CN103207054A - 高温结构密封性能地面模拟测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，包括加热装置、试验段、测试件、高温密封装置、进水口、出水口、通用密封接口、进气孔、压力传感器、电阻真空计、抽气阀门、压力舱，试验段通过定位孔固定于试样台上，测试件装夹到试验段中并通过高温密封装置、O型圈、内嵌密封钢圈、橡胶楔密封环、和装卡盖板密封。本装置利用燃气或红外设备部分再现高热流密度地面模拟环境，通过检测高温环境下热防护密封结构在不同压力条件下的压力差测试与评价热防护结构的高温密封性能；该装置操作简单，调节范围宽，具有通用接口，可对任何热防护密封结构进行测试与评价。

Description

高温结构密封性能地面模拟测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种针对结构高温密封性能的测试装置，具体涉及一种高温结构密封性能地面模拟测试装置及测试方法。

背景技术

高速飞行器外壳，各类航天与航空用动力装置，各类燃烧环境舱室，高温用传感器等均存在大量使用环境温度较高的密封结构，这类结构要求在密封两端介质泄露率低于某一个设计阈值，因而在使用前对该类结构进行高温密封性能试验评价是其工程应用的先决条件。

当前对这类结构的模拟考核通常以常温打压、炉内加热后打压这两类静态试验方式，模拟结构工作过程中初态与峰值态温度两个工况点，温度试验后通过开放的机械接口与各类气压或液压装置连接进行压力试验。而对于大量高温密封结构，其温度边界始终处于非稳态工况，表面热流密度、结构升温速率，结构密封两端压差等是决定此类高温密封结构性能的关键参量，并伴随了结构温度、压力、密封材料性能的梯度性变化，这些均为传统静态的试验手段无法复现的，因此上述参量的模拟能力是正确评估该类结构性能的重要工程基础与技术手段，本发明正是基于此而进行的

本专利提出的测试装置，首次将密封测试与高温加载整合为一体，通过有效的单向热源向密封表面施加类型多样，幅值可调的热边界载荷，模拟被试结构工作状态的时变受热过程；同时通过将被试结构密封夹持于一个耐高温舱体内，通过加压或抽压形成舱内外大气压力差，模拟被试结构工作状态的内外压力。通过传感器监测试件表面与内部温度，及舱内外压力，最终实现密封结构在高温条件下密封性能动态过程表征。

发明内容

本发明的目的是针对各类高温密封结构形式，提供一种高温结构密封性能地面模拟测试装置及测试方法。

本发明的目的是这样实现的：一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，包括加热装置、试验段、测试件、高温密封装置、进水口、出水口、通用密封接口、进气孔、压力传感器、电阻真空计、抽气阀门、压力舱，试验段通过定位孔固定于试样台上，测试件装夹到试验段中并通过高温密封装置、O型圈、内嵌密封钢圈、橡胶楔密封环、和装卡盖板密封，试验段上设有水冷套，水冷套的上端与进水口连接，水冷套的下端与出水口连接，水冷套内设有导流板形成冷却回路，装卡盖板上设有气孔，试验段通过密封接口与压力舱连接，压力舱底部设有进气孔，压缩气体由气瓶经减压阀、流量计、电磁阀、针形截止阀、截止阀、压力表和进气孔进入压力舱，压力舱顶部设置有压力传感器接口和电阻真空计接口，压力传感器接口与压力传感器连接，压力舱后部开有抽气孔，压力舱内气体经真空法兰、抽气阀门、真空电磁阀由真空泵排出。

本发明还有这样一些技术特征：

所述加热装置是燃气加热装置或红外加热装置。

所述燃气加热装置采用燃料与氧气的混合。

所述红外加热装置采用高温石英管热辐射及光学汇聚。

首先利用塞式量热计标定试验热流密度状态，确定加热装置出口与测试件表面的距离和进气体流量，测试件装夹到试验段中并通过专用高温密封装置、O型圈、内嵌密封钢圈、橡胶楔密封环、和装卡盖板密封；调节测试件表面与加热装置出口的距离至标定值，通过通用密封接口将试验段与压力舱相连，关闭真空泵、抽气阀门、真空电磁阀和电阻真空计，开启气瓶、减压阀、截止阀、针形截止阀、电磁阀，利用流量计、压力表控制进气量至标定参数后开启加热装置，通过压力传感器检测整个加载过程中压力舱内的压力变化，试验结束后，记录试验相关参数。

