JPH10170421A - 熱衝撃試験方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 供試体に与える熱応力を実機での使用状態に
近い値にして試験を行うことができる熱衝撃試験方法お
よびその装置を提供すること。 【解決手段】 炉底部１６と一体に供試体１１を取り出
したり、挿入できる電気炉１２を用いて供試体１１を均
一に加熱して電気炉１２内から急激に取り出し、この炉
底部１６を補助炉壁２８で塞ぎ、取り出された供試体１
１に冷却ガス噴射装置２１の噴射ノズル２２から冷却ガ
スを噴射して急冷するこれにより、高速の空気などで局
所冷却することにより非定常熱応力を発生させて熱衝撃
試験を行うことができ、実機の状態に近い試験を可能と
する。また、冷却ガスの流速を変えて熱衝撃の強さを変
えることができ、冷却ガスの種類の変更で熱伝達率を変
えて試験を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスタービン用
部品などのセラミックス部品の熱衝撃性能を試験する熱
衝撃試験方法およびその装置に関し、実際の使用条件に
近い状態で試験できるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の金属製の機械部品や構造用材料に
代わる新素材として使用されるセラミックスは、新しい
材料であるため、使用条件に近い条件での部品評価は実
用時の信頼性を確保するうえで欠くことができない評価
項目である。なかでも熱衝撃性に関しては、セラミック
スが特に高温においてその特性を発揮する材料であるた
めに特に重要である。

【０００３】従来、セラミックスの熱衝撃性の試験方法
としては、急冷法と輻射急熱法の２つに大別される方法
が採用されている。

【０００４】このうち急冷法は、例えば図２に示すよう
に、台および枠１で支持された電気炉２内に、ハンドル
３を備えた支持棒４と固定支持棒５とに取付けた供試体
６を入れ、均一に加熱した後、電気炉２の底部の下部覆
い７を退避させるとともに、固定支持棒５を外すことに
より、電気炉２の下方の試料片受用アミ８を備えた水槽
９内に投入して急冷し、その後供試体６の亀裂等を観察
するものである。

【０００５】この急冷法では、冷却媒体として水、シリ
コンオイル、液体金属などが用いられて急冷が行われ
る。

【０００６】また、輻射急熱法は、供試体を高温の炉内
に手早く挿入し、急熱することによって熱応力を加えた
のち、取り出して亀裂などを観察するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな急冷法による熱衝撃試験では、均一に加熱した供試
体６を水槽９内の冷却媒体中に投入することから、急冷
時の熱伝達率が大きく、供試体６に加わる熱応力が大き
くなり過ぎてしまい、実機での使用状態に近い熱伝達率
や雰囲気などの条件で試験ができないという問題があ
る。

【０００８】一方、輻射急熱法による熱衝撃試験では、
逆に熱伝達率が小さく、発生する熱応力が低すぎてしま
うとともに、破壊が供試体の内部から生じ易く、実機で
の表面から破壊が生じることが多いという現象を再現で
きないなどの問題がある。

【０００９】この発明は、かかる従来技術の有する課題
に鑑みてなされたもので、供試体に与える熱応力を実機
での使用状態に近い値にして試験を行うことができる熱
衝撃試験方法およびその装置を提供しようとするもので
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するこの
発明の請求項１記載の熱衝撃試験方法は、炉内で均一に
加熱した供試体を炉外に移動し、冷却ガスを噴射して急
冷して非定常熱応力を発生させることを特徴とするもの
である。

【００１１】この熱衝撃試験方法によれば、炉内で均一
に加熱した供試体を炉外に取り出して冷却ガスを噴射し
て冷却するようにしており、高速の空気などで局所冷却
することにより非定常熱応力を発生させて熱衝撃試験を
行うことができ、実機の状態に近い試験を可能としてい
る。

【００１２】また、この発明の請求項２記載の熱衝撃試
験方法は、請求項１記載の構成に加え、前記冷却ガスの
噴射速度と冷却ガスの種類との少なくともいずれか一方
を変えて前記非定常熱応力を変えることを特徴とするも
のである。

