Hipersonično testiranje vozila postavlja cjevovode u jedno od najtežih okruženja u inženjerstvu. Temperature stagnacije unutar visoko-Machovog zračnog tunela mogu premašiti točku taljenja običnog čelika, dok ista ispitna petlja može istovremeno nositi kriogeni vodik, helij ili metan kao rashladno sredstvo i kao gorivo. Legirana cijev za ovu funkciju stoga mora kombinirati visoko-temperaturnu čvrstoću i otpornost na oksidaciju s pouzdanom nisko{4}}temperaturnom žilavošću, malom tolerancijom dimenzija i unutarnjom površinom koja neće kontaminirati ispitni plin.
Uvjeti rada unutar hipersonične ispitne petlje
Tri opterećenja djeluju na cjevovod u isto vrijeme: aerodinamičko zagrijavanje od ispitnog toka, toplinski ciklus između uzastopnih vožnji i vibracije koje se prenose iz mlaznice, potpore modela i sustava za dovod goriva. Cijevi u blizini ispitnog dijela obično se aktivno hlade, s kanalima za rashladnu tekućinu oblikovanim u ili zalemljenim na stijenku kanala. Cijevi za gorivo za Scramjet ispitni predmet moraju izdržati kriogenu ulaznu temperaturu na hladnom kraju i ozbiljno zagrijavanje neposredno nizvodno od injektora.
Temperatura stagnacije: nekoliko tisuća stupnjeva Celzijusa na prednjem rubu visoko-Machovog modela.
Temperatura rashladne tekućine: do razine tekućeg vodika i tekućeg helija.
Vibracije: dugotrajno visoko{0}}frekventno opterećenje od 5 Macha i više.
Čistoća: sastav ispitnog plina ne smije se mijenjati ispuštanjem plinova ili produktima korozije.
Klase legura i specifikacije za visoko{0}}temperaturne cjevovode
| Obitelj legure | Tipična specifikacija | Ključne karakteristike | Tipična uporaba |
|---|---|---|---|
| Austenitni nehrđajući 304L i 316L | ASTM A312, ASTM A213 | Otpornost na oksidaciju, jednostavno zavarivanje | Pročišćavanje i pomoćni vodovi, umjerena temperatura |
| Legura nikla-kroma-željeza UNS N06600 | ASTM B167, ASTM B163 | Otpornost na oksidaciju pri povišenoj temperaturi, dobro ponašanje pri toplinskom šoku | Grijači i topli{0}}plinovi |
| nikal-krom-molibden-legura niobija UNS N06625 | ASTM B444, ASTM B705 | Visoka čvrstoća, široka otpornost na koroziju, malo toplinsko širenje | Mjerni koluti i visoko{0}}tlačni vrući dijelovi |
| Precipitacijom-očvrsnuti nikal-željezo-legura kroma UNS N07718 | ASTM B637, ASTM B670 | Visoka čvrstoća zadržana na temperaturi, kriogena žilavost | Scramjet cijevi i prirubnice za isporuku goriva |
| Legura titana Grade 5 | ASTM B338, ASTM B861 | Niska gustoća, kriogena kompatibilnost | Lagani vodovi za rashladno sredstvo i gorivo |
| Vatrostalni metali: volfram, molibden, TZM | ASTM B760, ASTM B387 | Vrlo visoka točka taljenja, samo inertan ili vakuumski servis | Obloge za grlo i komponente-stagnacijskih točaka |
Projektiranje rashlađenih kanala i cijevi za dovod goriva
Geometrija kanala za hlađenje obično se utvrđuje konjugiranom analizom-prijenosa topline, a ne samo ocjenom tlaka. Debljina stijenke, omjer širine i visine kanala i brzina rashladne tekućine balansiraju se s dopuštenom temperaturom stijenke za odabranu leguru. Tamo gdje cjevovod prenosi vodik, projektant također mora uzeti u obzir veliku termalnu kontrakciju pri-hlađenju, osjetljivost na vodikovu krtost odabranog stupnja i val tlaka koji se stvara kada se ventil aktivira.
