CN113008933A - 用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，属于陶瓷基复合材料的技术领域；包括中央平板放置框和云母板底部托架；云母板底部托架上表面中心位置设置有中央平板放置框，用于放置陶瓷基复合材料平板；中央平板放置框的内壁与陶瓷基复合材料平板的外周面为间隙配合，该间隙采用石棉垫片填充；所述云母板底部托架垂直于主流方向的两个侧壁上，分别对称设置有凹字型模块，所述凹字型模块平行于云母板底部托架侧壁的截面呈为“凹”字形，用于与主流通道连接；本发明避免了传统的螺栓固定对平板结构的破坏，并在固定平板时在四周留出了平板膨胀裕量，同时使用线性膨胀系数与陶瓷基材料相近的高温胶，使其与CMC平板膨胀相协调。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料的技术领域，具体涉及一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置。
背景技术
燃气涡轮作为能源转化和利用的主要装置被广泛应用于发电，航空，化工和机械动力领域。随着能源需求的剧增和环境问题的日益突出，燃气涡轮的功率和热效率都随之不断提高，这些都给燃气涡轮的设计提出了更严格的要求。为了应对能源需求的不断增大和能源利用产生的环境污染问题。燃烧室作为燃气轮机最重要的承热部件之一。在高温燃气的作用下，其内部的火焰筒需要承受极大的热负荷(对流和辐射)、热冲击(工况变化等)等。在燃气涡轮研发和设计中不断提高进口燃气温度显著提高燃气涡轮热效率，同时改进燃烧室的设计使燃气温度分布均匀以降低燃烧中心区域的燃气温度。改进后的设计使燃烧室火焰筒壁面附近的燃气温度显著提高，在高温的气流作用下燃烧室火焰筒的热负荷显著增大，从而严重影响其使用寿命和对整个燃气涡轮的运行安全产生威胁。
为了进一步增强燃烧室的耐高温效果，降低结构温度梯度与热应力，欧美先进发动机燃烧室中已开始使用陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composite,CMC)，该种材料由碳或碳化硅纤维、界面及碳化硅基体三种组分组成，具有低密度、高硬度、高比模量等特点，既保留了碳或碳化硅纤维高强高模、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等优点，也克服了碳化硅陶瓷断裂韧性低和抗冲击性能差的缺陷，同时界面相存在纤维与基体之间，发挥着调节纤维与基体之间的热应力，提高纤维与基体之间的化学相容性，阻止或抑制纤维氧化的作用，是目前国际公认的热结构领域的重要候选材料之一。
由于陶瓷基复合材料内部纤维编织结构复杂、各相热物性不同，该材料的导热系数呈现出各向异性的特点，这与传统的镍基高温合金完全不同。而在材料制备过程中难以避免的孔隙、纤维粘结等进一步增加了内部导热系数的随机性与不确定性，给关于CMC材料的热分析带来了巨大的挑战。目前国内关于CMC材料的传热冷却实验还非常少，没有形成一套完整的试验件设计体系。CMC平板的加工周期长、成本高的特点，有必要保证平板能够有效固定且在实验全程中不被破坏。再加上其加工难度大、缺乏相关力学数据支撑，同时打孔会破坏其内部纤维结构从而极大的影响热分析，这些原因导致了传统实验中合金板的螺栓固定等方法无法适用于CMC平板。
因此，开发一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置对保障关于陶瓷基复合材料平板传热冷却实验安全有效地进行具有十分重要的工程应用价值。
现有的CMC实验件在实验通道中的固定方式多为螺栓固定，如文献GT2020-15053中所用。螺栓固定CMC实验件不足之处有以下几点：第一，螺栓孔对CMC内部结构产生局部破坏，影响其结构强度及传热特性；第二，螺栓材料与CMC完全不同，这导致打孔部分无法纳入到整体的热分析当中，需要经过后续处理将其删除；第三，螺栓固定要求实验件留有裕量进行打孔，使得实验成本上升。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，通过云母夹板结构设计避免对CMC平板进行打孔加工从而提高陶瓷基复合材料传热冷却分析的准确性，解决了常规固定方法无法适用于陶瓷基复合材料平板实验的问题，同时能够保障陶瓷基复合材料传热冷却实验安全有效地进行。
