JP3205764B2 - 高温ガス流評価試験装置 - Google Patents

高温ガス流評価試験装置

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JP3205764B2 JP16437991A JP16437991A JP3205764B2 JP 3205764 B2 JP3205764 B2 JP 3205764B2 JP 16437991 A JP16437991 A JP 16437991A JP 16437991 A JP16437991 A JP 16437991A JP 3205764 B2 JP3205764 B2 JP 3205764B2
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達夫 熊谷
登 櫻中
修一 植田
俊仁 斎藤
和夫 日下
義男 若松
正之 新野
直人 足立
佐登司 永田
昭 坂本
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科学技術庁航空宇宙技術研究所長
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、空力加熱場における、
ガスタービン、スクラムジェットエンジン等の耐熱材
料、冷却構造等の評価を行うための高温ガス流評価試験
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図12にて、従来の装置を説明する。高
圧ガスボンベ1はアーク加熱器2につながれ、アーク加
熱器2の出口は途中にスロートを設け超音速流を発生で
きるラバルタイプのノズル4に連結されている。ノズル
4の出口は測定室5内に置かれる。図中3は直流電源、
6は供試体を示す。
【0003】以上において、高温ガボンベ1よりアー
ク加熱器2に流入した作動ガス8(N2 ,O2 )を、直
流電源3によるアーク放電にて加熱する。さらに、加熱
された作動ガスをアーク加熱器2の出口に設置されたノ
ズル4で超音速に加速し、超音速温ガス流7を測定室
5内に噴出させ、超音速温ガス流れ場を発生させる。
この超音速温ガス流れ場中に、供試体6を設置し、各
種の評価を行っていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の試験装置に
は次のような問題点があった。 (1)超音速温ガス流7を発生させるためにアーク加
熱器2、ノズル4、直流電源3、測定室5等の専用の設
備が必要であり、試験装置の設置には、多くの費用が必
要である。 (2)これまで、小さな供試体のみを加熱できるものし
か製作されておらず、比較的大型の供試体を用いた評価
はできなかった。特に、冷却構造の評価においては、供
試体製作上の制限や冷却剤供給のための配管等の問題か
ら、供試体が比較的大型のものとなるため、従来の試験
装置は、冷却構造の評価には、不向きであった。 (3)大型化を行うためには、大量の高温ガスを発生さ
せる必要がある。しかしこれを加熱するためには、非常
に大きな熱負荷を与えることのできるアーク加熱器が必
要であり、このアーク加熱器の製作が困難であった。 (4)大量の高温ガスの発生が困難なため大型化が難し
くノズルで形成され超音速温ガス流においては、その
運動エネルギ(動圧)は低く、試験・評価の対象となる
耐熱材料や冷却構造の使用環境を模擬するには不十分で
あり、空力加熱と圧力を同時にシュミレートして、耐熱
材料および冷却構造の評価を行うことはできなかった。 (5)作動ガス(窒素、酸素)のアーク加熱によって窒
素や酸素の活性基が生じて、材料特性以外の試験環境が
発生したり、また酸素の割合を高めると電極の消耗を早
めたりする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため次の手段を講ずる。すなわち、高温ガス流評価
試験装置として、燃料および酸化剤の供給を受け評価試
験を行う供試体の実環境を模擬するガス組成の高温ガス
流を発生する燃焼器と、同燃焼器の噴出口に接続され、
同高温ガス流を超音速で噴出するノズルと、同ノズルの
噴出口と間隙を設けて設置され、同ノズルから噴出され
超音速温ガス流中における評価試験を行う供試体を