Upotrijebite fleksibilne mijehove ili ekspanzijske petlje kako biste apsorbirali punu toplinsku kontrakciju između ambijentalnih i kriogenih uvjeta.
Držite zavarene spojeve na minimumu u ohlađenim dijelovima; gdje je spoj neizbježan, upotrijebite-potpune zavare s odgovarajućim dodatnim metalom.
Izbjegavajte nagle promjene presjeka koje stvaraju lokalne vruće točke i koncentraciju stresa.
Poduprite konop tako da može aksijalno kliziti tijekom termičkog ciklusa, ali da ne može vibrirati.
Površinska obrada, čišćenje i kontrola onečišćenja
Unutarnje površine se mehanički poliraju, a zatim čiste prema visokim-standardima čistoće, jer hrapavi ili kontaminirani zidovi ometaju granični sloj i mogu otpustiti čestice u ispitni tok. Austenitni stupnjevi su pasivirani u skladu s ASTM A967. Legure nikla se prema potrebi odmašćuju, dekapiraju ili elektropoliraju i, gdje to zahtijeva dužnost, peku u vakuumu kako bi se uklonili hlapljivi ostaci. Čišćenje se provodi namjenskim alatom kako ne bi došlo do unakrsne-kontaminacije između obitelji legura.
Dokumentacija o inspekciji i kvaliteti
Cijev za ovu vrstu rada obično se isporučuje s certifikatom o inspekciji EN 10204 tip 3.1, rezultatima kemijskih i mehaničkih ispitivanja i, gdje je navedeno, ultrazvučnim ili-vrtložnim ispitivanjem tijela cijevi. Proizvedeni kalemovi provjeravaju se hidrostatskim ili pneumatskim tlačnim ispitivanjem, provjeravaju helijevim masenim -spektrometrom za propuštanje, ispituju penetrantom ili radiografijom na zavarenim mjestima i dimenzijski provjeravaju prema izometrijskom crtežu prije otpreme.
FAQ
P: Koje legure preživljavaju uvjete stagnacije u visoko-Machovom aerotunelu?
Vatrostalni metali kao što su volfram, molibden i TZM opslužuju područje najviše-temperature u vakuumu ili inertnoj atmosferi, dok aktivno hlađeni kanali od legura na bazi nikla-kao što su UNS N06625 ili UNS N07718 nose najveći dio putanje protoka.
P: Kako se izbjegava kontaminacija ispitnim plinom?
Poliranjem i čišćenjem unutarnjih površina prema visoko-standardima čistoće, primjenom vakuumskog pečenja gdje je to potrebno i rukovanjem svakom legurom s namjenskim alatom tako da nikakav strani materijal ne uđe u put protoka.
P: Zbog čega je teško dizajnirati cijevi za isporuku goriva scramjet-a?
Cjevovod mora tolerirati kriogenu rashladnu tekućinu na ulazu i jaku temperaturu u blizini injektora, oduprijeti se vibracijama na Mach 5 i više, i prilagoditi se punoj toplinskoj kontrakciji ciklusa bez preopterećenja prirubnice injektora.
P: Zašto se mjere toplinske zaštite koriste na ispitnim cjevovodima?
Izolacija ili zaštitna obloga ograničava pad topline između ciklusa, skraćuje-razdoblje hlađenja i štiti instrumente i brtve, što povećava broj testova koje postrojenje može izvršiti.
P: Kako se provjeravaju opterećenja na hipersoničnim ispitnim cjevovodima?
Multifizičko modeliranje kombinira računalnu dinamiku fluida s toplinskom i strukturnom analizom, a rezultati se potvrđuju mjerenjem mjerača naprezanja i ispitivanjem vibracija na sklopljenom kolutu.
P: Koji se standardi primjenjuju na zavarene cijevi od legure u radu na visokim-temperaturama?
Bešavna i zavarena cijev naručuje se prema ASTM A213, A312, B163, B167, B444 ili B705 ovisno o leguri, dok izrada i ispitivanje gotovog kalema obično slijede ASME B31.1 ili ASME B31.3.
