RU2404552C2 - Method and device for generating heat current loaded with particles - Google Patents
Method and device for generating heat current loaded with particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2404552C2 RU2404552C2 RU2007138508/06A RU2007138508A RU2404552C2 RU 2404552 C2 RU2404552 C2 RU 2404552C2 RU 2007138508/06 A RU2007138508/06 A RU 2007138508/06A RU 2007138508 A RU2007138508 A RU 2007138508A RU 2404552 C2 RU2404552 C2 RU 2404552C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- injector
- plasma jet
- plasma
- particle
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
- H05H1/0012—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для генерирования нагруженного частицами теплового потока с целью характеристики материалов, подвергающихся сильным внешним термическим воздействиям.The present invention relates to a method and apparatus for generating particle-loaded heat flow in order to characterize materials subjected to strong external thermal stresses.
Известно, что космические аппараты, такие как зонды, подвергаются различным агрессивным воздействиям (микрометеориты, ультрафиолетовые и ионизирующие излучения и т.д.). Особенно сильным агрессивным воздействиям конструкция такого зонда подвергается во время прохождения через атмосферу. Действительно, в этом случае зонд подвергается абразивно-термическим агрессивным воздействиям, связанным с присутствием твердых или жидких частиц в атмосфере планеты и со скоростью спуска этих аппаратов. Эти агрессивные воздействия являются особенно чувствительными во время спуска космического челнока в околоземную атмосферу, так как она рассеивает его кинетическую энергию, позволявшую ему оставаться на низкой орбите, за счет трения с воздухом атмосферы. Эти абразивно-термические агрессивные воздействия проявляются также в двигательных установках, таких как твердотопливные ракетные двигатели, которые содержат в своей реактивной струе относительно большую часть частиц глинозема.It is known that spacecraft, such as probes, are exposed to various aggressive influences (micrometeorites, ultraviolet and ionizing radiation, etc.). The design of such a probe is exposed to particularly strong aggressive influences during passage through the atmosphere. Indeed, in this case, the probe is subjected to abrasive-thermal aggressive influences associated with the presence of solid or liquid particles in the planet’s atmosphere and with the speed of descent of these devices. These aggressive influences are especially sensitive during the descent of the space shuttle into the near-Earth atmosphere, since it dissipates its kinetic energy, which allowed it to remain in low orbit, due to friction with the atmosphere’s air. These abrasive-thermal aggressive effects are also manifested in propulsion systems, such as solid propellant rocket engines, which contain a relatively large portion of alumina particles in their jet stream.
В этой связи очень важно иметь возможность моделировать эти внешние факторы в лабораторных условиях, чтобы путем испытаний и моделирования изменить поведения материалов или объектов, таких как теплозащитное покрытие, предназначенное служить конструктивному элементу защитным экраном при спуске космического корабля или еще и расходящейся части сопла.In this regard, it is very important to be able to simulate these external factors in a laboratory environment, so that through testing and modeling you can change the behavior of materials or objects, such as a heat-shielding coating, designed to serve as a protective element for a structural component when launching a spacecraft or even diverging part of the nozzle.
До настоящего времени для характеристики материалов применялись очень горячие газы, температура которых может достигать или превышать 3000°С, на небольших образцах, располагаемых соответствующим образом, например, по «месту полного торможения», то есть когда газы попадают перпендикулярно на поверхность образцов, или по «наклонной плоскости», то есть когда газы обдувают поверхность образцов по существу по касательной.So far, very hot gases have been used to characterize materials, the temperature of which can reach or exceed 3000 ° C on small samples arranged appropriately, for example, at the “place of complete braking”, that is, when gases fall perpendicular to the surface of the samples, or "Inclined plane", that is, when gases blow around the surface of the samples essentially tangentially.
Эти газы обычно генерируют либо при помощи источников типа источников тлеющего разряда, либо при помощи источников индуктивно-связанной плазмы. Чем больше энергия этих источников, тем выше их способность давать очень горячий газ в большом количестве в контролируемом и постоянном режиме для осуществления испытаний на характеристических образцах, то есть на образцах большого размера.These gases are usually generated either using sources such as glow discharge sources or inductively coupled plasma sources. The greater the energy of these sources, the higher their ability to produce very hot gas in large quantities in a controlled and continuous mode for performing tests on characteristic samples, that is, on large samples.
Эти методы моделирования внешних сред показали себя достаточно удовлетворительными для разработки систем ракет-носителей и космических зондов, известных до настоящего времени.These methods of modeling environmental media have proved to be sufficiently satisfactory for the development of systems of launch vehicles and space probes, known to date.
Вместе с тем, постоянное стремление к оптимизации конструкций, применяемых в космических аппаратах, например, для получения конструктивных элементов, имеющих все большую устойчивость к механическим и/или термическим нагрузкам при минимальной массе, требует более тщательного подхода к этим методам моделирования с целью характеристики этих конструкций.However, the constant desire to optimize the structures used in spacecraft, for example, to obtain structural elements with increasing resistance to mechanical and / or thermal loads with a minimum mass, requires a more careful approach to these modeling methods in order to characterize these structures .
Действительно, известные методы моделирования не учитывают или не надлежащим образом учитывают абразивные явления под действием твердых или жидких частиц, присутствующих либо на планетах, имеющих атмосферу, либо в вышеупомянутых твердотопливных ракетных двигателях.Indeed, well-known modeling methods do not take into account or do not properly take into account abrasive phenomena caused by solid or liquid particles present either on planets with an atmosphere or in the aforementioned solid propellant rocket engines.
