直于激光入射窗(10)射入的激光能够正好照射到测试样品表面。样品夹具(6)安装到开口(101)上，通过压板压紧到壳体开口上，样品夹具(6)端盖(604)与开口(101)之间设有密封圈。进气管(4)与前盖(2)、排气管(5)与后盖(3)均采用车加工方法制造成为一个整体，前盖(2)和后盖(3)均采用焊接方法与壳体(1)相连接。进气管(4)伸入到壳体腔内，接近测试样品，以使入射气体能够直接喷射到测试样品表面，使样品表面气流速度接近或等于入射气流速度。气体温度传感器(11)和气体压力传感器(12)布置在壳体(1)相对于开口(101)的一侧，与壳体(1)通过密封螺纹连接。冷却水管(8)焊接到冷却水道(104)上。试验时，首先冷却水管(8)通入冷却水保证对装置进行冷却，进气管(4)通入高温高压气体进入腔体，喷射到样品表面，调节排气管阀门，待腔内温度、压强、气流速度稳定之后，激光从激光入射窗(10)进入照射到样品前部，使样品快速升温达到点燃，观察窗(9)上方安装有高速摄像机观察腔内样品情况，气体温度传感器(11)和气体压力传感器(12)分别测量样品附近气体温度和压强。
