JP5819402B2 - 材料のサーモメカニカル疲労の評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、高い熱流束（ヒートフラックス）を受ける材料のサーモメカニカル疲労を評価する装置に関し、より詳しくは、例えば、少なくとも一部が、考えている材料（合金）で作られたクライオテクニカルロケットエンジン（cryotechnical rocket engine）の燃焼室の予測寿命の信頼性を評価するため、所与の材料のサンプルがこのような高い熱流束を受けることができるようにする機能的組立体に関する。

この数年来、例えばクライオテクニカルロケットエンジンの燃焼室の再生器回路（regenerator circuits:ＲＣ）のように高温に上昇される構造物の寿命に関する粘弾塑性（elasto-visco-plastic：ＥＶＰ）形式のモデルが開発されており、これらのモデルは、このような構造物の寿命を予測することができる。

したがって、特定試験片の材料に、少なくとも賦課される熱流束に関してできる限り真の荷重組を表わす１組の荷重を負荷することにより、このようなＥＶＰ寿命モデルを確認することが望ましい。熱流束レベルの探求範囲は、ロケットエンジンの再生器回路に見られる熱流束レベルでなくてはならない。すなわち、熱流束レベルは、少なくとも５ｍｍの直径を有する円形ゾーンに亘って１００ＭＷ／ｍ²に到達するか、実際にはこれを超えなくてはならない。

現在知られている解決法は、約１０ＭＷ／ｍ²程度の低熱流束レベルに達することを可能にする。これらの幾つかは、例えばクライオテクニカル流体を使用する複雑な冷却システムを実施するものであり、したがって、設計および作動の両方に関して複雑で高価な設備を必要とする。
本発明は、これらの欠点を解消できる。

したがって本発明の目的は、モデルを、実際の工業的状況での試験に供することである。

例えば純粋のクライオテクニカルロケットエンジンの再生器回路に観察されるものと同じ物理的劣化現象、すなわち、
・チャネルの熱壁から突出する変形、および
・或る回数（百回より少数）の作動サイクル後のチャネルの穿刺
が現れるようにするため、実証は、高レベルの熱流束を局部的に受けるように開発された技術的試験片の適合性に基づいている。
高レベルの熱流束のみが、材料の粘性が効果を呈するのに充分に急な温度勾配を得るとともに、熱壁の厚さに高温を得ることを可能にする。

他の目的は、比較的簡単であると同時に、比較的低コストでのトライアルを保証するため、「工業的な」すなわちクライオテクニカルではない冷却流体を用いた冷却システムに基づいたヒータ手段によりこのような高レベルの熱流束を賦課できるようにすることである。

より詳しくは、本発明は、熱流束を受ける材料のサーモメカニカル疲労を評価する装置を提供するものであり、この装置は、
・前記材料で作られかつ熱壁を備えた試験片を有し、熱壁は前記熱流束を受ける外面と平行ストリップが取付けられた内面とを備え、平行ストリップの間に平行チャネルが相互に形成され、
・熱壁の内面の近傍に冷却流体を循環させるための通路を形成すべく、前記ストリップの間の前記チャネル内に挿入できる形状および寸法をもつ平行フィンを備えた中間部品を有し、前記通路は前記ストリップにより分離された複数の平行セグメントにより形成され、前記通路の断面は前記平行チャネル内に前記平行フィンを係合させることにより形成され、
・前記試験片を備えかつ前記中間部品が取付けられた支持体を有し、該支持体は、前記通路の両端部に連結されるダクト要素を備え、
・該ダクト要素に連結された冷却流体循環回路と、
・前記熱壁を加熱するヒータ手段とを更に有することを特徴とする。

支持体および中間部品は単一部品として組み合わされることは理解されよう。
ヒータ手段は、前記熱壁の前記外面の方向に向けられたプラズマトーチを有しているのが有利であり、低圧吹込みアークプラズマトーチを用いるのが好ましい。

他の有利な特徴によれば、前記試験片は、前記平行チャネルが形成された材料のブロックで作られている。例えば、これらはフライス加工により作られ、これにより、熱壁は、本質的に、チャネルの底とブロックの外面との間に残された材料の厚さにより構成される。

必要ならば、前記試験片は少なくとも１つの温度センサを有し、該温度センサは、前記熱壁の前記外面から所定距離の位置まで上記ストリップの１つに形成されたブラインド孔内に収容されている。このようなセンサは、熱電対で構成できる。

