ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕНА ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ КОНСТРУКЦИЯХ

Полезная модель относится к измерительной технике и позволяет определять количество тепла переносимого в процессе конвективного теплообмена к термочувствительным элементам устройств, размещенных в замкнутом объеме вращающихся летательных аппаратов при внешнем нагреве (например, аэродинамическом), а также строить температурные поля во вращающихся конструкциях, находящихся в указанных выше условиях.
Аналогом предлагаемой установки является устройство для определения характеристик теплообмена во вращающихся каналах [патент РФ №1623397 по классу G01K 17/00 от 20.03.1995 г.], применяемое в экспериментальных установках, предназначенных для исследования тепловых процессов в каналах, моделирующих охлаждающие каналы вращающихся элементов конструкции энергетических машин (лопатки газовых турбин, роторы электродвигателей и др.). Данное устройство содержит основание, вал с подшипниковыми опорами, расположенными на основании, ротор с исследуемыми каналами, снабженными термоприемниками, закрепленный на валу расходомер и узлы подвода холодного и горячего газов, соединенные с исследуемыми каналами через распределительный клапан, причем оба канала для подвода холодного и горячего газов и распределительный клапан расположены вдоль оси симметрии вала.
Однако вышеуказанный аналог не позволят исследовать характеристики теплообмена в замкнутых объемах и, следовательно, анализировать влияние центробежного поля массовых сил на конвективный теплоперенос через газовые прослойки, вращающиеся относительно продольной оси конструкции.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является экспериментальная установка для исследования конвективного теплопереноса в замкнутом объеме при внутреннем нагреве прослоек в условиях их осевого вращения [Ветров В.В., Дубровский Д.В. Особенности теплового режима аппаратурных отсеков в условиях их осевого вращения и внутреннего тепловыделения // Оборонная техника, Москва, 2005, - №6, 7, с.40-43]. Данная экспериментальная установка представляет собой совокупность специального оборудования и серийно выпускаемых приборов. Она включает: тепловой блок с источником внутреннего тепловыделения, стенд вращения с коллекторным устройством, измерительный тракт с аналогово-цифровым преобразователем, силовой источник постоянного тока с регулятором напряжения питания электронагревателя теплового блока, силовой источник постоянного тока с регулятором напряжения для питания двигателя вращения. В качестве датчиков тепловых измерений использованы хромель-копелевые термопары с диаметром электродов 0,2 мм. С помощью указанной экспериментальной установки установлено, что при осевом вращении конструкции центробежное поле запирает естественную гравитационную конвекцию, что препятствует конвективному охлаждению элементов конструкции, имеющих собственное тепловыделение, например транзисторы.
Однако, вышеуказанный прототип обладает рядом недостатков:
- конструкция установки позволяет проводить исследования только при внутреннем нагреве, хотя установлено, что в условиях осевого вращения происходит интенсификация конвективного переноса тепла к внутренним элементам конструкции при внешнем нагреве [Ветров В.В., Дубровский Д.В. Особенности теплового режима аппаратурных отсеков в условиях их осевого вращения и внутреннего тепловыделения // Оборонная техника, Москва, 2005, - №6, 7, с.40-43];
- конструкция прототипа позволяет исследовать теплоперенос только для одного типа прослоек с упрощенной конфигурацией, что не отображает всего многообразия и сложности реальных конструкций;
- конструкция прототипа не позволяет визуализировать конвективные течения и тепловые поля, возникающие внутри прослойки, необходимые для тестирования и отработки инструментария компьютерного моделирования рассматриваемых процессов;
- поверхности внутри теплового блока указанного прототипа выполнены с высокой степенью черноты в инфракрасном диапазоне, что не позволяет пренебрегать лучистыми тепловыми потоками и, следовательно, усложняет определение конвективной составляющей тепловых потоков внутри вращающейся прослойки с необходимой точностью.
Технической задачей полезной модели является создание экспериментальной установки, позволяющей определять характеристики конвективного теплопереноса к термочувствительным элементам устройств, размещенных в замкнутом объеме при его внешнем нагревании и осевом вращении.