本发明的技术方案是：一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，其特征在于：包括中央平板放置框、云母板底部托架、凹字型模块和密封条；所述云母板底部托架为矩形平板结构，其上表面一侧为主流侧，下表面一侧为二次流侧；云母板底部托架的上表面中心位置设置有中央平板放置框，用于放置陶瓷基复合材料平板；所述中央平板放置框的内壁与陶瓷基复合材料平板的外周面为间隙配合，该间隙采用石棉垫片填充，利用石棉垫片的材料属性，对高温实验中膨胀的陶瓷基复合材料平板进行保护；
所述云母板底部托架垂直于主流方向的两个侧壁上，分别对称设置有凹字型模块，所述凹字型模块平行于云母板底部托架侧壁的截面呈为“凹”字形，用于与主流通道连接；
所述陶瓷基复合材料平板的上方顶角处通过高温胶与主流通道固定。
本发明的进一步技术方案是：所述中央平板放置框为矩形框，其底部固定于云母板底部托架上。
本发明的进一步技术方案是：所述中央平板放置框内长、宽尺寸与陶瓷基复合材料平板长、宽尺寸的差为Δx，长度方向上的尺寸差Δx1与宽度方向上的尺寸差Δx2相等，所述石棉垫片的厚度为δ，尺寸差Δx与实验条件下陶瓷基复合材料平板线性膨胀尺寸ΔL之间的关系为：
δ＝Δx1＝Δx2≥5ΔL。
本发明的进一步技术方案是：所述凹字型模块底面与云母板底部托架的下表面平齐，高度小于云母板底部托架的竖直高度。
本发明的进一步技术方案是：所述云母板底部托架的上表面两侧对称设置有两个密封条，两个密封条平行于主流方向，用于与主流通道的密封连接。
本发明的进一步技术方案是：所述云母板底部托架没有设置凹字型模块的两端分别开有3个六个螺栓孔，分别通过螺栓与主流通道固定。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明在实验平板四周填充石棉垫片，主流侧使用高温胶固定四角，二次流侧使用托架固定，同时云母板上使用凹字形模块与密封条与主流通道配合密封。具体特征包括：
(1)实验平板四周留有空隙用于填充石棉垫片。由于高温实验下平板会发生线性膨胀，在固定中需要考虑为平板留下膨胀裕量。石棉垫片耐高温的特点使其能够用于高温实验当中，并且石棉垫片导热系数低，视为绝热材料，不会对接触平板的热分析产生影响；此外，石棉材质疏松，具有比较好的可压缩性，平板受热膨胀后挤压石棉垫片，石棉垫片被压缩而不会对平板产生大的应力，防止板子结构被破坏。
(2)平板主流侧不设固定结构，而在四角使用高温胶固定在主流通道。高温胶同样具有耐高温、绝热等适用于高温热分析实验的特点，除此之外，选用热膨胀系数与陶瓷基材料相近的高温胶，可以获得两者膨胀协调的效果。这种固定结构不会对主流产生影响且避免了传统螺栓打孔固定对平板内部结构的破坏。
(3)二次流侧选用四周托架支撑。托架的宽度D为不影响实验二次流的最大宽度，可以根据具体实验条件进行选择。
(4)云母板沿流向前后的凹字形模块与两侧的密封条。凹字形模块与密封条的作用在于与主流通道形成配合结构。由于装配过程中不可避免的会存在缝隙泄漏，使用这种结构可以有效的增加泄漏流阻，从而减少实验过程中可能存在的主流流动泄漏。
因此，本发明的总体技术思路是避免传统的螺栓固定对平板结构的破坏，并在固定平板时在四周留出了平板膨胀裕量，同时使用线性膨胀系数与陶瓷基材料相近的高温胶，使其与CMC平板膨胀相协调。在云母板沿流向设有凹字形模块与密封条用于与主流通道相配合，通过这种密封结构可以增加泄漏流动的流阻，从而有效减少主流流动过程中的气体泄漏。
综上所述，本发明提供的用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，在四周空隙填充的石棉垫片可有效处理高温实验过程中的平板热膨胀问题，同时在主流侧四角使用线膨胀系数与CMC平板相近的高温胶固定，二次流侧使用托架固定，既能最小化固定结构对流动传热的影响，同时也能保证CMC平板传热冷却实验安全有效地进行。本发明的云母板固定夹持装置对有关陶瓷基复合材料平板的传热冷却实验具有普遍适用性。
附图说明
图1是本发明的用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板主流侧俯视图；
图2是带有本发明云母夹板与陶瓷基复合材料平板配合示意图及衬垫部分局部放大图；
图3是本发明云母夹板右视图与实验中流体相对位置示意图
图4是本发明的云母夹板前视图。