好ましい構成では、前記試験片の前記平行チャネルは中間部品の前記平行フィンより長くかつ該平行フィンの両端部を越えて延びている。この結果、前記支持体のダクト要素は、前記平行チャネルの端部と前記平行フィンの端部との間で、試験片の前記平行チャネルと整合して前記中間部品のそれぞれの端部に通じている。

好ましくは、前記平行フィンの端部は、試験片の平行チャネルの端部の形状に一致する曲率で丸められている（平行チャネルの丸められた端部は、これらがフライス加工により形成されている結果である）。これにより、冷却流体のプレナムおよびガイドチャンバを、前記支持体のダクト要素の各オリフィスと整合させて形成できる。かくして、冷却流体は、乱流を生じることがない規則的態様で上記冷却流体通路に沿って流れる。

例えば、中間部品は支持体と試験片との間に介在されている。このため、前記支持体の一方の面には凹部が設けられ、該凹部内に前記中間部品が挿入されている。より詳しくは、前記平行フィンを支持する中間部品のベースが凹部内に受入れられ、試験片は、中間部品が試験片と支持体との間でクランプされるようにして、試験片と支持体との間でクランプされる。

装置の一部を斜視図で示す全体的概略図である。 同じ部分を下から見た斜視図である。 同じ部分を下から見た平面図である。 図５のＩＶ-ＩＶ線に沿う断面図である。 図４のＶ-Ｖ線方向から見た断面図である。 図５で円で囲んだ部分を示す拡大図である。 作動中の装置の全体を示す概略図である。

図示のように、本発明による装置は、真空が形成された包囲体１１を有し、該包囲体１１は、制御可能なロボットアーム１５により支持されたプラズマトーチ１３を収容している。プラズマトーチ１３は、後述のように、支持体２２と櫛型輪郭を有する中間部品２３とにより組立てられた試験片２１により構成された試験サブアセンブリ２０に対面している。サブアセンブリ２０は、試験片２１の壁の外面（熱壁２７と呼ぶ）がプラズマトーチ１３により放出される熱流束に曝されるように、支柱２５の端部に取付けられる。この目的のため、支持体２２は、２つのスクリュウ３７を用いて支柱２５に有利に固定され、スクリュウ３７は２つの冷却流体供給オリフィス３５の間の縁部に配置されている。したがって、これらのスクリュウ３７は、試験片２１を支持体２２上に保持するだけでなく、支持体２２上に他の界面を形成する必要なくして支柱２５上に支持体２を固定する。試験片２１は、これらの２つの要素の間にセンタリングペグ（図示せず）を用いることにより、支持体２２上に１位置のみを占めることができる。これは、実験的観点から有利である。

ロボットは、前記トーチ１３が、該トーチ１３に対して垂直に延びる前記熱壁２７上で移動できるようにプログラムされている。かくして、試験片２１の矩形熱壁２７の複数の領域は、プラズマトーチ１３の作用を受けることができる。

試験片２１は、試験すべき材料で作られる。熱壁２７は比較的薄く、熱壁２７の底面３１には平行ストリップ２９が延びている。平行ストリップ２９は前記底面３１に取付けられておりかつ平行ストリップ２９の間には互いに平行なチャネル３３が形成されている。図示の例では、試験片２１は、前記材料のブロックとして、すなわち（銅合金ベースのブロックとして）矩形の平行六面体の形態をなしており、平行チャネル３３は、フライス加工により平行六面体内に有利に形成される。この結果、平行チャネル３３の端部は、図示のように丸められている。

試験片２１を受ける支持体２２は、矩形の平行六面体の形状を有するように機械加工されたブロックの形態をなしており、その両端部には、１組のスクリュウ３７により試験体１が固定される面３６に開口するダクト要素３５が設けられている。ダクト要素３５には雌ねじが形成されており、該雌ねじは、試験片２１が取付けられる面とは反対側の支持体２２の面から突出するカップリング４０を取付ける機能を有する。図２に示すように、これらの２つのカップリング４０は、真空にされる包囲体１１の壁を気密態様で貫通するパイプ４１に連結される。ダクトは、冷却流体のタンクおよび例えば少なくとも１つのポンプで構成される圧力上昇ユニットからなる外部ユニット４３に連結される。