音速温ガス流中に設置する供試体架台とを設ける。
【0006】
【作用】上記手段により、燃料と酸化剤が燃焼器で燃焼
され評価試験を行う供試体又は供試体で模擬された実機
が運用される実環境を模擬するガス組成比にされた高温
ガス流が発生し、ノズルから噴出される。さらに、この
ガス流はノズルにより超音速に加速され供試体が設置さ
れている部分に、実環境を模擬するガス組成比の超音速
温ガス流れ場を形成することができる。
【0007】このとき、燃焼器の容量およびノズルの径
を所定の大きさにすることによって、大型の耐熱材料、
冷却構造等の供試体を加熱し評価試験を実施することが
できる。
【0008】また、高温ガスを発生させる際の燃料の燃
焼時の圧力を高く設定することにより、供試体近傍にお
ける超音速温ガス流れ場のもつ運動エネルギ(動圧)
を高くすることができる。このため、試験対象である耐
熱材料、冷却構造等の使用環境における圧力条件を模擬
した評価試験ができる。
【0009】さらに、燃料と酸化剤の混合比を変えるこ
とにより、発生する超音速温ガス流中の酸素濃度等の
ガス組成比を調整することができる。また酸化剤側に窒
素と酸素の混合気体を用いることにより、その混合割合
と、更に燃料と酸化剤の混合比率を変えることで、ある
一定の範囲内で燃焼ガスの温度と含まれるガス組成比
を同時に所定値に設定できる。
【0010】したがって、対象とする実環境における酸
化雰囲気を模擬したガス組成比の超音速温ガス流環境
下での供試体の評価ができる。特に、供試体の加熱を実
環境を模擬した温度、流速の燃焼ガス中に正確に配置し
て行われるため、スクラムジェットエンジン等の模擬に
適する。
【0011】
【実施例】(1)この発明の第1実施例を図1を参照し
ながら説明する。
【0012】燃料fおよび酸化剤gの供給を受け高温高
速ガス流を噴出するロケットエンジン用の燃焼器10が
設けられる。またその噴出口に、ロケット用の比較的出
口径の大きい円形の超音速流を発生できるラバルタイプ
ノズル11が接続される。ノズル11の後方に供試体
12を持つ供試体架台13が設けられる。
【0013】以上の構成により、燃焼器10において、
燃料を燃焼させることにより高温高速ガスを発生させ、
ノズル11においてガス流を超音速に加速し、高温高速
のガス流れh場を形成する。そして、この高温高速ガス
流れ場中に、耐熱材料、冷却構造等の供試体12を設置
し、加熱を行うことにより、それらの評価を行う。
【0014】このように、本実施例では、燃焼器10お
よび超音速流を発生できるラバルタイプのノズル11に
現在ロケットエンジンにおいて使用されているものを用
いた。これらは従来より用いられている装置であるた
め、従来のアーク加熱方式による試験装置を新設する場
合に比べ、設計製作に用いられる方法は、これまでロケ
ットエンジンの設計製作で用いられてきた手法が適用で
きる。このため安価に製作できる。
【0015】また、ロケットエンジンの構造を基にして
いるため、高温ガスの流量を高く設定することができ
る。このため試験装置の大型化、特に、ノズル出口径の
大型化が可能である。このような試験装置の大型化、ノ
ズル出口径の大型化により、実用上極めて有利な大きな
超音速の温ガス流れ場を形成することができる。した
がって大型の耐熱材料、冷却構造等の供試体を加熱し評
価試験を実施することができる。
【0016】高温ガスを発生させる際の燃料の燃焼時の
圧力を高く設定することにより、供試体近傍における
音速温ガス流れ場のもつ運動エネルギ(動圧)を高く
することができる。このため、試験対象である耐熱材料
および冷却構造の使用環境における圧力条件を模擬した
評価試験ができる。
【0017】さらに、燃料と酸化剤の混合比を変えるこ
とにより、発生する超音速温ガス流中の酸素濃度を調
整することが可能であり、対象とする実環境における酸
化雰囲気を模擬した環境下での評価ができる。
【0018】円型のノズル11を使用することにより、
軸対称な超音速温ガス流れ場が形成され、軸対称形状
の供試体の試験に適する。 (2)この発明の第2実施例を図2を参照しながら説明
する。なお第1実施例で説明した部分は説明を省略す
る、以下同様。
【0019】図に示すようにノズルとして、矩型形状の
第1実施例のノズル11と同様に途中にスロート部を有