Из патента US 3893335 (Jonhson et al.) известно устройство, предназначенное для моделирования условий спуска в атмосферу, нагруженную частицами. Это устройство создает горячий воздушный поток, генерируемый дуговой плазмой в сопле, при этом поток на выходе из этого сопла направляется на анализируемый образец. Чтобы «нагрузить» этот поток частицами, в горячий воздушный поток на выходе этого сопла инжектируют частицы с высокой скоростью, достигающей примерно 6000 м/с. Однако эти частицы ускоряются независимо от горячего воздушного потока со скоростью, определяемой оператором. Поэтому такой метод моделирования требует наличия особенно сложных и габаритных средств для ускорения твердых частиц до таких скоростей, а также создает проблемы смешивания двух газовых потоков, имеющих скорость, намного превышающую сверхзвуковую.From US Pat. No. 3,893,335 (Jonhson et al.), A device is known for simulating conditions of descent into an atmosphere loaded with particles. This device creates a hot air stream generated by the arc plasma in the nozzle, while the stream at the outlet of this nozzle is directed to the analyzed sample. In order to “load” this stream with particles, particles are injected into the hot air stream at the outlet of this nozzle at a high speed reaching about 6000 m / s. However, these particles are accelerated independently of the hot air stream at a speed determined by the operator. Therefore, this modeling method requires the availability of particularly complex and dimensional means to accelerate solid particles to such speeds, and also creates problems of mixing two gas flows having a speed much higher than supersonic.
Из документа «Mars entry simulation with dust using an inductively heated generator», 22nd Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, 2002, AIAA 2002-3237, также известно устройство моделирования, использующее источник индуктивно-связанной плазмы («Inductively coupled plasma» - ICP), соединенный с вакуумной камерой, из которой откачан воздух с помощью насосной установки. Инжектирование твердых частиц в газовый поток производят перед источником ICP плазмы в газ-носитель плазмы. Однако этот способ оказывается крайне неудовлетворительным, так как он не только приводит к ускоренному износу устройства, но также ухудшает качество нагруженной частицами газовой струи. Действительно, продукты истирания, получаемые в результате взаимодействия между нагруженной твердыми частицами плазмой и внутренними стенками камеры, загрязняют газовую струю. Кроме того, частицы инжектируют в плазму без специальных мер, направленных на то, чтобы сделать этот нагруженный частицами газовый поток действительно характерным (отражающим реальные условия) по температуре и скорости, которые являются важными параметрами для моделирования абразивных явлений.From the document “Mars entry simulation with dust using an inductively heated generator”, 22 nd Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, 2002, AIAA 2002-3237, a simulation device using an inductively coupled plasma source (“Inductively coupled plasma” - ICP) connected to a vacuum chamber from which air is pumped out using a pumping unit. Particulate matter is injected into the gas stream in front of the ICP plasma source in the carrier gas of the plasma. However, this method is extremely unsatisfactory, since it not only leads to accelerated wear of the device, but also degrades the quality of the gas stream loaded with particles. Indeed, the abrasion products resulting from the interaction between the plasma loaded with solid particles and the inner walls of the chamber pollute the gas stream. In addition, the particles are injected into the plasma without special measures aimed at making this particle-loaded gas flow really characteristic (reflecting real conditions) in temperature and velocity, which are important parameters for modeling abrasive phenomena.
Поэтому настоящим изобретением предлагаются простые по своей концепции и по своему режиму работы способ и устройство для генерирования нагруженного частицами теплового потока для моделирования контролируемым образом этих нагруженных частицами тепловых потоков, характерных для твердотопливных ракетных двигателей или для спусков в околопланетную атмосферу, с целью характеристики образцов стандартного размера, предназначенных для использования в области космонавтики и/или авиации.Therefore, the present invention provides a simple in concept and in its mode of operation method and apparatus for generating particle-loaded heat flux for controlling in a controlled manner these particle-loaded heat fluxes characteristic of solid propellant rocket engines or for descents into the near-planet atmosphere, in order to characterize standard-sized samples intended for use in the field of space and / or aviation.
В этой связи объектом настоящего изобретения является способ генерирования нагруженного частицами теплового потока, причем частицы, по меньшей мере частично, направлены на объект, при котором инжектируют газ-носитель и эти частицы из по меньшей мере одного инжектора частиц, имеющего по меньшей мере одно выходное отверстие, в плазменную струю, направленную от конца источника плазмы наружу вдоль главной оси, причем эта плазменная струя имеет ядро.In this regard, an object of the present invention is a method for generating a particle-loaded heat flow, the particles being at least partially directed to an object in which a carrier gas and these particles are injected from at least one particle injector having at least one outlet into a plasma jet directed outward from the end of the plasma source along the main axis, and this plasma jet has a core.
