Bij hypersonische voertuigtests worden leidingen in een van de meest veeleisende omgevingen in de techniek geplaatst. Stagnatietemperaturen in een hoge-Mach-windtunnel kunnen het smeltpunt van gewoon staal overschrijden, terwijl dezelfde testlus tegelijkertijd cryogene waterstof, helium of methaan als koelmiddel en als brandstof kan vervoeren. Gelegeerde buizen moeten voor deze taak daarom hoge- temperatuursterkte en oxidatieweerstand combineren met betrouwbare lage- temperatuurbestendigheid, nauwe maattolerantie en een inwendig oppervlak dat het testgas niet vervuilt.
Servicevoorwaarden binnen een hypersonische testlus
Drie belastingen werken tegelijkertijd op de leidingen: aerodynamische verwarming door de teststroom, thermische cycli tussen opeenvolgende runs en trillingen die worden overgedragen door het mondstuk, de modelondersteuning en het brandstoftoevoersysteem. Leidingen dichtbij het testgedeelte worden doorgaans actief gekoeld, waarbij koelmiddelkanalen in de kanaalwand worden gevormd of hierop worden gesoldeerd. Brandstofleidingen voor een scramjet-testartikel moeten de cryogene inlaattemperatuur aan het koude uiteinde en de zware hitte onmiddellijk stroomafwaarts van de injector overleven.
Stagnatietemperatuur: enkele duizenden graden Celsius aan de voorrand van een hoog-Mach-model.
Koelvloeistoftemperatuur: tot aan het niveau van vloeibare waterstof en vloeibaar helium.
Trillingen: aanhoudende hoogfrequente belasting- bij Mach 5 en hoger.
Zuiverheid: de samenstelling van het testgas mag niet worden gewijzigd door ontgassing of corrosieproducten.
Legeringskwaliteiten en specificaties voor leidingen voor hoge- temperaturen
| Legering familie | Typische specificatie | Belangrijkste kenmerken | Typisch gebruik |
|---|---|---|---|
| Austenitisch roestvrij 304L en 316L | ASTM A312, ASTM A213 | Oxidatieweerstand, eenvoudig lassen | Spoel- en nutsleidingen, gematigde temperatuur |
| Nikkel-chroom-ijzerlegering UNS N06600 | ASTM B167, ASTM B163 | Oxidatieweerstand bij verhoogde temperatuur, goed gedrag bij thermische schokken | Verwarmingselementen en hete-gasleidingen |
| Nikkel-chroom-molybdeen-niobiumlegering UNS N06625 | ASTM B444, ASTM B705 | Hoge sterkte, brede corrosieweerstand, lage thermische uitzetting | Meetspoelen en hete secties onder hoge-druk |
| Neerslag-gehard nikkel-ijzer-chroomlegering UNS N07718 | ASTM B637, ASTM B670 | Hoge sterkte behouden bij temperatuur, cryogene taaiheid | Scramjet-brandstoftoevoerleidingen en flenzen |
| Titaniumlegering klasse 5 | ASTM B338, ASTM B861 | Lage dichtheid, cryogene compatibiliteit | Lichtgewicht koelvloeistof- en brandstofleidingen |
| Vuurvaste metalen: wolfraam, molybdeen, TZM | ASTM B760, ASTM B387 | Zeer hoog smeltpunt, alleen inert of vacuümbedrijf | Keelvoeringen en stagnatie-puntcomponenten |
Ontwerp van gekoelde kanalen en brandstoftoevoerleidingen
De geometrie van het koelkanaal wordt normaal gesproken bepaald door analyse van de geconjugeerde warmte{0}}in plaats van alleen door de drukwaarde. Wanddikte, kanaalverhouding en koelmiddelsnelheid worden afgewogen tegen de toegestane wandtemperatuur voor de geselecteerde legering. Waar de leiding waterstof vervoert, moet de ontwerper ook rekening houden met de grote thermische contractie bij afkoeling-, met de gevoeligheid voor waterstofverbrossing van de gekozen kwaliteit, en met de drukstoot die wordt gegenereerd wanneer een klep wordt bediend.