冷却回路は閉回路とするのが有利であり、この閉回路は、試験片２１の入口３５での前記流体の温度を、決定された範囲内に調整された温度に維持する流体冷凍システムで構成することもできる。この原理に基づいて、冷却流体は、例えば、数十バールの稼働圧力で循環される冷凍蒸留水を使用できる。

櫛型輪郭（長手方向に垂直な直角断面図で見た場合。図６参照）を有する中間部品２３は、ストリップ２９の間の前記チャネル３３内に挿入される形状および寸法を有する平行フィン４５からなる。フィン４５の厚さは、試験片２１のチャネル３３の幅に実質的に等しい。フィン４５の高さは、熱壁２７の前記内面３１の近傍での所定断面の冷却流体通路４７を決定するように定められ、したがって前記断面は、前記ストリップ２９により分離された複数の平行セグメントで形成される。前記熱壁２７に沿う全ての前記通路のフロー断面は、前記平行チャネル３３内で係合する前記フィン４５により形成される。フィン４５は、チャネル３３の深さより小さい係合高さを呈するものと理解されよう。図示の例では、中間部品２３のフィン４５は、試験片２１のストリップ２９が前記フィン４５の間に形成される前記中間部品２３の溝の底にできる限り近接するように（これにより、間隙はゼロではないが小さいものとなる）、冷却流体の流路に望まれる断面に関連して機械加工される。

上記説明から、前記熱壁２７の幅は、試験片２１の大きさ内で、試験片２１内にフライス加工される平行チャネル３３により制限される。チャネル３３のフライス加工深さは、試験片２１の平行チャネル３３の底と試験片２１の外面２８との間の熱壁２７の厚さを決定する。圧力および熱負荷による応力が加えられている間の機械的強度の理由から、熱壁の長手方向縁部は、厚さがより大きくなっており、その割増厚さ（extra thickness）は約５０％である。これは、図６に示すように、試験片２１の外側の２つの平行チャネル３３が中間チャネル（この例では、中間チャネルは５つある）ほど深くはなく、したがって、熱壁２７の厚さをその長手方向縁部に沿って有効に増大させることができる。試験中の熱壁２７の全体的な自然変形は、一般に、加熱される外面と冷却される内面との間の差動熱膨張（differential thermal expansion） の結合効果の下でのバルジング（膨らみ）からなる。このバルジングは、また、冷却流体の内部圧力の効果によっても増強される。熱壁２７の長手方向縁部に沿う割増厚さは、破裂を防止する機能を有する。
本発明を使用する１つの方法では、試験片のストリップは、エポキシ樹脂により、中間部品２３の溝の底に打付けるのが有利である。

このような接着剤による接合は、熱壁２７のバルジングの上記現象を制限しまたは無くすこともできる。しかしながら、このような接着剤による組立体は、接着剤が適当な温度での加熱乾燥により消滅してしまうため、分解に適した設計を妨げる。

また、試験片２１の平行チャネル３３は、中間部品２３のフィン４５より長くかつ該フィン４５の両端部を越えて延びている。したがって、支持体２２のダクト要素３５は、中間部品２３の両端部で、試験片２１のチャネル３３のそれぞれの端部内に通じている。各ダクト要素３５は、前記チャネル３３の端部と前記フィン４５の端部との間で開口している。また、図示のように、フィン４５の端部は、試験片１のチャネル３３の端部の形状と一致するように丸められている（これらの丸められた端部は、前記チャネル３３がフライス加工されていることによる）。この結果、前記支持体２２内のダクト要素３５の各オリフィスに対面して、冷却流体のそれぞれのプレナムおよびガイドチャンバ５０が存在し、これにより、前記流体が、熱壁２７の底面３１の近傍に形成された上記冷却流体の流路４７を通って非乱流態様で流れることができるようになっている。

中間部品２３は、試験片２１がスクリュウ３７により前記支持体２２に固定されるとき、支持体２２と試験片２１との間にクランプされる。より詳しくは、支持体２２は、試験片２１を取付ける面内に、中間部品２３を受入れる挿入凹部５３を有している。中間部品２３のベース５５は、フィン４５を支持しかつ凹部５３内に係合される。かくして、中間部品２３は、凹部５３の底と試験片２１のストリップ２９の縁面との間で移動することが防止される。前述のように、組立体は、組立て中にストリップ２９の縁面上にエポキシ樹脂５７を塗布することにより、熱壁２７のバルジングが生じる度合いが制限されるように改善される。