Согласно изобретению корректируют осевое и радиальное положения этого инжектора частиц относительно главной оси и наклон этого инжектора относительно оси, перпендикулярной главной оси, и контролируют среднее количество движения частиц у выходного отверстия инжектора для однородного вовлечения частиц в ядро плазменной струи таким образом, что упомянутые частицы приобретают на переменном расстоянии D от конца источника плазмы максимальную среднюю скорость,According to the invention, the axial and radial positions of this particle injector relative to the main axis and the inclination of this injector relative to the axis perpendicular to the main axis are adjusted, and the average momentum of particles at the injector outlet is controlled to uniformly draw particles into the plasma jet core so that the particles are acquired on variable distance D from the end of the plasma source the maximum average speed,
- определяют это расстояние D от конца источника плазмы и располагают объект примерно на этом расстоянии D.- determine this distance D from the end of the plasma source and position the object at approximately this distance D.
Необходимо гарантировать характеристику объектов в условиях, максимально приближенных к реальным внешним условиям, воздействию которых подвергаются эти объекты. В качестве примера скорости частиц в реактивных струях ракет, работающих на твердом топливе, могут достигать от 1000 м/с до 3000 м/с. С этой целью характеризуемый объект располагают в нагруженной частицами плазменной струе вблизи тех мест, где средняя скорость частиц является максимальной, причем эта скорость является корректируемой. Таким образом гарантируется, что образец находится в месте, где частицы приобрели среднюю скорость, достаточную для его характеризации.It is necessary to guarantee the characteristics of objects in conditions as close as possible to the real external conditions to which these objects are exposed. As an example, particle velocities in rocket propellant rocket jets can range from 1000 m / s to 3000 m / s. For this purpose, the characterized object is placed in a plasma jet loaded with particles near those places where the average particle velocity is maximum, and this velocity is correctable. This ensures that the sample is in the place where the particles have acquired an average speed sufficient to characterize it.
Таким образом, цели изобретения достигают, с одной стороны, регулируя количество движения частиц у выходного отверстия по меньшей мере одного инжектора и контролируя положение упомянутого выходного отверстия для придания нагруженной частицами плазменной струе максимально возможной однородности и, с другой стороны, определяя то положение D, изменяющееся вдоль главной оси, где частицы приобретают максимальную среднюю скорость, для того чтобы позиционировать характеризуемый объект вблизи этого места.Thus, the objectives of the invention are achieved, on the one hand, by regulating the amount of particle movement at the outlet of at least one injector and by controlling the position of said outlet to give the plasma jet loaded with particles the greatest possible uniformity and, on the other hand, determining that position D that varies along the main axis, where the particles acquire the maximum average speed, in order to position the characterized object near this place.
В различных вариантах реализации способа генерирования нагруженного частицами теплового потока настоящее изобретение имеет также следующие признаки, которые следует рассматривать отдельно или в любых технически возможных их комбинациях:In various embodiments of the method for generating particle-loaded heat flux, the present invention also has the following features, which should be considered separately or in any technically possible combinations thereof:
- измеряют максимальную среднюю скорость частиц и корректируют скорость плазменной струи по определенному значению скорости,- measure the maximum average speed of the particles and adjust the speed of the plasma jet according to a certain value of the speed,
- определяют среднюю траекторию частиц от выходного отверстия инжектора и в плазменной струе, используя первый оптический детектор, для того чтобы скорректировать положение и наклон этого инжектора и скорректировать среднее количество движения частиц на выходе инжектора частиц,- determine the average path of the particles from the outlet of the injector and in the plasma jet using the first optical detector in order to adjust the position and inclination of this injector and to adjust the average amount of movement of the particles at the exit of the particle injector,
- измеряют среднюю скорость каждой частицы, освещая эту частицу в по меньшей мере три разных момента с использованием источника света, генерирующего световые импульсы, и детектируя на одном изображении соответствующий отраженный свет с использованием второго оптического детектора, причем второй оптический детектор и источник света синхронизированы.- measure the average speed of each particle, illuminating this particle at least three different moments using a light source that generates light pulses, and detecting in one image the corresponding reflected light using a second optical detector, the second optical detector and the light source being synchronized.
Объектом настоящего изобретения является также устройство для генерирования нагруженного частицами теплового потока, содержащее:The object of the present invention is also a device for generating a particle-loaded heat flow, comprising:
- источник плазмы, содержащий конец источника плазмы с главной осью, вдоль которой плазменная струя направляется наружу,- a plasma source containing the end of the plasma source with the main axis along which the plasma jet is directed outward,
- по меньшей мере один инжектор частиц, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, при этом упомянутый инжектор частиц предназначен для инжектирования газа-носителя и частиц в плазменную струю.at least one particle injector having at least one outlet, wherein said particle injector is for injecting a carrier gas and particles into a plasma jet.
Согласно изобретению это устройство содержит:According to the invention, this device comprises:
- опору, перемещаемую в двух направлениях для осевого и радиального позиционирования упомянутого инжектора относительно упомянутой главной оси, и средства наклона для управления угловым положением упомянутого инжектора относительно оси, перпендикулярной упомянутой главной оси,- a support movable in two directions for axial and radial positioning of said injector relative to said main axis, and tilt means for controlling the angular position of said injector relative to an axis perpendicular to said main axis,
- первый оптический детектор и средства визуализации для детектирования средней траектории частиц, начиная от выхода инжектора и в плазменной струе, и- the first optical detector and visualization means for detecting the average path of particles, starting from the output of the injector and in the plasma jet, and
- средства определения средней скорости упомянутых частиц.- means for determining the average speed of said particles.