【００１３】この熱衝撃試験方法によれば、冷却ガスの
噴射速度や種類を変えるようにしており、種類や速度の
異なる冷却ガスの組み合わせによって、生じる非定常熱
応力を変えて熱衝撃試験を行うことができるようにな
る。

【００１４】さらに、この発明の請求項３記載の熱衝撃
試験方法は、請求項１または２記載の構成に加え、前記
供試体の炉内での均一加熱と、炉外での急冷とを繰り返
すことを特徴とするものである。

【００１５】この熱衝撃試験方法によれば、炉内での加
熱と炉外での急冷とを繰り返すようにしており、熱サイ
クル試験を行うこともできるようになる。

【００１６】また、この発明の請求項４記載の熱衝撃試
験装置は、炉壁と一体に供試体を取出・挿入可能かつ均
一に供試体を加熱できる炉と、この炉内から取り出され
た前記炉壁と一体の供試体を急冷する冷却ガスを噴射す
る冷却ガス噴射装置と、前記供試体が取り出された炉壁
部分を塞ぐ補助炉壁とからなることを特徴とするもので
ある。

【００１７】この熱衝撃試験装置によれば、炉壁と一体
に供試体を取り出したり、挿入できる炉で供試体を均一
に加熱し、炉壁と一体に炉内から供試体を取り出すとと
もに、炉壁を補助炉壁で塞ぎ、取り出された供試体に冷
却ガス噴射装置から冷却ガスを噴射して急冷するように
しており、高速の空気などで局所冷却することにより非
定常熱応力を発生させて熱衝撃試験を行うことができ、
実機の状態に近い試験を可能としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面に基づき詳細に説明する。図１は、この発明の
熱衝撃試験装置の一実施の形態にかかり、（ａ）は均一
加熱状態の断面図、（ｂ）は熱衝撃を与える試験状態の
断面図である。

【００１９】この熱衝撃試験装置１０は供試体１１を加
熱する炉として箱形の電気炉１２を備えており、４本の
支持脚１３で支持されている。

【００２０】この電気炉１２では、耐火材１４の内側に
ヒータ１５が配置されて炉内を加熱できるようにすると
ともに、供試体１１を入れるため電気炉１２の炉壁の一
部をなす炉底部１６が着脱できるようになっており、炉
底部１６上に耐火材料で作られた供試体支持台１７が取
付けられている。そして、これら炉底部１６と供試体支
持台１７が炉底部支持台１８上に取付けられて支持され
るとともに、炉底部支持台１８にエアシリンダ１９のロ
ッド２０が連結されて昇降できるようにしてあり、供試
体支持台１７に取付けた供試体１１をエアシリンダ１９
によって炉底部支持台１８ごと急激に炉外に取り出した
り、炉内に入れて炉底部１６で塞いだりすることができ
る。

【００２１】また、エアシリンダ１９のロッド２０を縮
めて炉底部支持台１８を下降させて供試体支持台１７上
の供試体１１を炉外に取り出した位置に対応して供試体
１１の側方に冷却ガス噴射装置２１が設けられる。

【００２２】この冷却ガス噴射装置２１は、噴射ノズル
２２を備え、冷却ガス供給源２３と電磁弁２４を介して
伸縮管２５で接続されて冷却ガスを噴射できるようにな
っており、噴射ノズル２２はエアシリンダ２６のロッド
２７に連結されて炉外に取り出した供試体１１に接近さ
せたり、側方に退避させることができるようにしてあ
る。

【００２３】一方、炉底部１６ごと供試体１１を取り出
した電気炉１２の底部分を塞ぐとともに、遮熱するため
耐火材製の補助炉壁２８が設けられ、エアシリンダ２９
のロッド３０に連結されて側方から電気炉１２の底部分
を塞いだり、退避させたりすることができるようにして
ある。

【００２４】また、供試体支持台１７上の供試体１１を
炉外に取り出した位置の冷却ガス噴射装置２１と反対側
に供試体１１の外表面温度を計測する計測器として、例
えばサーモカメラ３１が設置してある。次に、このよう
に構成した熱衝撃試験装置１０の動作とともに、熱衝撃
試験方法について説明する。