首先利用塞式量热计标定试验热流密度状态，确定加热装置出口与测试件表面的距离和进气体流量，测试件装夹到试验段中并通过专用高温密封装置、O型圈、内嵌密封钢圈、橡胶楔密封环、和装卡盖板密封；调节测试件表面与加热装置出口的距离至标定值，通过通用密封接口将试验段与压力舱相连，关闭气瓶，减压阀、截止阀、针形截止阀、电磁阀和流量计，开启真空泵、抽气阀门、真空电磁阀，利用电阻真空计检测整个加载过程中压力舱内的压力变化，试验结束后，记录试验相关参数。

所述的测试件为组合结构测试件。

所述的测试件为高温合金螺纹密封结构件。

所述测试件为高温合金螺纹密封结构件，结构尺寸为Φ60mm×100mm，结构件装夹于试样段中，采用燃气火焰加载，喷嘴中心与试样中心重合距离100mm，热流密度0.2MW/m2；高压状态时初始压力200kPa，测试件表面最高温度1300±30℃，加载时间30s，得到压力变化曲线。

所述测试件为高温合金螺纹密封结构件，结构尺寸为Φ60mm×100mm，结构件装夹于试样段中，采用燃气火焰加载，喷嘴中心与试样中心重合距离100mm，热流密度0.2MW/m2；低压状态时初始压力1kPa，测试件表面最高温度1300±30℃，加载时间30s，得到压力变化曲线。

本装置利用燃气或红外设备部分再现高热流密度地面模拟环境，通过检测高温环境下热防护密封结构在不同压力条件下的压力差测试与评价热防护结构的高温密封性能；该装置操作简单，调节范围宽，具有通用接口，可对任何热防护密封结构进行测试与评价。试验测试表明，本发明可以提供热流密密度0.1～4.18MW/m²、压力-0.108Mpa～+0.655Mpa独立调节的气动环境，能够满足热防护结构高温密封性能地面模拟测试与评价的基本要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是压力舱电气原理示意图；

图3是典型试验段结构图；

图4是压力舱结构图；

图5是典型密封件压力变化历程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例：

本发明还具有如下结构特征：

1.试验段壳壁中空水冷，确保在热源作用下结构完整性与本体密封性能，根据不同热被试密封结构的尺寸特征，可设计相应的试验段进行装卡。试件装卡采用了独特的多层密封设计，通过周向密封胶，装卡盖板、内嵌式密封钢圈、楔形橡胶环，形成四道密封；试验段后端为Φ10mm/Φ16mm/Φ20mm的专用密封接口与压力舱相连确保整个试验段和压力舱内的气密性；

2.针对高温密封原理性试验试件和热防护结构密封件，通过测量密封件在高热流密度条件下的压力变化，评价其密封性能；

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δp}}{t}\×100\%=\frac{p_0-p_1}{t}\×100\%---\left(1\right)$

式中ρ——密封度；

P₀——初始压力(Pa)；

P₁——最终压力(Pa)；

t——测试时间(s)。

3.试验的热流密度通过氧气、乙炔的进气量和氧乙炔枪与热防护密封结构表面的距离进行调节，在相同试验条件下利用塞式量热计和高温计进行标定；

4.抽真空子系统包括旋片式变频真空泵、真空电磁阀、抽真空管、电阻真空计，旋片式变频真空泵与真空管连接，抽真空管与不锈钢环境舱连接，抽真空管上安装有电磁阀，不锈钢环境舱安装有电阻真空计，电阻真空计监控不锈钢环境舱内的压力值，通过调节抽气阀门调节真空度；

5.供气子系统包括气体喷嘴、气体压力表、截止阀、电磁阀、流量计、减压阀和气瓶。采用压力计监控压力舱内的压力并通过调节进气流量计以达到改变压力舱内压力。

本发明的主要技术特征：

1、通过塞式量热计和高温计标定本发明装置试验范围：加载热流密度0.1～4.18MW/m²，表面温度测量范围：250～3000℃；

2、舱内外可通过充气/抽气形成正/负压差，以模拟真实使用环境的结构受力状态。舱内-外压差范围：-0.108Mpa～+0.655Mpa，利用电阻真空计和压力计实时监控并记录压力变化；

模块化接口设计可对不同结构尺寸的密封结构进行评价，试验段可根据热防护密封结构定制加工；

实施例1

本实施例是一种热防护结构高温密封性能地面模拟测试与评价装置，包括燃气/红外加热装置1、试验段2、压力舱12、压力传感器9、电阻真空计10、真空泵14，压力表15、流量计19、气瓶21和冷却循环水源。根据防热密封结构件形状及试验要求，通过塞式量热计标定试验热流密度状态，记录燃气流量/红外加热功率，距离输出口的距离；设计相应的试验段2，通过定位孔29于试样台上，试样段采用中空水冷结构，水冷套22内设导流板23形成冷却回路，冷却水从进水口5进入循环后从出水口6进入冷却循环水源，将测试件3装夹与试样段2中，前端通过高温密封装置4密封保证气密性，后端采用橡胶楔密封环27、内嵌密封钢圈26、装卡盖板28组合密封保证气密性，通过通用密封接口7与压力舱12相连。