В различных вариантах реализации устройства для генерирования нагруженного частицами теплового потока настоящее изобретение имеет также следующие признаки, которые следует рассматривать отдельно или в любых технически возможных их комбинациях:In various embodiments of a device for generating particle-loaded heat flow, the present invention also has the following features, which should be considered separately or in any technically possible combinations thereof:
- частицы выбирают из группы, включающей Al2O3, SiO2, FeOH, Fe3O4 и их комбинации,- the particles are selected from the group comprising Al 2 O 3 , SiO 2 , FeOH, Fe 3 O 4 and combinations thereof,
- инжектор содержит регулятор расхода для управления потоком газа-носителя, используемого для инжектирования частиц, таким образом, чтобы контролировать среднее количество движения этих частиц на выходе инжектора,- the injector comprises a flow regulator for controlling the flow of the carrier gas used to inject the particles, so as to control the average momentum of these particles at the outlet of the injector,
- размер частиц составляет в пределах между примерно 20 и 40 микрометрами,- the particle size is in the range between about 20 and 40 micrometers,
- концентрация частиц составляет в пределах между примерно 0,001 и 40 процентами от массы плазменной струи,- the concentration of particles is in the range between about 0.001 and 40 percent by weight of the plasma jet,
- концентрация частиц составляет в пределах между примерно 20 и 40 процентами от массы плазменной струи.- the concentration of particles is in the range between about 20 and 40 percent of the mass of the plasma jet.
Более подробно различные возможные варианты реализации настоящего изобретения описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:In more detail, various possible embodiments of the present invention are described with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг.1 схематично показывает устройство для генерирования нагруженного частицами потока согласно одному варианту реализации изобретения;Figure 1 schematically shows a device for generating a particle-loaded stream according to one embodiment of the invention;
Фиг.2 представляет собой схематичный вид устройства для генерирования нагруженного частицами потока согласно другому варианту реализации изобретения;Figure 2 is a schematic view of a device for generating a particle-loaded stream according to another embodiment of the invention;
Фиг.3 схематично демонстрирует средние траектории движения, совершаемого частицами, в зависимости от тока дуги, связанного с объемным расходом воздуха, для частного варианта осуществления изобретения;Figure 3 schematically shows the average trajectory of the movement made by the particles, depending on the arc current associated with the volumetric flow rate of air, for a particular embodiment of the invention;
Фиг.4 схематично демонстрирует распределение средних скоростей частиц (м/с) вдоль главной оси в зависимости от прикладываемого тока дуги (А), при этом расстояние по оси х измерено от конца источника плазмы (в мм).Figure 4 schematically shows the distribution of average particle velocities (m / s) along the main axis depending on the applied arc current (A), while the distance along the x axis is measured from the end of the plasma source (in mm).
На фиг.1 показано устройство для генерирования нагруженного частицами теплового потока согласно одному варианту реализации изобретения. Это устройство содержит источник 1 плазмы, содержащий конец источника с главной осью 2. Источником 1 плазмы преимущественно является плазменная горелка. В частном варианте реализации плазменная горелка является плазмотроном AQTIL, выпускаемым в продажу компанией EADS ST. Этот мощный плазмотрон содержит два коаксиальных трубчатых электрода из меди, между которыми инжектируется плазмообразующий газ с высокой тангенциальной скоростью. Электроды охлаждаются водой. Этот плазмотрон преимущественно может стабильно работать в широком диапазоне силы тока и расхода воздуха.Figure 1 shows a device for generating particle-loaded heat flux according to one embodiment of the invention. This device contains a
Источник 1 плазмы вырабатывает плазменную струю 3, направленную наружу вдоль этой главной оси 2. Плазменная струя 3 попадает на образец 4, установленный вдоль этой главной оси 2.The
Устройство содержит по меньшей мере один инжектор 5 частиц, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие 6. Этот инжектор 5 частиц предназначен для инжектирования газа-носителя и этих частиц в плазменную струю на уровне выхода источника 1 плазмы. Газ-носитель частиц используют для вовлечения и обеспечения возможности проникновения частиц в плазменную струю 3. Расход газа-носителя устанавливают в зависимости от природы частиц, от их гранулометрического состава, а также от мощности, рассеиваемой в плазменной струе 3. Вместе с тем этот расход остается очень низким по сравнению с расходом в плазменной струе 3, так что возмущение, создаваемое при проникновении частиц, является пренебрежимо малым. В качестве примера можно указать, что для объемного расхода воздуха от 1500 до 8000 л/мин объемный расход газа-носителя составляет менее 20 л/мин. В предпочтительном варианте реализации устройство содержит несколько инжекторов 5, равномерно распределенных вокруг плазменной струи 3. Количество инжекторов 5 предпочтительно составляет от 2 до 8.The device comprises at least one
Инжектор 5 может содержать регулятор расхода для управления потоком газа-носителя, используемого для инжектирования частиц, таким образом, чтобы контролировать среднее количество движения этих частиц на выходе инжектора 5.The
Опора 8, перемещаемая в двух направлениях, позволяет позиционировать инжектор 5 по оси и радиально относительно главной оси 2 конца источника 1 плазмы, а средства наклона позволяют контролировать его угловое положение по отношению к оси 7, перпендикулярной главной оси 2 (Фиг.2). Опора 8 представляет собой, например, стойку, установленную на столе перемещения в плоскости x-y, параллельной главной оси 2. Она позволяет также корректировать положение выходного отверстия 6 этого инжектора 5 вдоль оси 7, перпендикулярной главной оси 2. Перемещение этой стойки может быть автоматизировано или нет. Средства наклона инжектора позволяют наклонять этот инжектор на угол от 0° до 90° относительно конца источника 1 плазмы.The
Предпочтительно, размер частиц составляет между примерно 20 и 40 микрометрами, а их концентрация составляет в пределах между примерно 0,001 и 40 процентами от массы плазменной струи. Для моделирования реактивных струй двигателя концентрация частиц должна составлять между примерно 20 и 40 процентами от массы плазменной струи.Preferably, the particle size is between about 20 and 40 micrometers, and their concentration is in the range between about 0.001 and 40 percent by weight of the plasma jet. For modeling jet jets, the concentration of particles should be between about 20 and 40 percent of the mass of the plasma jet.