し超音速流を発生できるラバルタイプのノズル11aを
使用するものである。
【0020】このように矩型形状のノズル11aを用い
た場合、2次元的な超音速温のガス流れh場が形成さ
れ、平板や円柱のような2次元形状の供試体12aの評
価を行うのに適する。 (3)この発明の第3実施例を、図3を参照しながら説
明する。
【0021】図に示すように燃焼器10、ノズル11等
を、ロケットエンジン等の高々度における性能を評価す
るための試験設備(高空性能試験設備)のディフューザ
15を持つ低空室14内に設置したものである。
【0022】このように、高空性能試験設備の低空室1
4内に設置した場合、試験においても、蒸気の排気によ
り低圧室14内は低圧に保たれるため、大気圧下で試験
を行う場合に比べ、より高速のガス流を安定して発生さ
せることができる。
【0023】また、燃焼器10等はロケットエンジンの
構造そのものであるため、ロケットエンジン用の高空性
能試験設備内にそのまま設置することができ、安価に、
高性能の試験装置が実現できる。 (4)この発明の第4実施例を、図4を参照しながら説
明する。
【0024】図に示すように燃料fおよび酸化剤gはそ
れぞれ流量調整弁16,17を介して燃焼器10に供給
される。
【0025】このようにして燃料fと酸化剤gの混合比
を燃料流量調整弁16および酸化剤流量調整弁17を用
いて各流量を調整することにより、発生する高温ガス流
中に残る酸素の量を変化させ、超音速温ガス流h中の
酸素分率を大気中の酸素分率に合せることができる。し
たがって、高温環境下における酸化を考慮した耐熱材料
供試体12の耐熱材料の評価ができる。 (5)この発明の第5実施例を、図5を参照しながら説
明する。
【0026】図に示すように冷却溝kを持つ冷却構造供
試体12bをおく。また冷却剤タンク18を設け、その
出口を供試体12bにつなぐ。
【0027】このようにして供試体12bは試験中、供
試体内を冷却剤nが流れ、供試体12bを強制冷却す
る。したがって冷却剤の温度上昇等より、冷却構造の冷
却性能等の評価を行うことができる。 (6)この発明の第6実施例を、図6を参照しながら説
明する。
【0028】図に示すように冷却溝kを持つ傾斜機能材
料供試体12cをおく。この供試体12cの傾斜機能材
料は、表面が空力加熱等により加熱され、裏面は強制冷
却により低温に保たれ、材料に温度落差を有する状態で
使用される材料である。供試体12cは冷却剤タンク1
8につながれる。
【0029】このようにして供試体12cの表面を空力
加熱により加熱するとともに、裏面の強制冷却を行う試
験が実施できる。 (7)この発明の第7実施例を図7を参照しながら説明
する。
【0030】図に示すように、平板形状の供試体12d
を、超音速温ガス流れhに平行に固定する。
【0031】このようにして平板形状の供試体12dに
対し試験を行うことにより、スペースシャトルやスペー
スプレーン等の翼面や機体下面を模擬した試験が可能で
ある。 (8)この発明の第8実施例を、図8を参照しながら説
明する。
【0032】図に示すように平板形状の供試体12eを
超音速温ガス流れh中に、迎角αをもたせて固定す
る。このようにして、第7実施例同様、スペースシャト
ルやスペースプレーン等の翼面や機体下面を模擬した試
験ができ、第7実施例に比べ高い熱負荷での評価が可能
である。 (9)この発明の第9実施例を、図9を参照しながら説
明する。
【0033】図に示すように円柱形状の供試体12fを
超音速温ガス流れh中に固定する。このようにして、
円柱形状の供試体12fに対し試験を行うことにより、
スペースシャトルやスペースプレーン等の翼の前縁部を
模擬した評価試験が可能である。 (10)この発明の第10実施例を、図10を参照しな
がら説明する。
【0034】図に示すように、球型の供試体12gを
音速温ガス流れhに固定する。このようにして球型の
供試体12gに対し試験を行うことにより、スペースシ
ャトルやスペースプレーン等の機体頭部を模擬した試験
が可能である。 (11)この発明の第11実施例を、図11を参照しな
がら説明する。
【0035】図に示すように実機形状の供試体12hを
超音速温ガス流れhに固定する。このようにしてスペ
ースシャトルやスペースプレーン等の総合的な評価が可
能である。