【００２５】まず、供試体１１を取付けるためエアシリ
ンダ１９のロッド２０を縮めて供試体支持台１７を炉外
に下降させ、供試体支持台１７上に、例えば円筒状のセ
ラミック部品である供試体１１を取付けた後、エアシリ
ンダ１９のロッド２０を伸長して供試体１１を炉内に入
れるとともに、電気炉１２の底部分を炉底部１６で塞い
だ状態にして供試体１１を加熱する。

【００２６】こうして供試体１１が所定の試験温度に均
一に加熱されたとき、炉底部支持台１８を昇降するエア
シリンダ１９のロッド２０を縮めて炉底部１６及び供試
体支持台１７ごと下降させて供試体１１を炉外である炉
下方に急激に取り出す。

【００２７】こののち、直ちに補助炉壁２８を動かすエ
アシリンダ２９のロッド３０を伸長させて電気炉１２の
底部分を塞いで遮熱するとともに、冷却ガス噴射装置２
１の噴射ノズル２２をエアシリンダ２６のロッド２７を
伸長させることで、炉外に取り出した供試体１１の側方
に接近させ、電磁弁２４を開いて冷却ガスを噴射させ
る。

【００２８】これにより、供試体１１が噴射ノズル２２
から噴射される冷却ガスで急冷され、非定常熱応力が加
わる。

【００２９】この供試体１１の急冷状態は供試体１１の
側方に設置したサーモカメラ３１で外表面の温度をリア
ルタイムで計測する。

【００３０】そして、この非定常熱応力の大きさは、冷
却ガスの種類、例えば空気やヘリウム等によって、ある
いは冷却ガスの流速によって変化することから、冷却ガ
スの種類の変更と冷却ガスの噴射速度の変更の単独ない
し組み合わせによって調整する。例えば、冷却ガスの噴
射速度を同一としても空気の代わりにヘリウムを用いる
ことで熱伝達率を約２倍にすることができる。

【００３１】また、冷却ガスの種類が分かり、噴射速度
とその分布などが容易に計算できることから、熱伝達率
の計算も容易であり、供試体に生じる非定常熱応力を正
確に把握して試験を行うことができる。

【００３２】この熱衝撃試験装置１０では、電気炉１２
内から取り出して冷却ガス噴射装置２１の噴射ノズル２
２から冷却ガスを噴射して一回の急冷を行った後、再び
エアシリンダ１９のロッド２０を伸長して炉底部支持台
１８ごと供試体１１を炉内に位置させ、均一に加熱した
後、炉外で急冷することを繰り返すようにすれば、熱衝
撃試験を繰り返して熱サイクル試験を行うことができ
る。

【００３３】なお、以上説明した熱衝撃試験装置１０の
電気炉１２の運転や各エアシリンダ１９，２６，２９の
動作および電磁弁２４の動作を制御装置と温度センサな
どによる自動制御と自動シーケンスの組み合わせによっ
て行うようにすれば、一層簡単に熱衝撃試験を行うこと
ができる。

【００３４】以上のように、この熱衝撃試験装置１０お
よび熱衝撃試験方法によれば、セラミックス部品などの
熱衝撃試験を実機の使用条件に近い非定常熱応力として
行うことができ、冷却ガスの流速を制御すれば熱衝撃の
強さを調整できる一方、冷却ガスの種類を変えることに
より熱伝達率を調整することができる。

【００３５】また、この熱衝撃試験装置１０および試験
方法では、従来の急冷法と異なり、噴出させた冷却ガス
で非定常熱応力を生じさせて試験を行うので、ガスター
ビンに使用するセラミックス部品の場合には、実際のガ
スタービンの雰囲気に近い条件で試験を行うことがで
き、特にガスタービンでの熱衝撃の条件が厳しいシャッ
トダウン時の運転条件を模擬して試験を行うことができ
る。