Частицы предпочтительно выбирают из группы, включающей Al2O3, SiO2, FeOH, Fe3O4 и их комбинации. Частицы Al2O3 и SiO2 являются предпочтительными для моделирования твердотопливного ракетного двигателя, тогда как частицы FeOH, Fe3O4 являются предпочтительными для моделирования спуска в атмосферу и, в частности, спуска в атмосферу Марса. Для моделирования других окружающих сред можно использовать другие частицы.Particles are preferably selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , FeOH, Fe 3 O 4 and combinations thereof. Particles of Al 2 O 3 and SiO 2 are preferred for modeling a solid propellant rocket engine, while particles of FeOH, Fe 3 O 4 are preferred for modeling the descent into the atmosphere and, in particular, the descent into the atmosphere of Mars. Other particles can be used to model other environments.
Устройство содержит первый оптический детектор 9, например инфракрасную видеокамеру, и средства визуализации, такие как экран, для обнаружения и визуализации средней траектории частиц, начиная от выходного отверстия 6 инжектора 5 и в плазменной струе 3.The device comprises a first
Кроме того, устройство содержит средства для определения средней скорости упомянутых частиц. Эти средства предпочтительно содержат источник 10 света, генерирующий световые импульсы, и второй оптический детектор 11. Второй оптический детектор 11 и источник 10 света являются синхронными. Предпочтительно, источником 10 света является полупроводниковый лазерный источник, а вторым оптическим детектором 11 является скоростная камера, позволяющая снимать изображения на высоких скоростях. Эта камера 11 выполнена с возможностью обнаружения слабоосвещенных точек. Если этой камерой 11 является, например, камера на приборах с зарядовой связью (ПЗС), содержащая матрицу пикселей строка-столбец, то каждому измерению присваивают по меньшей мере одну координату х, характеризующую расстояние частицы вдоль главной оси 2 относительно конца источника 1 плазмы в момент t.In addition, the device comprises means for determining the average speed of said particles. These means preferably comprise a light source 10 generating light pulses and a second optical detector 11. The second optical detector 11 and the light source 10 are synchronous. Preferably, the light source 10 is a semiconductor laser source, and the second optical detector 11 is a high-speed camera capable of capturing images at high speeds. This camera 11 is configured to detect dimly lit points. If this camera 11 is, for example, a camera on charge-coupled devices (CCDs) containing a row-column matrix of pixels, then each measurement is assigned at least one x coordinate characterizing the distance of the particle along the
Скорость каждой частицы измеряют, освещая частицы в по меньшей мере три разных момента. В этом случае среднюю скорость каждой частицы получают, определяя отношение расстояния, пройденного измеряемой частицей между двумя точками измерения, к задержке, разделяющей два последовательных импульса источника 10 света. Камера ПЗС остается открытой во время по меньшей мере трех экспозиций, чтобы таким образом визуализировать эти по меньшей мере три положения частиц на одном и том же изображении путем наложения.The speed of each particle is measured by illuminating the particles at at least three different points. In this case, the average speed of each particle is obtained by determining the ratio of the distance traveled by the measured particle between two measurement points to the delay separating two consecutive pulses of the light source 10. The CCD camera remains open during at least three exposures so as to visualize these at least three particle positions in the same image by overlay.