Gebruik flexibele balgen of expansielussen om de volledige thermische contractie tussen omgevings- en cryogene omstandigheden te absorberen.
Beperk lasverbindingen tot een minimum in gekoelde secties; waar een verbinding onvermijdelijk is, gebruik dan volledige- penetratielassen met bijpassend vulmetaal.
Vermijd abrupte sectiewisselingen die lokale hotspots en stressconcentratie veroorzaken.
Ondersteun de lijn zo dat deze axiaal kan glijden tijdens thermische cycli, maar niet kan trillen.
Oppervlakteafwerking, reiniging en verontreinigingscontrole
Interne oppervlakken worden mechanisch gepolijst en vervolgens gereinigd volgens hoge-zuiverheidsnormen, omdat een ruwe of vervuilde muur de grenslaag verstoort en deeltjes in de teststroom kan vrijgeven. Austenitische kwaliteiten worden gepassiveerd volgens ASTM A967. Nikkellegeringen worden indien nodig ontvet, gebeitst of elektrolytisch gepolijst en, waar de plicht dit vereist, vacuümgebakken om vluchtige resten te verwijderen. Het reinigen wordt uitgevoerd met speciaal gereedschap, zodat er geen kruisbesmetting-tussen legeringsfamilies plaatsvindt.
Inspectie- en kwaliteitsdocumentatie
Buizen voor deze werkklasse worden normaal gesproken geleverd met een EN 10204 type 3.1 inspectiecertificaat, chemische en mechanische testresultaten en, indien gespecificeerd, ultrasoon of wervelstroomonderzoek-van het buislichaam. Gefabriceerde spoelen worden getest door een hydrostatische of pneumatische druktest, gecontroleerd door een heliummassa-spectrometer-lektest, onderzocht door middel van kleurstofpenetratie of radiografie bij de lassen, en vóór verzending de afmetingen geverifieerd aan de hand van de isometrische tekening.
Veelgestelde vragen
Vraag: Welke legeringen overleven de stagnatieomstandigheden van een hoge-Mach-windtunnel?
Vuurvaste metalen zoals wolfraam, molybdeen en TZM bedienen het hoogste -temperatuurgebied in vacuüm of inerte atmosfeer, terwijl actief gekoelde kanalen van op nikkel- gebaseerde legeringen zoals UNS N06625 of UNS N07718 het grootste deel van het stroompad voor hun rekening nemen.
Vraag: Hoe wordt testgasverontreiniging vermeden?
Door interne oppervlakken te polijsten en te reinigen volgens hoge-zuiverheidsnormen, waar nodig een vacuümbak toe te passen en elke legering met speciaal gereedschap te behandelen, zodat er geen vreemd materiaal in het stromingspad terechtkomt.
Vraag: Waarom zijn scramjet-brandstoftoevoerleidingen moeilijk te ontwerpen?
De leiding moet cryogeen koelmiddel bij de inlaat en zware hitte in de buurt van de injector tolereren, trillingen bij Mach 5 en hoger weerstaan en de volledige thermische samentrekking van de run opvangen zonder de injectorflens te overbelasten.
Vraag: Waarom worden thermische beschermingsmaatregelen gebruikt op testleidingen?
Isolatie of een beschermende voering beperkt de warmtestraling tussen runs, verkort de afkoelperiode- en beschermt instrumentatie en afdichtingen, waardoor het aantal tests dat een faciliteit kan uitvoeren toeneemt.
Vraag: Hoe worden de belastingen op hypersonische testleidingen geverifieerd?
Multiphysics-modellering combineert computationele vloeistofdynamica met thermische en structurele analyse, en de resultaten worden gevalideerd door rekstrookmetingen en trillingstests op de geassembleerde spoel.
Vraag: Welke normen zijn van toepassing op gelaste aluminium buizen bij hoge- temperaturen?
Naadloze en gelaste buizen worden besteld volgens ASTM A213, A312, B163, B167, B444 of B705, afhankelijk van de legering, terwijl de fabricage en het onderzoek van de voltooide spoel normaal gesproken ASME B31.1 of ASME B31.3 volgen.
