[發(fā)明專利]用于陶瓷基復合材料傳熱冷卻實驗的云母板固定夾持裝置

在審

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• 申請日: 2021-02-26
• 公開（公告）號: CN113008933A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設計）人: 杜昆;陳麒好;李華容;劉存良;白曉輝
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 云燕春

本發(fā)明用于陶瓷基復合材料傳熱冷卻實驗的云母板固定夾持裝置，屬于陶瓷基復合材料的技術領域；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設置有中央平板放置框，用于放置陶瓷基復合材料平板；中央平板放置框的內(nèi)壁與陶瓷基復合材料平板的外周面為間隙配合，該間隙采用石棉墊片填充；所述云母板底部托架垂直于主流方向的兩個側壁上，分別對稱設置有凹字型模塊，所述凹字型模塊平行于云母板底部托架側壁的截面呈為“凹”字形，用于與主流通道連接；本發(fā)明避免了傳統(tǒng)的螺栓固定對平板結構的破壞，并在固定平板時在四周留出了平板膨脹裕量，同時使用線性膨脹系數(shù)與陶瓷基材料相近的高溫膠，使其與CMC平板膨脹相協(xié)調(diào)。

技術領域

本發(fā)明屬于陶瓷基復合材料的技術領域，具體涉及一種用于陶瓷基復合材料傳熱冷卻實驗的云母板固定夾持裝置。

背景技術

燃氣渦輪作為能源轉化和利用的主要裝置被廣泛應用于發(fā)電，航空，化工和機械動力領域。隨著能源需求的劇增和環(huán)境問題的日益突出，燃氣渦輪的功率和熱效率都隨之不斷提高，這些都給燃氣渦輪的設計提出了更嚴格的要求。為了應對能源需求的不斷增大和能源利用產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。燃燒室作為燃氣輪機最重要的承熱部件之一。在高溫燃氣的作用下，其內(nèi)部的火焰筒需要承受極大的熱負荷(對流和輻射)、熱沖擊(工況變化等)等。在燃氣渦輪研發(fā)和設計中不斷提高進口燃氣溫度顯著提高燃氣渦輪熱效率，同時改進燃燒室的設計使燃氣溫度分布均勻以降低燃燒中心區(qū)域的燃氣溫度。改進后的設計使燃燒室火焰筒壁面附近的燃氣溫度顯著提高，在高溫的氣流作用下燃燒室火焰筒的熱負荷顯著增大，從而嚴重影響其使用壽命和對整個燃氣渦輪的運行安全產(chǎn)生威脅。

為了進一步增強燃燒室的耐高溫效果，降低結構溫度梯度與熱應力，歐美先進發(fā)動機燃燒室中已開始使用陶瓷基復合材料(Ceramic matrix composite,CMC)，該種材料由碳或碳化硅纖維、界面及碳化硅基體三種組分組成，具有低密度、高硬度、高比模量等特點，既保留了碳或碳化硅纖維高強高模、耐高溫、抗蠕變、耐腐蝕、材料熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，也克服了碳化硅陶瓷斷裂韌性低和抗沖擊性能差的缺陷，同時界面相存在纖維與基體之間，發(fā)揮著調(diào)節(jié)纖維與基體之間的熱應力，提高纖維與基體之間的化學相容性，阻止或抑制纖維氧化的作用，是目前國際公認的熱結構領域的重要候選材料之一。

由于陶瓷基復合材料內(nèi)部纖維編織結構復雜、各相熱物性不同，該材料的導熱系數(shù)呈現(xiàn)出各向異性的特點，這與傳統(tǒng)的鎳基高溫合金完全不同。而在材料制備過程中難以避免的孔隙、纖維粘結等進一步增加了內(nèi)部導熱系數(shù)的隨機性與不確定性，給關于CMC材料的熱分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)關于CMC材料的傳熱冷卻實驗還非常少，沒有形成一套完整的試驗件設計體系。CMC平板的加工周期長、成本高的特點，有必要保證平板能夠有效固定且在實驗全程中不被破壞。再加上其加工難度大、缺乏相關力學數(shù)據(jù)支撐，同時打孔會破壞其內(nèi)部纖維結構從而極大的影響熱分析，這些原因導致了傳統(tǒng)實驗中合金板的螺栓固定等方法無法適用于CMC平板。

因此，開發(fā)一種用于陶瓷基復合材料傳熱冷卻實驗的云母板固定夾持裝置對保障關于陶瓷基復合材料平板傳熱冷卻實驗安全有效地進行具有十分重要的工程應用價值。

現(xiàn)有的CMC實驗件在實驗通道中的固定方式多為螺栓固定，如文獻GT2020-15053中所用。螺栓固定CMC實驗件不足之處有以下幾點：第一，螺栓孔對CMC內(nèi)部結構產(chǎn)生局部破壞，影響其結構強度及傳熱特性；第二，螺栓材料與CMC完全不同，這導致打孔部分無法納入到整體的熱分析當中，需要經(jīng)過后續(xù)處理將其刪除；第三，螺栓固定要求實驗件留有裕量進行打孔，使得實驗成本上升。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術問題：

為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種用于陶瓷基復合材料傳熱冷卻實驗的云母板固定夾持裝置，通過云母夾板結構設計避免對CMC平板進行打孔加工從而提高陶瓷基復合材料傳熱冷卻分析的準確性，解決了常規(guī)固定方法無法適用于陶瓷基復合材料平板實驗的問題，同時能夠保障陶瓷基復合材料傳熱冷卻實驗安全有效地進行。