压力舱底部设置进气孔8，压缩气体由气瓶21经减压阀20、流量计19、电磁阀18、针形截止阀17、截止阀16、压力表15至进进气孔8进入压力舱，压力舱顶部设置压力传感器接口30连接压力传感器9实现压力舱中的压力变化的实时监控。

压力舱后部开设抽气孔32，舱内气体经真空法兰33、抽气阀门11、舱内气体经抽气管道、真空电磁阀13由真空泵14排除，舱内压力通过电阻真空计9测量。

本实施例能够测试高压、高热流条件下热防护组合结构件的密封性能；首先利用塞式量热计标定试验热流密度状态，确定加热装置1出口与组合结构测试件3表面的距离和进气体流量，组合结构测试件3装夹到试验段2中并通过专用高温密封装置4、O型圈24、内嵌密封钢圈26、橡胶楔密封环27、和装卡盖板28密封；调节组合结构3表面与加热装置1出口的距离至标定值，通过通用密封接口7将试验段2与压力舱12相连，关闭真空泵14、抽气阀门11、真空电磁阀13和电阻真空计10，开启气瓶21、减压阀20、截止阀16、针形截止阀17、电磁阀18，利用流量计19、压力表15控制进气量至标定参数后开启加热装置1，通过压力传感器9检测整个加载过程中压力舱内的压力变化，试验结束后，记录试验相关参数。

高温合金螺纹密封结构件，结构尺寸为Φ60mm×100mm，结构件装夹于试样段中，采用燃气火焰加载，喷嘴中心与试样中心重合距离100mm，热流密度0.2MW/m²；高压状态时初始压力200kPa，测试件表面最高温度1300±30℃，加载时间30s，压力变化曲线如图5所示。

实施例2

本实施例是一种热防护结构高温密封性能地面模拟测试与评价装置，包括燃气/红外加热装置1、试验段2、压力舱12、压力传感器9、电阻真空计10、真空泵14，压力表15、流量计19、气瓶21和冷却循环水源。根据防热密封结构件形状及试验要求，通过塞式量热计标定试验热流密度状态，记录燃气流量/红外加热功率，距离输出口的距离；设计相应的试验段2，通过定位孔29于试样台上，试样段采用中空水冷结构，水冷套22内设导流板23形成冷却回路，冷却水从进水口5进入循环后从出水口6进入冷却循环水源，将测试件3装夹与试样段2中，前端通过高温密封装置4密封保证气密性，后端采用橡胶楔密封环27、内嵌密封钢圈26、装卡盖板28组合密封保证气密性，通过通用密封接口7与压力舱12相连。

压力舱底部设置进气孔8，压缩气体由气瓶21经减压阀20、流量计19、电磁阀18、针形截止阀17、截止阀16、压力表15至进进气孔8进入压力舱，压力舱顶部设置压力传感器接口30连接压力传感器9实现压力舱中的压力变化的实时监控。

压力舱后部开设抽气孔32，舱内气体经真空法兰33、抽气阀门11、舱内气体经抽气管道、真空电磁阀13由真空泵14排除，舱内压力通过电阻真空计9测量。

本实施例能够测试低压、高热流条件下热防护组合结构件的密封性能；首先利用塞式量热计标定试验热流密度状态，确定加热装置1出口与组合结构测试件3表面的距离和进气体流量，组合结构测试件3装夹到试验段2中并通过专用高温密封装置4、O型圈24、内嵌密封钢圈26、橡胶楔密封环27、和装卡盖板28密封；调节组合结构3表面与加热装置1出口的距离至标定值，通过通用密封接口7将试验段2与压力舱12相连，关闭气瓶21，减压阀20、截止阀16、针形截止阀17、电磁阀18和流量计19，开启真空泵14、抽气阀门11、真空电磁阀13，利用电阻真空计10检测整个加载过程中压力舱内的压力变化，试验结束后，记录试验相关参数。

高温合金螺纹密封结构件，结构尺寸为Φ60mm×100mm，结构件装夹于试样段中，采用燃气火焰加载，喷嘴中心与试样中心重合距离100mm，热流密度0.2MW/m²；低压状态时初始压力1kPa，测试件表面最高温度1300±30℃，加载时间30s，压力变化曲线如图5所示。

Claims (10)

