[发明专利]用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置

说明书

本发明用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，属于陶瓷基复合材料的技术领域；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设置有中央平板放置框，用于放置陶瓷基复合材料平板；中央平板放置框的内壁与陶瓷基复合材料平板的外周面为间隙配合，该间隙采用石棉垫片填充；所述云母板底部托架垂直于主流方向的两个侧壁上，分别对称设置有凹字型模块，所述凹字型模块平行于云母板底部托架侧壁的截面呈为“凹”字形，用于与主流通道连接；本发明避免了传统的螺栓固定对平板结构的破坏，并在固定平板时在四周留出了平板膨胀裕量，同时使用线性膨胀系数与陶瓷基材料相近的高温胶，使其与CMC平板膨胀相协调。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料的技术领域，具体涉及一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置。

背景技术

燃气涡轮作为能源转化和利用的主要装置被广泛应用于发电，航空，化工和机械动力领域。随着能源需求的剧增和环境问题的日益突出，燃气涡轮的功率和热效率都随之不断提高，这些都给燃气涡轮的设计提出了更严格的要求。为了应对能源需求的不断增大和能源利用产生的环境污染问题。燃烧室作为燃气轮机最重要的承热部件之一。在高温燃气的作用下，其内部的火焰筒需要承受极大的热负荷(对流和辐射)、热冲击(工况变化等)等。在燃气涡轮研发和设计中不断提高进口燃气温度显著提高燃气涡轮热效率，同时改进燃烧室的设计使燃气温度分布均匀以降低燃烧中心区域的燃气温度。改进后的设计使燃烧室火焰筒壁面附近的燃气温度显著提高，在高温的气流作用下燃烧室火焰筒的热负荷显著增大，从而严重影响其使用寿命和对整个燃气涡轮的运行安全产生威胁。

为了进一步增强燃烧室的耐高温效果，降低结构温度梯度与热应力，欧美先进发动机燃烧室中已开始使用陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composite,CMC)，该种材料由碳或碳化硅纤维、界面及碳化硅基体三种组分组成，具有低密度、高硬度、高比模量等特点，既保留了碳或碳化硅纤维高强高模、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等优点，也克服了碳化硅陶瓷断裂韧性低和抗冲击性能差的缺陷，同时界面相存在纤维与基体之间，发挥着调节纤维与基体之间的热应力，提高纤维与基体之间的化学相容性，阻止或抑制纤维氧化的作用，是目前国际公认的热结构领域的重要候选材料之一。

由于陶瓷基复合材料内部纤维编织结构复杂、各相热物性不同，该材料的导热系数呈现出各向异性的特点，这与传统的镍基高温合金完全不同。而在材料制备过程中难以避免的孔隙、纤维粘结等进一步增加了内部导热系数的随机性与不确定性，给关于CMC材料的热分析带来了巨大的挑战。目前国内关于CMC材料的传热冷却实验还非常少，没有形成一套完整的试验件设计体系。CMC平板的加工周期长、成本高的特点，有必要保证平板能够有效固定且在实验全程中不被破坏。再加上其加工难度大、缺乏相关力学数据支撑，同时打孔会破坏其内部纤维结构从而极大的影响热分析，这些原因导致了传统实验中合金板的螺栓固定等方法无法适用于CMC平板。

因此，开发一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置对保障关于陶瓷基复合材料平板传热冷却实验安全有效地进行具有十分重要的工程应用价值。

现有的CMC实验件在实验通道中的固定方式多为螺栓固定，如文献GT2020-15053中所用。螺栓固定CMC实验件不足之处有以下几点：第一，螺栓孔对CMC内部结构产生局部破坏，影响其结构强度及传热特性；第二，螺栓材料与CMC完全不同，这导致打孔部分无法纳入到整体的热分析当中，需要经过后续处理将其删除；第三，螺栓固定要求实验件留有裕量进行打孔，使得实验成本上升。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于陶瓷基复合材料传热冷却实验的云母板固定夹持装置，通过云母夹板结构设计避免对CMC平板进行打孔加工从而提高陶瓷基复合材料传热冷却分析的准确性，解决了常规固定方法无法适用于陶瓷基复合材料平板实验的问题，同时能够保障陶瓷基复合材料传热冷却实验安全有效地进行。