CN102156143B - 一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,由横向旋转轴柄、横向轴、纵向平台旋转轴柄、旋转石墨夹具轴柄、装夹台、石墨夹具、被测试件、纵向平台、喷枪、喷枪支架、限流阀、第一调节阀、第一流量计、第一压力表、第一减压阀、乙炔瓶、氧气瓶、轴向旋转轴、操作台支架、轴向旋转轴柄、轴向进动杆、操作台、平台、第二调节阀、第二流量计、第二压力表和第二减压阀组成,本发明通过控制三维移动平台的工作距离及氧乙炔进气流量,可调节试验状态参数,该方法操作简单,效率高,成本低。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种地面模拟试验装置,具体地说是一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置。
背景技术
防/隔热材料的表征和评价需要一系列的地面模拟和检测分析方法,主要的地面模拟设备有氧乙炔烧蚀、等离子火炬、风洞、电弧加热器以及火箭发动机燃气流实验装置等。
风洞有许多类,例如常规高超速风洞,其特点是工作时间长,可达几分钟,但其温度较低,只能做低温材料的烧蚀实验。激波风洞是脉冲式的,实验时间短,为毫秒级。电弧加热器是利用大电流在电极间形成电弧,使高压气体电离,形成高速等离子射流,可以提供高压、高温气动热环境。火箭发动机燃气流实验装置的优点是可以进行大尺寸模型实验,但焓值较低,与真实飞行条件差别较大。等离子火炬是利用高压震荡激发气体形成电弧,经机械压缩和电磁收缩效应压缩后形成稳定等离子电弧,可提供高压、高温气动环境,最高温度达7000℃,比真实飞行条件恶劣。氧乙炔烧蚀是利用氧气、乙炔燃烧产生低压高温火焰,火焰温度、热流密度可调节范围宽,可用于考核防热材料烧蚀性能、热冲击性能以及隔热材料隔热性能。
目前,氧乙炔已用于防热材料烧蚀性能标准化考核手段之一。
因此以氧乙炔烧蚀装置核心,辅以多向可调式装配平台和多种在线检测和监控设备,建立一个廉价、适用结构广、模拟范围宽的防/隔热材料地面模拟试验系统,对防热材料进行表征和评价,已被普遍接受。
发明内容
本发明的目的是针对不同结构防/隔热材料,提供一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置。
本发明的目的是这样实现的:一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,由横向旋转轴柄1、横向轴2、纵向平台旋转轴柄3、旋转石墨夹具轴柄4、装夹台5、石墨夹具6、被测试件7、纵向平台8、喷枪9、喷枪支架10、限流阀11、第一调节阀12、第一流量计13、第一压力表14、第一减压阀15、乙炔瓶16、氧气瓶17、轴向旋转轴18、操作台支架19、轴向旋转轴柄20、轴向进动杆21、操作台22、平台23、第二调节阀24、第二流量计25、第二压力表26和第二减压阀27组成,其特征在于:操作台22固定在操作台支架19的上方,平台23和喷枪支架10固定在操作台22上,横向轴2连接平台23,横向旋转轴柄1连接横向轴2,轴向旋转轴柄20连接轴向旋转轴18,轴向旋转轴18连接轴向进动杆21,轴向进动杆21连接平台23,纵向平台8与平台23连接,纵向平台旋转轴柄3连接纵向平台8,装夹台5在纵向平台8上方,旋转石墨夹具轴柄4与装夹台5连接,石墨夹具6夹在装夹台5中,被测试件7夹在石墨夹具6中,喷枪支架10支撑喷枪9,喷枪9连接限流阀11,限流阀11通过管道分别与第一调节阀12和第二调节阀24连接,第一调节阀12通过管道连接第一流量计13,第二调节阀24通过管道连接第二流量计25,第一流量计13通过管道连接第一压力表14,第二流量计25通过管道连接第二压力表26,第一压力表14通过管道连接第一减压阀15,第二压力表26通过管道连接第二减压阀27,第一减压阀15通过管道连接乙炔瓶16,第二减压阀27通过管道连接氧气瓶17。
本发明还具有以下结构特征:由平台23、纵向平台8和装夹台5互成90°分布组成三向可调式烧蚀平台。纵向平台8通过包括齿轮和螺杆的传动装置固定于支架上,可绕轴向转动。装夹台5固定于纵向平台8上,随着纵向平台8和平台23可沿轴向、横向和纵向移动;试样固定于装夹台5上,可绕纵向转动。喷枪9固定于喷枪支架10上,通过管道与限流阀11、第一调节阀12、第二调节阀24、第一流量计13、第二流量计25、第一压力表14、第二压力表26、第一减压阀15和第二减压阀27连接到氧气瓶17和乙炔瓶16上。