また、支持体２２および試験片２１は、ダクト要素３５のオリフィスと中間部品２３のベース５５を受入れる前記凹部５３との両方を包囲するシーリングガスケット６０を介在して一緒に固定される。このガスケット６０は、試験片２１を受ける支持体２２の面に形成された閉輪郭の溝６１内に受入れられる。

作動中の熱壁２７の温度を知ることは有利である。この目的のため、試験片２１は、例えば熱電対型の少なくとも１つの温度センサ６３を有している。
図示の例では、長手方向に間隔を隔てて配置された４対の温度センサ６３が設けられている。各対の温度センサ６３は、試験中に如何に温度が変化するかを観察できる、所与の試験片の試験ゾーンを形成する機能を有する。かくして長手方向に間隔を隔てた４つの試験ゾーンが設けられ、各試験ゾーンは、同じ冷却条件したがって同じ負荷能力を呈する。したがって、測定冗長性を得るため、各ゾーンには２つの熱電対６３が設けられる。より詳しくは、図示のように、このようなセンサ（熱電対）６３は、熱壁２７の外面２８から所定距離内で試験片２１のストリップ２９に形成されたブラインド孔６５内に収容される。中間部品２３内および支持体２２内に形成された貫通孔は、センサ６３に接続される電気ワイヤを通す機能を有している。より正確には、各センサ６３について、中間部品２３は、そのベース５５を通って形成されかつその２つのフィン４５の間で対応ブラインド孔６５と整合した貫通孔６６を有している。支持体２２は各対のセンサ６３のための貫通孔６７を有する。貫通孔６７は、貫通孔６６より大きい直径を有しかつ中間部品２３の両隣接孔６６との連通を行う機能を有している。支持体２２の背面では、ねじプラグ６９が、貫通孔６７のタップ孔と係合している。ねじプラグ６９には、電気ワイヤ７０を通すドリル孔が形成されている。センサ６３の位置は、該センサを収容する孔内にエポキシ樹脂を注入することにより永久固定するのが好ましい。
電気ワイヤ７０は測定ユニット７１に接続される。

センサ対の位置の回りで熱壁２７に形成された種々のゾーンについて、熱壁２７の異なる深さの温度に関する情報を得るため、熱壁２７の外面２８の下の種々の深さ、例えば０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍおよび３ｍｍの位置にセンサ６３を配置するのが有利である。この目的のためには、全てのセンサ対にいついてブラインド孔６５の深さを調節しておけば充分である。二重の測定チャネルは、温度測定をより信頼性のあるものにする上で有利である。

上記説明から、試験を遂行する方法が明瞭に理解されよう。上記のように形成されたサブアセンブリ２０は、包囲体１１内に配置される支柱２５の端部に取付けられる。冷却流体循環回路が連結され、プラズマトーチ１３を作動させる前に真空が確立される。プラズマトーチ１３が熱壁２７の表面に対し垂直に向けられる。熱壁２７の外面２８がプラズマトーチ１３により発生される熱流束を受けている間に熱壁２７の内面３１を連続的に冷却するため、蒸留水が回路中に流される。ロボットアーム１５を移動させることにより、プラズマトーチ１３が熱壁２７上で移動される。トーチ１３の接近速度、熱壁２７からの最小距離および熱壁２７が熱流束に曝される時間の長さは、ロケットエンジンの作動の種々のアスペクト（熱流束のレベルの高速、低速および安定的変化である熱過渡等）を表わす熱応力の多くの形態をインプラントできるようにするため、トライアルを調節するパラメータを構成する。

中間部品２３は櫛型輪郭を有するため、熱壁２７が変形するとき、試験片２１が捩れまたはピボットすることが防止され、試験片２１の平行ストリップ２９を保持する機能を有する。かくして、ストリップ２９間の間隔が保証されるため、中間部品２３のストリップ２９とフィン４５との間に形成された前記冷却流体の流路断面が閉じまたは変化することが防止される。
本来的に、ヒータ手段および冷却手段の両方に関し、他の変更が可能である。

上記装置は低コストであり一連の試験中に使用できることは理解されよう。トライアル毎に変える必要があるのは試験片のみであるため、各試験片は幾つかの異なる試験を行うことを可能にする。