【００３６】これにより、実機を用いてセラミックス部
品の熱衝撃試験を行う必要がなく、リスクも小さく、コ
ストも大幅に削減することができるとともに、用いる噴
射ノズルの形状や冷却ガス供給源の圧力などから、噴射
される冷却ガスの流速およびその分布などを容易に計算
することができ、熱伝達率の計算も容易となって、供試
体に生じる非定常熱応力を正確に解析することができ
る。

【００３７】また、均一加熱と冷却ガス噴射による急冷
を繰り返して熱衝撃試験を行うこともでき、熱サイクル
試験を簡単に行うことができる。

【００３８】なお、上記実施の形態では、ガスタービン
用のセラミックス部品の熱衝撃試験について説明した
が、これに限らず、他の機器用や構造用のセラミックス
部品の場合にも熱衝撃強さと熱伝達率を調整することで
熱衝撃試験を簡単に行うことができる。

【００３９】

【発明の効果】以上、実施の形態とともに詳細に説明し
たように、この発明の請求項１記載の熱衝撃試験方法に
よれば、炉内で均一に加熱した供試体を炉外に取り出し
て冷却ガスを噴射して冷却するようにしたので、高速の
空気などで局所冷却することにより非定常熱応力を発生
させて熱衝撃試験を行うことができ、実機の状態に近い
状態で試験を行うことができる。

【００４０】また、この発明の請求項２記載の熱衝撃試
験方法によれば、冷却ガスの噴射速度や種類を変えるよ
うにしたので、種類や速度の異なる冷却ガスの組み合わ
せによって、生じる非定常熱応力を変えて熱衝撃試験を
行うことができる。

【００４１】さらに、この発明の請求項３記載の熱衝撃
試験方法によれば、炉内での加熱と炉外での急冷とを繰
り返すようにしたので、熱衝撃を加えながら熱サイクル
試験を行うこともできる。

【００４２】また、この発明の請求項４記載の熱衝撃試
験装置によれば、炉壁と一体に供試体を取り出したり、
挿入できる炉で供試体を均一に加熱し、炉壁と一体に炉
内から供試体を取り出すとともに、炉壁を補助炉壁で塞
ぎ、取り出された供試体に冷却ガス噴射装置から冷却ガ
スを噴射して急冷するようにしたので、高速の空気など
で局所冷却することにより非定常熱応力を発生させて熱
衝撃試験を行うことができ、実機の状態に近い状態で試
験を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の熱衝撃試験装置の一実施の形態にか
かり、（ａ）は均一加熱状態の断面図、（ｂ）は熱衝撃
を与える試験状態の断面図である。

【図２】従来の急冷法の熱衝撃試験装置にかかり、
（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は供試体の平面図、
（ｃ）は供試体の縦断面図である。

【符号の説明】

１０ 熱衝撃試験装置 １１ 供試体 １２ 電気炉（炉） １６ 炉底部 １９ エアシリンダ（炉底部昇降用） ２１ 冷却ガス噴射装置 ２２ 噴射ノズル ２６ エアシリンダ（噴射ノズル接近退避用） ２８ 補助炉壁 ２９ エアシリンダ（補助炉壁移動用） ３１ サーモカメラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内で均一に加熱した供試体を炉外に移
   動し、冷却ガスを噴射して急冷して非定常熱応力を発生
   させることを特徴とする熱衝撃試験方法。
2. 【請求項２】 前記冷却ガスの噴射速度と冷却ガスの種
   類との少なくともいずれか一方を変えて前記非定常熱応
   力を変えることを特徴とする請求項１記載の熱衝撃試験
   方法。
3. 【請求項３】 前記供試体の炉内での均一加熱と、炉外
   での急冷とを繰り返すことを特徴とする請求項１または
   ２記載の熱衝撃試験方法。
4. 【請求項４】 炉壁と一体に供試体を取出・挿入可能か
   つ均一に供試体を加熱できる炉と、この炉内から取り出
   された前記炉壁と一体の供試体を急冷する冷却ガスを噴
   射する冷却ガス噴射装置と、前記供試体が取り出された
   炉壁部分を塞ぐ補助炉壁とからなることを特徴とする熱
   衝撃試験装置。