本发明通过控制三维移动平台的工作距离及氧乙炔进气流量,可调节试验状态参数,该方法操作简单,效率高,成本低。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明:
一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,由横向旋转轴柄1、横向轴2、纵向平台旋转轴柄3、旋转石墨夹具轴柄4、装夹台5、石墨夹具6、被测试件7、纵向平台8、喷枪9、喷枪支架10、限流阀11、第一调节阀12、第一流量计13、第一压力表14、第一减压阀15、乙炔瓶16、氧气瓶17、轴向旋转轴18、操作台支架19、轴向旋转轴柄20、轴向进动杆21、操作台22、平台23、第二调节阀24、第二流量计25、第二压力表26和第二减压阀27组成,其特征在于:操作台22固定在操作台支架19的上方,平台23和喷枪支架10固定在操作台22上,横向轴2连接平台23,横向旋转轴柄1连接横向轴2,轴向旋转轴柄20连接轴向旋转轴18,轴向旋转轴18连接轴向进动杆21,轴向进动杆21连接平台23,纵向平台8与平台23连接,纵向平台旋转轴柄3连接纵向平台8,装夹台5在纵向平台8上方,旋转石墨夹具轴柄4与装夹台5连接,石墨夹具6夹在装夹台5中,被测试件7夹在石墨夹具6中,喷枪支架10支撑喷枪9,喷枪9连接限流阀11,限流阀11通过管道分别与第一调节阀12和第二调节阀24连接,第一调节阀12通过管道连接第一流量计13,第二调节阀24通过管道连接第二流量计25,第一流量计13通过管道连接第一压力表14,第二流量计25通过管道连接第二压力表26,第一压力表14通过管道连接第一减压阀15,第二压力表26通过管道连接第二减压阀27,第一减压阀15通过管道连接乙炔瓶16,第二减压阀27通过管道连接氧气瓶17。
由平台23、纵向平台8和装夹台5互成90°分布组成三向可调式烧蚀平台。纵向平台8通过包括齿轮和螺杆的传动装置固定于支架上,可绕轴向转动。装夹台5固定于纵向平台8上,随着纵向平台8和平台23可沿轴向、横向和纵向移动;试样固定于装夹台5上,可绕纵向转动。喷枪9固定于喷枪支架10上,通过管道与限流阀11、第一调节阀12、第二调节阀24、第一流量计13、第二流量计25、第一压力表14、第二压力表26、第一减压阀15和第二减压阀27连接到氧气瓶17和乙炔瓶16上。
使用时,被测试样固定于石墨夹具中,用隔热毡密封;根据被测试样的结构形状和试验状态需求,可设计不同的石墨夹具。
本发明可依据《GJB323-A1996》标准,分别针对原理性试验试件和小尺度结构试件(缩比件),通过测量计算质量烧蚀率和线烧蚀率,评价防热材料烧蚀性能;通过可调整试验参数进行热冲击性能评价;针对窗口、大面积隔热材料,通过选配在线温度测量子系统可进行隔热性能评价。
Rm是试样质量烧蚀率,g/s;m1是试样原始质量,g;m2是试样烧蚀后质量,g;t是烧蚀时间,s。
Rd是试样线烧蚀率,g/s;d1是试样原始厚度,mm;d2是试样烧蚀后厚度,mm。
本发明具有以下几个主要技术特点:
1、通过塞式量热计和高温计标定本发明装置试验范围:热流密度0.1~4.18MW/m2,火焰温度850~3200℃;
2、通过控制三维移动平台的工作距离及氧乙炔进气流量,可调节试验状态参数,该方法操作简单,效率高,成本低;
3、定位平台的五自由度调节装置,可基本再现防/隔热材料服役特征,实现不同小尺度结构件防/隔热材料的烧蚀性能、热冲击性能及隔热性能的地面模拟试验。
试验测试表明,本发明可以提供温度不超过3200℃的稳定的氧乙炔火焰射流,流场稳定,能够满足防/隔热材料地面模拟试验的要求。
三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置的组成包括被测试件,试件固定于装用石墨夹具中,夹具可在装夹台内沿纵向呈360℃旋转,通过旋转石墨夹具轴柄调整装夹台纵向距离以固定石墨夹具角度,纵向平台旋转轴柄控制纵向平台,以调整装夹台纵向距离,横向旋转轴柄驱动横向轴控制平台,以调节试样的横向距离,轴向旋转轴柄控制平台沿轴向方向移动,调节试样的轴向距离;氧气由氧气瓶,乙炔由乙炔瓶经减压阀,压力表,流量计,调节阀,限流阀到喷枪,喷枪固定于喷枪支架上,通过控制调节阀和压力阀调节氧气乙炔的进气量,此外平台可沿轴向呈360℃旋转,以调节火焰与试样角度