１１ 包囲体
１５ ロボットアーム
２０ サブアセンブリ
２１ 試験片
２２ 支持体
２３ 中間部品
２７ 熱壁
２９ 平行ストリップ
３３ 平行チャネル
４５ 平行フィン
６３ 温度センサ

Claims (10)

1. 熱流束を受ける材料のサーモメカニカル疲労を評価する装置において、
   前記材料で作られかつ熱壁（２７）を備えた試験片（２１）を有し、熱壁（２７）は前記熱流束を受ける外面（２８）と平行ストリップ（２９）が取付けられた内面（３１）とを備え、平行ストリップ（２９）の間に平行チャネル（３３）が相互に形成され、
   熱壁（２７）の内面（３１）の近傍に冷却流体を循環させるための通路を形成すべく、前記ストリップ（２９）の間の前記平行チャネル（３３）内に挿入できる形状および寸法をもつ平行フィン（４５）を備えた中間部品（２３）を有し、前記通路は前記ストリップにより分離された複数の平行セグメントにより形成され、前記通路の断面は前記平行チャネル内に前記平行フィンを係合させることにより形成され、
   前記試験片（２１）を備えかつ前記中間部品（２３）が取付けられた支持体（２２）を有し、該支持体（２２）は、前記通路の両端部に連結されるダクト要素（３５）を備え、
   該ダクト要素（３５）に連結された冷却流体循環回路（４１、４３）と、
   前記熱壁（２７）を加熱するヒータ手段（１３）とを更に有することを特徴とする装置。
2. 前記ヒータ手段（１３）は、前記熱壁（２７）の前記外面（２８）の方向に向けられたプラズマトーチ（１３）を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記試験片（２１）は、前記平行チャネル（３３）が形成された材料のブロックで作られていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記試験片（２１）は少なくとも１つの温度センサ（６３）を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記センサ（６３）は、該センサに接続される電気ワイヤ（７０）を通すための、前記中間部品（２３）および前記支持体（２２）に形成された貫通孔（６６、６７）と一緒に、前記熱壁（２７）の外面（２８）から所定距離まで延びているストリップ（２９）に形成されたブラインド孔（６５）内に収容されていることを特徴とする請求項３記載の装置。
6. 前記試験片（２１）の外側の平行チャネル（３３）は中央のチャネルより浅く、これにより、その長手方向縁部に沿う前記熱壁（２７）の厚さが増大されることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記試験片（２１）の前記平行チャネル（３３）は中間部品（２３）の前記平行フィン（４５）より長くかつ該平行フィン（４５）の両端部を越えて延びており、前記支持体（２２）のダクト要素（３５）は、前記平行チャネル（３３）の端部と前記平行フィン（４５）の端部との間で、試験片（２１）の前記平行チャネル（３３）と整合して前記中間部品（２３）のそれぞれの端部に通じていることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記平行フィン（４５）の端部は、平行チャネル（３３）がフライス加工されているため、試験片（２１）の平行チャネル（３３）の端部の形状に一致するように、および前記支持体（２２）のダクト要素（３５）の各オリフィスと整合する、前記冷却流体のためのプレナムおよびガイドチャンバ（５０）を形成するように丸められていることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記支持体（２２）は、その一方の面に、前記中間部品（２３）を受入れるための凹部（５３）を有し、該凹部（５３）内に前記中間部品（２３）のベース（５５）が受入れられ、該ベース（５５）は前記平行フィン（４５）を支持しており、前記試験片（２１）は、前記中間部品（２３）を試験片（２１）と支持体（２２）との間でクランプすべく前記支持体（２２）に固定され、前記支持体（２２）および試験片（２１）は、これらの間に介在されかつ前記ダクト要素（３５）のオリフィスを包囲するシーリングガスケット（６０）を用いて互いに固定され、前記凹部（５３）は前記ベース（５５）を受入れることを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 前記プラズマトーチ（１３）、および前記試験片（２１）と中間部品（２３）と支持体（２２）とを一体に組立てることにより構成されるサブアセンブリ（２０）は真空包囲体（１１）内に配置され、前記プラズマトーチ（１３）は、前記熱壁（２７）に対するプラズマトーチ（１３）の位置および移動を調節すべく制御されるロボットアーム（１５）により支持されていることを特徴とする請求項２記載の装置。

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