附图标记说明：1-凹字形模块，2-密封条，3-螺栓孔，4-石棉垫片，5-云母板底部托架，6-中央平板放置框，7-高温胶，8-陶瓷基复合材料平板，9-云母夹板。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1，本发明的实验平板云母固定结构中，陶瓷基复合材料平板放置于中央平板放置框6中，中央平板放置框6的四周填充有一圈石棉垫片4。中心平板放置框6底部设有云母板底部托架5，用于平板二次流一侧的固定。云母板沿流向设有凹字形模块1与密封条2结构与主流通道相配合。云母板底部托架左右有六个螺栓孔3，通过螺栓与主流通道固定。除石棉垫片为后期填充外，其余结构均为一体成型。其中，石棉垫片4的厚度δ与平板的线性膨胀有关，底部托架5的宽度W与实验二次流有关。
参见图2，本发明的实验平板云母固定夹持装置的主流一侧使用高温胶7进行固定。选用线性膨胀系数与陶瓷基材料相近且绝热的高温胶，高温胶7固定位置为平板8四角，不阻碍平板8实验过程中的热膨胀。高温胶7固结后进行打磨，在实验过程中不影响流动传热。高温胶7用量和相对位置与实验中二次流的最大动量有关。
参见图3，本发明的云母夹板中心平板放置框6周围填充有石棉垫片4。石棉垫片4的厚度δ应大于等于五倍实验过程中平板8最大线性膨胀尺寸。
参见图4，本发明的云母夹板上的配合模块1密封条2结构。本发明通过在云母板上设置凹凸结构与主流通道形成复杂配合，从而增加泄漏流流阻，有效减少主流通道气体泄漏。
本发明在实施中，首先通过单独的结构试验，确定实验平板在传热冷却实验过程中最大的线性膨胀尺寸ΔL，填充厚度大于等于五倍ΔL的石棉垫片，填充之后剩余的中心框尺寸与平板尺寸相同，在高温试验下平板发生线性膨胀，平板挤压石棉垫片形成过盈配合。同时仅在四角使用与陶瓷基复合材料平板线膨胀系数相近的高温胶，即采用本发明的云母夹板结构时，给CMC平板高温膨胀留下裕量且固定方式不会阻碍其膨胀。此外，设计凹字形模块与密封条结构，减少主流流动泄漏。
本发明的技术原理如下：
参见图2，利用石棉垫片可压缩性好且绝热耐高温的特点，将其填充在CMC平板周围，为其热膨胀留出压缩空间，同时在四角使用线性膨胀系数与陶瓷基材料相近的高温胶固定，高温胶既不会影响平板内部结构与传热，又与CMC平板热膨胀相协调。因此，采用本发明的云母夹板结构可减少CMC平板高温实验中受到的挤压应力与挤压变形，有效提高平板使用寿命，显著减少实验成本，确保高温实验平稳顺利进行且所得实验结果误差更小。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，其特征在于：包括中央平板放置框、云母板底部托架、凹字型模块和密封条；所述云母板底部托架为矩形平板结构，其上表面一侧为主流侧，下表面一侧为二次流侧；云母板底部托架的上表面中心位置设置有中央平板放置框，用于放置陶瓷基复合材料平板；所述中央平板放置框的内壁与陶瓷基复合材料平板的外周面为间隙配合，该间隙采用石棉垫片填充，利用石棉垫片的材料属性，对高温实验中膨胀的陶瓷基复合材料平板进行保护；
所述云母板底部托架垂直于主流方向的两个侧壁上，分别对称设置有凹字型模块，所述凹字型模块平行于云母板底部托架侧壁的截面呈为“凹”字形，用于与主流通道连接；
所述陶瓷基复合材料平板的上方顶角处通过高温胶与主流通道固定。
2.根据权利要求1所述用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，其特征在于：所述中央平板放置框为矩形框，其底部固定于云母板底部托架上。
3.根据权利要求2所述用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，其特征在于：所述中央平板放置框内长、宽尺寸与陶瓷基复合材料平板长、宽尺寸的差为Δx，长度方向上的尺寸差Δx1与宽度方向上的尺寸差Δx2相等，所述石棉垫片的厚度为δ，尺寸差Δx与实验条件下陶瓷基复合材料平板线性膨胀尺寸ΔL之间的关系为：
δ＝Δx1＝Δx2≥5ΔL。
4.根据权利要求1所述用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，其特征在于：所述凹字型模块底面与云母板底部托架的下表面平齐，高度小于云母板底部托架的竖直高度。
5.根据权利要求1所述用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，其特征在于：所述云母板底部托架的上表面两侧对称设置有两个密封条，两个密封条平行于主流方向，用于与主流通道的密封连接。
6.根据权利要求1所述用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，其特征在于：所述云母板底部托架没有设置凹字型模块的两端分别开有3个六个螺栓孔，分别通过螺栓与主流通道固定。
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