本发明的工作流程是:首先根据防/隔热材料试件结构形状及试验要求,涉及相应石墨夹具,试件装备到石墨夹具中并用隔热毡密封;将石墨夹具固定于装夹台上,根据调整水平烧蚀角度后固定,调整三维定位平台,调节石墨夹具与喷嘴之间的距离以及轴向烧蚀角度,以满足试验要求。开启减压阀,点火后调整调节阀和流量计以调整状态参数,稳定后将氧乙炔枪固定于支架上,火焰经喷嘴射出,对试样进行烧蚀,试验结束后,关闭减压阀并测量试样相关参数。
下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点:
实施例1.
采用ZrB2-20SiC-10BN陶瓷基复合材料制作的试验试样,尺寸为Φ20×20mm3,采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中,然后固定于装夹台上,水平烧蚀角度为0°,垂直烧蚀角度为90°;调整三维定位平台,喷嘴至试样横向距离为10mm,喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀,氧气流量为1.01L/s,压力0.43kPa;乙炔流量流量为0.39L/s,压力0.1kPa;试样表面温度1800±30℃,烧蚀60s后试样质量烧蚀率为-0.0008g/s。
实施例2.
采用ZrB2-20SiC-10BN陶瓷基复合材料制作的试验试样,尺寸为Φ20×20mm3,采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中,然后固定于装夹台上,水平烧蚀角度为0°,垂直烧蚀角度为90°;调整三维定位平台,喷嘴至试样横向距离为10mm,喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀,氧气流量为1.01L/s,压力0.43kPa;乙炔流量流量为0.39L/s,压力0.1kPa;试样表面温度2000±30℃,烧蚀180s后试样质量烧蚀率为0.0034g/s。
实施例3.
采用ZrB2-20SiCW陶瓷基复合材料制作的试验试样,尺寸为Φ20×20mm3,采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中,然后固定于装夹台上,水平烧蚀角度为0°,垂直烧蚀角度为90°;调整三维定位平台,喷嘴至试样横向距离为10mm,喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀,氧气流量为1.0L/s,压力0.4kPa;乙炔流量流量为0.4L/s,压力0.1kPa;试样表面温度2100±30℃,烧蚀300s后试样质量烧蚀率为0.0026g/s。
实施例4.
采用ZrB2-20SiCW陶瓷基复合材料制作的试验试样,尺寸为Φ20×20mm3,采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中,然后固定于装夹台上,水平烧蚀角度为0°,垂直烧蚀角度为90°;调整三维定位平台,喷嘴至试样横向距离为10mm,喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀,氧气流量为1.0L/s,压力0.4kPa;乙炔流量流量为0.4L/s,压力0.1kPa;试样表面温度2300±30℃,烧蚀300s后试样质量烧蚀率为0.0039g/s。
实施例5.
采用ZnS红外窗口透波材料制作的试验试样,尺寸为Φ30×20mm3,采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于筒形石墨夹具中,然后固定于装夹台上,水平烧蚀角度为0°,垂直烧蚀角度为90°;调整三维定位平台,喷嘴至试样横向距离为30mm,喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀,氧气流量为0.097L/s,压力0.4kPa;乙炔流量为0.083L/s,压力0.1kPa;试样表面最高温度645℃,热冲击10s后试样出现宏观贯穿裂纹。
实施例6.