【0036】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
所定の大口径の超音速温ガス流れ場を容易にかつ安価
に作ることができる。したがって、ガスタービン、スペ
ースシャトル等の耐熱材料、冷却構造等の評価試験に極
めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の第1実施例の構成図である。
【図2】図2は、本発明の第2実施例の構成図である。
【図3】図3は、本発明の第3実施例の構成図である。
【図4】図4は、本発明の第4実施例の構成図である。
【図5】図5は、本発明の第5実施例の構成図である。
【図6】図6は、本発明の第6実施例の構成図である。
【図7】図7は、本発明の第7実施例の構成図である。
【図8】図8は、本発明の第8実施例の構成図である。
【図9】図9は、本発明の第9実施例の構成図である。
【図10】図10は、本発明の第10実施例の構成図で
ある。
【図11】図11は、本発明の第11実施例の構成図で
ある。
【図12】図12は、従来例の構成図である。
【符号の説明】
1 高圧ガスボンベ 2 アーク加熱器 3 直流電源 4 ノズル 5 測定室 6 供試体 7 超音速温ガス流 8 作動ガス 10 燃焼器 11,11a ノズル 12,12a〜12h 供試体 13 供試体架台 14 低圧室 15 ディフューザ f 燃料 g 酸化剤 h 超音速温ガス流 16 燃料流量調整バルブ 17 酸化剤流量調整バルブ k 冷却溝 l 傾斜機能材料 m 冷却構造 n 冷却剤 18 冷却剤タンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植田 修一 宮城県柴田郡柴田町西船迫2−5−32− 421 (72)発明者 斎藤 俊仁 宮城県柴田郡柴田町船岡南2丁目2−31 (72)発明者 日下 和夫 宮城県柴田郡柴田町船岡東2丁目15−34 −4 (72)発明者 若松 義男 宮城県柴田郡柴田町西船迫2丁目6−33 (72)発明者 新野 正之 宮城県仙台市若林区南小泉1丁目3−7 (72)発明者 足立 直人 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業 株式会社名古屋航空宇宙システム製作所 内 (72)発明者 永田 佐登司 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業 株式会社名古屋航空宇宙システム製作所 内 (72)発明者 坂本 昭 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業 株式会社名古屋航空宇宙システム製作所 内 (56)参考文献 特開 平3−33636(JP,A) 特開 昭60−233416(JP,A) 特開 昭62−258902(JP,A) 実開 平2−65139(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料および酸化剤の供給を受け評価試験
    を行う供試体の実環境を模擬するガス組成の高温ガス流
    を発生する燃焼器と、同燃焼器の噴出口に接続され、同
    高温ガス流を超音速で噴出するノズルと、同ノズルの噴
    出口と間隙を設けて設置され、同ノズルから噴出され
    音速温ガス流中における評価試験を行う供試体を設置
    する供試体架台とを備えてなることを特徴とする高温ガ
    ス流評価試験装置。
JP16437991A 1991-07-04 1991-07-04 高温ガス流評価試験装置 Expired - Lifetime JP3205764B2 (ja)

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JP4297042B2 (ja) 2004-11-30 2009-07-15 ブラザー工業株式会社 シート材収納カセット及びそれを備える画像形成装置
CN103792966B (zh) * 2014-01-27 2016-01-20 西安航天动力试验技术研究所 发动机热环境试验推进剂恒温供应系统
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