1.一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，包括加热装置(1)、试验段(2)、测试件(3)、高温密封装置(4)、进水口(5)、出水口(6)、通用密封接口(7)、进气孔(8)、压力传感器(9)、电阻真空计(10)、抽气阀门(11)、压力舱(12)，其特征在于：试验段(2)通过定位孔(29)固定于试样台上，测试件(3)装夹到试验段(2)中并通过高温密封装置(4)、O型圈(24)、内嵌密封钢圈(26)、橡胶楔密封环(27)、和装卡盖板(28)密封，试验段(2)上设有水冷套(22)，水冷套(22)的上端与进水口(5)连接，水冷套(22)的下端与出水口(6)连接，水冷套(22)内设有导流板(23)形成冷却回路，装卡盖板(28)上设有气孔(25)，试验段(2)通过密封接口(7)与压力舱(12)连接，压力舱(12)底部设有进气孔(8)，压缩气体由气瓶(21)经减压阀(20)、流量计(19)、电磁阀(18)、针形截止阀(17)、截止阀(16)、压力表(15)和进气孔(8)进入压力舱(12)，压力舱(12)顶部设置有压力传感器接口(30)和电阻真空计接口(31)，压力传感器接口(30)与压力传感器(9)连接，压力舱(12)后部开有抽气孔(32)，压力舱(12)内气体经真空法兰(33)、抽气阀门(11)、真空电磁阀(13)由真空泵(14)排出。

2.如权利要求1所述的一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，其特征在于：所述加热装置1是燃气加热装置或红外加热装置。

3.如权利要求2所述的一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，其特征在于：所述燃气加热装置采用燃料与氧气的混合。

4.如权利要求2所述的一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，其特征在于：所述红外加热装置采用高温石英管热辐射及光学汇聚。

5.如权利要求1所述的一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，其特征在于：首先利用塞式量热计标定试验热流密度状态，确定加热装置(1)出口与测试件(3)表面的距离和进气体流量，测试件(3)装夹到试验段(2)中并通过专用高温密封装置(4)、O型圈(24)、内嵌密封钢圈(26)、橡胶楔密封环(27)、和装卡盖板(28)密封；调节测试件(3)表面与加热装置(1)出口的距离至标定值，通过通用密封接口(7)将试验段(2)与压力舱(12)相连，关闭真空泵(14)、抽气阀门(11)、真空电磁阀(13)和电阻真空计(10)，开启气瓶(21)、减压阀(20)、截止阀(16)、针形截止阀(17)、电磁阀(18)，利用流量计(19)、压力表(15)控制进气量至标定参数后开启加热装置(1)，通过压力传感器(9)检测整个加载过程中压力舱内的压力变化，试验结束后，记录试验相关参数。

6.如权利要求1所述的一种高温结构密封性能地面模拟测试装置，其特征在于：首先利用塞式量热计标定试验热流密度状态，确定加热装置(1)出口与测试件(3)表面的距离和进气体流量，测试件(3)装夹到试验段(2)中并通过专用高温密封装置(4)、O型圈(24)、内嵌密封钢圈(26)、橡胶楔密封环(27)、和装卡盖板(28)密封；调节测试件(3)表面与加热装置(1)出口的距离至标定值，通过通用密封接口(7)将试验段(2)与压力舱(12)相连，关闭气瓶(21)，减压阀(20)、截止阀(16)、针形截止阀(17)、电磁阀(18)和流量计(19)，开启真空泵(14)、抽气阀门(11)、真空电磁阀(13)，利用电阻真空计(10)检测整个加载过程中压力舱内的压力变化，试验结束后，记录试验相关参数。

7.如权利要求5或6所述的高温结构密封性能地面模拟测试方法，其特征在于：所述的测试件为组合结构测试件。

8.如权利要求5或6所述的高温结构密封性能地面模拟测试方法，其特征在于：所述的测试件为高温合金螺纹密封结构件。

9.如权利要求5所述的高温结构密封性能地面模拟测试方法，其特征在于：所述测试件为高温合金螺纹密封结构件，结构尺寸为Φ60mm×100mm，结构件装夹于试样段中，采用燃气火焰加载，喷嘴中心与试样中心重合距离100mm，热流密度0.2MW/m2；高压状态时初始压力200kPa，测试件表面最高温度1300±30℃，加载时间30s，得到压力变化曲线。

10.如权利要求5所述的高温结构密封性能地面模拟测试方法，其特征在于：所述测试件为高温合金螺纹密封结构件，结构尺寸为Φ60mm×100mm，结构件装夹于试样段中，采用燃气火焰加载，喷嘴中心与试样中心重合距离100mm，热流密度0.2MW/m2；低压状态时初始压力1kPa，测试件表面最高温度1300±30℃，加载时间30s，得到压力变化曲线。

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