采用蓝宝石单晶红外透波材料制作的试验试样,尺寸为Φ30×5mm3,采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于筒形石墨夹具中,然后固定于装夹台上,水平烧蚀角度为0°,垂直烧蚀角度为90°;调整三维定位平台,喷嘴至试样横向距离为30mm,喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀,氧气流量为0.045L/s,压力0.4kPa;乙炔流量为0.04L/s,压力0.1kPa;试样表面最高温度631℃,热冲击5s后试样破裂。
实施例7.
采用石英纤维隔热材料制作的试验试样,尺寸为10×10×10mm3,采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到水平。将打磨后试样装夹于平板形石墨夹具中,然后固定于装夹台上,水平烧蚀角度为0°,垂直烧蚀角度为90°;调整三维定位平台,喷嘴至试样横向距离为25mm,喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀,氧气流量为0.087L/s,压力0.4kPa;乙炔流量为0.073L/s,压力0.1kPa;试样表面最高温度615℃,烧蚀65s后背壁最高温度达85℃。
Claims (5)
1.一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,由横向旋转轴柄(1)、横向轴(2)、纵向平台旋转轴柄(3)、旋转石墨夹具轴柄(4)、装夹台(5)、石墨夹具(6)、被测试件(7)、纵向平台(8)、喷枪(9)、喷枪支架(10)、限流阀(11)、第一调节阀(12)、第一流量计(13)、第一压力表(14)、第一减压阀(15)、乙炔瓶(16)、氧气瓶(17)、轴向旋转轴(18)、操作台支架(19)、轴向旋转轴柄(20)、轴向进动杆(21)、操作台(22)、平台(23)、第二调节阀(24)、第二流量计(25)、第二压力表(26)和第二减压阀(27)组成,其特征在于:操作台(22)固定在操作台支架(19)的上方,平台(23)和喷枪支架(10)固定在操作台(22)上,横向轴(2)连接平台(23),横向旋转轴柄(1)连接横向轴(2),轴向旋转轴柄(20)连接轴向旋转轴(18),轴向旋转轴(18)连接轴向进动杆(21),轴向进动杆(21)连接平台(23),纵向平台(8)与平台(23)连接,纵向平台旋转轴柄(3)连接纵向平台(8),装夹台(5)在纵向平台(8)上方,旋转石墨夹具轴柄(4)与装夹台(5)连接,石墨夹具(6)夹在装夹台(5)中,被测试件(7)夹在石墨夹具(6)中,喷枪支架(10)支撑喷枪(9),喷枪(9)连接限流阀(11),限流阀(11)通过管道分别与第一调节阀(12)和第二调节阀(24)连接,第一调节阀(12)通过管道连接第一流量计(13),第二调节阀(24)通过管道连接第二流量计(25),第一流量计(13)通过管道连接第一压力表(14),第二流量计(25)通过管道连接第二压力表(26),第一压力表(14)通过管道连接第一减压阀(15),第二压力表(26)通过管道连接第二减压阀(27),第一减压阀(15)通过管道连接乙炔瓶(16),第二减压阀(27)通过管道连接氧气瓶(17)。
2.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,其特征在于:由平台(23)、纵向平台(8)和装夹台(5)互成90°分布组成三向可调式烧蚀平台。
3.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,其特征在于:纵向平台(8)通过包括齿轮和螺杆的传动装置固定于支架上,可绕轴向转动。
4.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,其特征在于:装夹台(5)固定于纵向平台(8)上,随着纵向平台(8)和平台(23)可沿轴向、横向和纵向移动;试样固定于装夹台(5)上,可绕纵向转动。
5.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置,其特征在于:喷枪(9)固定于喷枪支架(10)上,通过管道与限流阀(11)、第一调节阀(12)、第二调节阀(24)、第一流量计(13)、第二流量计(25)、第一压力表(14)、第二压力表(26)、第一减压阀(15)和第二减压阀(27)连接到氧气瓶(17)和乙炔瓶(16)上。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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