Данные, полученные от этого второго детектора 11, предпочтительно используют вместе с данными от первого детектора для определения средней траектории частиц, начиная от выхода инжектора или инжекторов 5 и в плазменной струе 3.The data obtained from this second detector 11 is preferably used together with the data from the first detector to determine the average path of particles, starting from the output of the injector or
Устройство может содержать держатель 12 образца, который выполнен наклоняемым таким образом, чтобы поверхность этого образца 4 образовывала угол от 0° до 90° по отношению к главной оси 2 конца источника 1 плазмы. Предпочтительно, этот держатель 12 выполняют с возможностью удержания образцов 4 стандартного размера, то есть размера, соответствующего элементам, применяемым в качестве конструктивных элементов теплозащитного покрытия, например, космического аппарата. Таким образом, изобретение можно применять для так называемых испытаний по «наклонной плоскости», соответствующей боковым сторонам спускаемых аппаратов или ракетных двигателей, когда тепловой поток является частично тангенциальным к поверхности материалов. При испытаниях по «наклонной плоскости» в стандартном случае используют квадратный образец, минимальные размеры которого составляют 300 мм на 300 мм, а при испытаниях «по месту полного торможения» - образец с минимальным диаметром 25 мм.The device may include a
На Фиг.2 показано устройство по изобретению согласно другому варианту реализации. Одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на Фиг.1. Это устройство отличается от устройства по Фиг.1 тем, что конец источника 1 плазмы сообщается с вакуумной камерой 13, в которую направляется плазменная струя 3. Воздух из этой камеры 13 откачан при помощи насосной установки. Эта насосная установка содержит, например, по меньшей мере один высокопроизводительный первичный насос. На камере 13 установлены по меньшей мере один дозировочный вентиль 14, соединенный с дозировочным устройством и работающий при откачке воздуха по меньшей мере одним первичным насосом, и датчик давления для подачи газа в эту камеру 13 через дозировочный вентиль 14 и дозировочное устройство. Этим газом является, например, СО2. Это устройство содержит также диффузор 15 для удаления плазменной струи 3. Наконец, инжектор 5 установлен так, чтобы инжектировать частицы снизу вверх.Figure 2 shows the device according to the invention according to another variant implementation. Identical elements are denoted by the same positions as in FIG. 1. This device differs from the device of FIG. 1 in that the end of the
Изобретение относится также к способу генерирования нагруженного частицами теплового потока, при этом частицы, по меньшей мере частично, направляются на объект 4. Согласно этому способу газ-носитель и частицы инжектируют из по меньшей мере одного инжектора 5 частиц, имеющего по меньшей мере одно выходное отверстие 6, в плазменную струю 3. Эта плазменная струя 3 направляется от конца источника 1 плазмы наружу вдоль главной оси 2. Эта плазменная струя 3 имеет ядро.The invention also relates to a method for generating a particle-loaded heat flux, wherein the particles are directed at least partially to
После этого корректируют осевое и радиальное положения этого инжектора 5 частиц относительно главной оси 2 и наклон этого инжектора 5 относительно оси 7, перпендикулярной упомянутой главной оси 2, и контролируют среднее количество движения частиц у выходного отверстия 6 инжектора 5 для равномерного вовлечения частиц в ядро плазменной струи 3. В одном варианте реализации выходное отверстие 6 инжектора 5 размещают в плазменной струе 3, поскольку температура плазменной струи 3 меньше температуры плавления материала, составляющего инжектор 5. Чтобы корректировать положения и наклон инжектора и скорректировать среднее количество движения упомянутых частиц на выходе этого инжектора 5, определяют среднюю траекторию частиц, начиная от выходного отверстия 6 инжектора 5 и в плазменной струе 3, используя первый оптический детектор 9, например инфракрасную видеокамеру.After that, the axial and radial positions of this
Частицы приобретают максимальную среднюю скорость на переменном расстоянии D от конца источника 1 плазмы. Поэтому определяют это расстояние D от конца источника 1 плазмы и размещают характеризуемый объект 4 на этом расстоянии D. Характеризуемый объект 4 можно также размещать вплоть до положения D' вдоль главной оси 2, начиная от этого положения D, при этом положение D' является таким, что частицы все еще имеют скорость, приблизительно равную по меньшей мере 90% от определенной максимальной средней скорости частиц.Particles acquire a maximum average velocity at a variable distance D from the end of
Предпочтительно, измеряют эту максимальную среднюю скорость и корректируют скорость плазменной струи по определенному значению скорости. Эту корректировку скорости плазменной струи 3 можно осуществлять, добавляя насадку на конце источника 1 плазмы, или повышая рабочую электрическую мощность источника 1 плазмы, или адаптируя состав плазмообразующего газа-носителя. В последнем случае используют газ, выбранный из группы, включающей H2, CO2 и N2.Preferably, this maximum average velocity is measured and the velocity of the plasma jet is adjusted to a specific velocity value. This adjustment of the velocity of the plasma jet 3 can be carried out by adding a nozzle at the end of the
На Фиг.3 показан вариант осуществления изобретения для глиноземных порошков с плазменной горелкой. Выходное отверстие 6 инжектора 5 размещают на расстоянии l1 в 14 мм от конца плазменной горелки 1 вдоль главной оси 2 и на высоте l2 в 24 мм вдоль оси 7, перпендикулярной этой главной оси 2. Инжектор 5 не наклоняют относительно этой оси 7, перпендикулярной главной оси 2. На Фиг.2 показаны средние траектории частиц, начиная от выхода инжектора и в плазменной струе, для газа-носителя с расходом 6 л/мин в зависимости от тока дуги (А), применяемого для создания плазменного факела и связанного с объемным расходом воздуха в плазменном факеле (л/мин). Первая кривая С1 (крестик) получена для пары 450 А-7700 л/мин, вторая кривая С2 (сплошной треугольник) - для пары 310 А-3400 л/мин, а третья кривая С3 (кружок) - для пары 180 А-1700 л/мин. Из этих кривых следует, что частицы не попадают в ядро плазменной струи в случае первой кривой С1, в отличие от двух других кривых С2 и С3, при которых средние траектории пересекают главную ось 2 примерно на 100 мм от конца источника 1 плазмы. Количество движения струи является слишком большим по сравнению с количеством движения, связанным с радиальным потоком на выходе инжектора.Figure 3 shows an embodiment of the invention for alumina powders with a plasma torch. The
Таким образом наблюдали, что для однородного вовлечения частиц в ядро плазменного потока, то есть для гарантирования того, что все частицы действительно вовлекаются в центр потока плазменной струи, необходимо не только корректировать осевое и радиальное положения инжектора относительно упомянутой главной оси и его наклон относительно оси, перпендикулярной упомянутой главной оси, но и контролировать среднее количество движения этих частиц у выходного отверстия этого инжектора.Thus, it was observed that in order to uniformly involve particles in the core of the plasma stream, that is, to ensure that all particles are really involved in the center of the stream of the plasma stream, it is necessary not only to correct the axial and radial positions of the injector relative to the main axis and its inclination relative to the axis, perpendicular to the mentioned main axis, but also to control the average momentum of these particles at the outlet of this injector.
На Фиг.4 в частном варианте осуществления показано распределение средних скоростей частиц вдоль главной оси в зависимости от тока дуги (А). На оси абсцисс 16, показывающей положение частиц вдоль главной оси (мм), исходной точкой 17 является конец источника плазмы, а на оси ординат 18 показана средняя скорость частиц (м/с). Используемыми порошками являются частицы глинозема, а источником плазмы является плазмотрон AQTIL. Первая кривая S1 (ромб) построена для тока дуги 450 А, вторая кривая S2 (прямоугольник) - для тока дуги 310 А, а третья кривая S3 (треугольник) - для тока дуги 180 А. Из этих кривых следует, что частицы имеют фазы ускорения и замедления и что осевое положение 19 максимума средней скорости частиц для данного тока дуги смещается в заднем направлении от горелки с увеличением тока дуги. Таким образом, расстояние D от конца источника плазмы, на котором частицы приобретают максимальную среднюю скорость, изменяется в зависимости от прикладываемого тока дуги. Это положение необходимо определять для характеристики образцов в условиях, максимально приближенных к реальным. Наблюдали также, что максимальная средняя скорость частиц примерно в четыре раза выше при 450 А (420+/-45 м/с), чем при 180 А (125+/-15 м/с). Поэтому максимальную среднюю скорость частиц можно корректировать, корректируя скорость плазменной струи путем увеличения рабочей электрической мощности источника плазмы.Figure 4 in a particular embodiment shows the distribution of average particle velocities along the main axis depending on the arc current (A). On the
Предпочтительно, изобретение может быть осуществлено в качестве устройства термического напыления частиц для нанесения покрытий, например металлических, на поверхность.Preferably, the invention can be practiced as a thermal spraying device for coating particles, for example metal, on a surface.
Claims (16)
определяют упомянутое расстояние D от конца источника (1) плазмы и располагают упомянутый объект примерно на этом расстоянии D.1. A method of generating a particle-loaded heat flow, wherein the particles are at least partially directed to an object in which a carrier gas and these particles are injected from at least one particle injector (5) having at least one outlet (6 ), into a plasma jet (3) directed from the end of the plasma source (1) outward along the main axis (2), said plasma jet (3) having a core, characterized in that the axial and radial positions of said particle injector (5) are corrected regarding the above axis (2) and the inclination of said injector (5) relative to axis (7) perpendicular to said main axis, and control the average amount of movement of said particles at the outlet (6) of said injector (5) to uniformly involve said particles in the plasma jet core (3) in such a way that these particles acquire at a variable distance D from the end of the plasma source (1) the maximum average velocity, and
the said distance D is determined from the end of the plasma source (1) and the said object is positioned at approximately this distance D.
источник плазмы, содержащий конец источника (1) плазмы с главной осью (2), вдоль которой плазменная струя (3) направляется наружу,
по меньшей мере один инжектор (5) частиц, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие (6), при этом упомянутый инжектор (5) частиц предназначен для инжектирования газа-носителя и частиц в плазменную струю (3), отличающееся тем, что оно содержит
опору, перемещаемую в двух направлениях для осевого и радиального позиционирования упомянутого инжектора (5) относительно упомянутой главной оси (2), и средства наклона для управления угловым положением упомянутого инжектора (5) относительно оси (7), перпендикулярной упомянутой главной оси (2),
первый оптический детектор (9) и средства визуализации для определения средней траектории частиц начиная от выхода инжектора (5) и в плазменной струе (3), и
средства для определения средней скорости (10, 11) упомянутых частиц, причем упомянутые средства содержат источник (10) света, генерирующий световые импульсы, и второй оптический детектор (11), при этом упомянутый второй оптический детектор (11) и упомянутый источник (10) света синхронизированы.11. A device for generating particle-loaded heat flux containing
a plasma source containing the end of the plasma source (1) with a major axis (2) along which the plasma jet (3) is directed outward,
at least one particle injector (5) having at least one outlet (6), wherein said particle injector (5) is for injecting a carrier gas and particles into a plasma jet (3), characterized in that it contains
a support moving in two directions for axial and radial positioning of said injector (5) with respect to said main axis (2), and tilt means for controlling the angular position of said injector (5) with respect to an axis (7) perpendicular to said main axis (2),
a first optical detector (9) and visualization means for determining the average particle path starting from the injector exit (5) and in the plasma jet (3), and
means for determining the average speed (10, 11) of said particles, said means comprising a light source (10) generating light pulses and a second optical detector (11), said second optical detector (11) and said source (10) the lights are in sync.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0550693 | 2005-03-17 | ||
| FR0550693A FR2883411B1 (en) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A THERMAL FLOW CHARGED WITH PARTICLES |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007138508A RU2007138508A (en) | 2009-04-27 |
| RU2404552C2 true RU2404552C2 (en) | 2010-11-20 |
Family
ID=35058539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007138508/06A RU2404552C2 (en) | 2005-03-17 | 2006-03-03 | Method and device for generating heat current loaded with particles |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1867220B1 (en) |
| FR (1) | FR2883411B1 (en) |
| RU (1) | RU2404552C2 (en) |
| WO (1) | WO2006097649A1 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015061306A1 (en) * | 2013-10-25 | 2015-04-30 | United Technologies Corporation | Plasma spraying system with adjustable coating medium nozzle |
| CN108534983B (en) * | 2016-10-08 | 2020-01-21 | 哈尔滨理工大学 | Array blowing type pneumatic optical simulation device |
| CN108426695B (en) * | 2017-12-14 | 2020-08-14 | 中国航天空气动力技术研究院 | Hypersonic three-dimensional shock wave structure observation method |
| DE102018210115A1 (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Adjustable injector holder for setting the spray spot during thermal coating and processing |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT1041579B (en) * | 1974-09-03 | 1980-01-10 | Cockerill | DISTRIBUTION DEVICE OF A METALLIC POWDER IN A FLAME FOR THE APPLICATION OF A METALLIC COATING |
| DE3435748A1 (en) * | 1984-09-28 | 1986-04-10 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Method and device for coating workpieces by means of thermal spraying, in particular by plasma spraying |
| US5047612A (en) * | 1990-02-05 | 1991-09-10 | General Electric Company | Apparatus and method for controlling powder deposition in a plasma spray process |
| US5233153A (en) * | 1992-01-10 | 1993-08-03 | Edo Corporation | Method of plasma spraying of polymer compositions onto a target surface |
| DE10025161A1 (en) * | 2000-05-23 | 2001-11-29 | Joma Chemicals As Limingen | Material and method for producing a corrosion- and wear-resistant layer by thermal peaking |
| US6478234B1 (en) * | 2001-06-18 | 2002-11-12 | Northrop Grumman Corporation | Adjustable injector assembly for melted powder coating deposition |
-
2005
- 2005-03-17 FR FR0550693A patent/FR2883411B1/en not_active Expired - Fee Related
-
2006
- 2006-03-03 RU RU2007138508/06A patent/RU2404552C2/en not_active IP Right Cessation
- 2006-03-03 EP EP06726217.0A patent/EP1867220B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2006-03-03 WO PCT/FR2006/050193 patent/WO2006097649A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2006097649A1 (en) | 2006-09-21 |
| FR2883411B1 (en) | 2007-06-15 |
| EP1867220B1 (en) | 2015-02-25 |
| EP1867220A1 (en) | 2007-12-19 |
| RU2007138508A (en) | 2009-04-27 |
| FR2883411A1 (en) | 2006-09-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Leonov et al. | Near-surface electrical discharge in supersonic airflow: properties and flow control | |
| RU2404552C2 (en) | Method and device for generating heat current loaded with particles | |
| Hannemann et al. | Free piston shock tunnels HEG, HIEST, T4 and T5 | |
| Mauer et al. | Improving powder injection in plasma spraying by optical diagnostics of the plasma and particle characterization | |
| Satheesh et al. | Effect of concentrated energy deposition on the aerodynamic drag of a blunt body in hypersonic flow | |
| Hackett et al. | On the gas dynamics of HVOF thermal sprays | |
| Fauchais et al. | Plasma spraying: from plasma generation to coating structure | |
| JP4621866B2 (en) | Fuel combustion propagation analysis and flame spread measurement apparatus, and fuel flame propagation mode test method using the apparatus | |
| Powell et al. | X-ray absorption measurements of diesel sprays and the effects of nozzle geometry | |
| Leonov et al. | The features of electro-discharge plasma control of high-speed gas flows | |
| Ticoş et al. | Plasma jet acceleration of dust particles to hypervelocities | |
| Kirschner et al. | Erosion testing of thermal barrier coatings in a high enthalpy wind tunnel | |
| Baehr et al. | Investigations of process by-products by means of Schlieren imaging during the powder bed fusion of metals using a laser beam | |
| Chinnov et al. | Spatial-temporal diagnostics of the system of a plasma stream interacting with a surface of heat resistant material | |
| Mahapatra et al. | Effect of counterflow argon plasma jet on aerodynamic drag of a blunt body at hypersonic Mach numbers | |
| Greene | Simulation of pyrolysis gas in a charring ablative thermal protection material using gas injection through a porous graphite sample | |
| DeBlauw et al. | Correlation Between Emission, Electric, and Flow Properties of Arc-Filament Plasma Actuators | |
| Hussary | Fluid dynamics investigations of wire arc spraying process | |
| CN115096692B (en) | Experimental system for simulating high-temperature high-speed two-phase flow scouring ablation | |
| Salvador et al. | Hypersonic experimental analysis of impulse generation in airbreathing laser thermal propulsion | |
| Henkes et al. | Flow characterization of a detonation gun facility and first coating experiments | |
| Xu et al. | Deflection of Plasma by High Magnetic Fields at Variable Pressures | |
| Streibl et al. | Diagnostics of thermal spray processes by in-flight measurement of particle size and shape with innovative Particle-Shape-Imaging (PSI) technique | |
| Boulos et al. | Thermal spray process integration | |
| Reijasse et al. | Experimental analysis of the supersonic flow confluence past a jet-on axisymmetric afterbody |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200304 |