Поставленная задача решается, таким образом, что экспериментальная установка содержит стенд вращения, на котором установлены тепловой блок, моделирующий исследуемое устройство, с расположенными в нем датчиками тепловых измерений в виде хромель-копелевых термопар, коллекторное токосъемное устройство для передачи сигналов с датчиков тепловых измерений по измерительному тракту на аналогово-цифровой преобразователь сигналов, источников тока для питания электрооборудования. В тепловом блоке дополнительно установлены внутренний тепломер в виде теплоизолированной цилиндрической втулки из материала с высокой теплопроводностью (например, меди), набор перфорированных цилиндрических втулок, формирующих лабиринтные воздушные прослойки заданной конфигурации и поперечный тонкостенный диск с радиально расположенными на нем датчиками тепловых измерений в виде хромель-копелевых термопар. Торцевые стенки теплового блока выполнены из прозрачного в видимом и инфракрасном диапазонах теплоизоляционного материала, внешняя поверхность внутреннего тепломера и внутренняя поверхность внешней цилиндрической обечайки теплового блока выполнены полированными с минимальной степенью черноты в инфракрасном диапазоне. Приводной вал стенда вращения имеет центральное и радиальные отверстия для подвода красящих веществ в воздушный объем теплового блока. В качестве имитатора внешнего нагрева применяется совокупность ламп.
Полезная модель поясняется фигурами 1, 2 и 3.
На фиг.1 представлена блок-схема экспериментальной установки для определения характеристик теплообмена во вращающихся конструкциях при их внешнем нагревании.
На фиг.2 изображен тепловой блок экспериментальной установки, закрепленный на стенде вращения.
На фиг.3 дан разрез по сечению А-А фиг.2.
Экспериментальная установка (фиг.1) содержит стенд вращения 1, размещенный на неподвижном основании и состоящий из электропривода 2 с датчиком числа оборотов 3, установленного на валу коллекторного токосъемного устройства 4, на котором также расположен усилитель сигналов 5. На стенде вращения установлен тепловой блок 6, моделирующий исследуемую конструкцию. Сигналы с датчиков тепловых измерений, расположенных в тепловом блоке, по измерительному тракту 7 на основе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 8, а также с пирометра 9, измеряющего температуру поверхности наружного составного корпуса теплового блока, регистрируют с помощью регистрирующего прибора 10. Для питания электроприборов применяют источники постоянного тока с регулятором напряжения 11 и 13. С помощью цифрового частотомера 12 определяют частоту вращения теплового блока, для имитации внешнего нагрева которого служит имитатор внешнего нагрева 14.
Основу экспериментальной установки составляет тепловой блок (см. фиг.2), который жестко установлен на валу вращения 15 стенда вращения. Тепловой блок состоит из наружного составного корпуса, конструктивно объединяющего торцевые стенки 16 и цилиндрическую обечайку 17, и внутренних элементов: внутреннего тепломера 18, перфорированных цилиндрических втулок 19 и 20, формирующих лабиринтные воздушные прослойки заданной конфигурации и имитирующих сложные оптоэлектронные и микромеханические блоки различных технических устройств, а также поперечного тонкостенного диска 21 с установленными на нем датчиками тепловых измерений 22 в виде хромель-копелевых термопар.
Также на стенде вращения установлен усилитель сигналов 23 (см. фиг.2), размещенный на коллекторном вале 24. В качестве имитатора внешнего нагрева применена совокупность ламп 25, размещенных по периметру теплового блока (см. фиг.3).
Цилиндрическая обечайка 17 (см. фиг.2) наружного составного корпуса теплового блока выполнена из высоко теплопроводного металла (например, алюминия); торцевые стенки 16, с целью визуализации конвективных течений, изготовлены из прозрачного в видимом и инфракрасном диапазонах материала; поперечный тонкостенный диск 21 сделан из прочного диэлектрика с низкой теплопроводностью, а внутренний тепломер 18 - из металла с высокой теплопроводностью (например, меди).
В качестве основных датчиков тепловых измерений 22 использованы хромель-копелевые термопары. При проведении экспериментов регистрация сигналов, поступающих с датчиков тепловых измерений, происходит с помощью АЦП (например, АЦП L-791, выполненного в виде PCI-платы, устанавливаемой на персональном компьютере).
Для усиления относительно слабого выходного сигнала датчиков тепловых измерений 22 установлен усилитель сигналов 23. Его применение позволяет повысить помехозащищенность от токов, возникающих в коллекторном токосъемном устройстве при вращении, а, следовательно, и точность получаемых данных. Усилитель сигналов размещен непосредственно на вращающейся части экспериментальной установки, что позволяет получать на коллекторном токосъемном устройстве уже усиленный сигнал и избавляет от эффекта обратного тока. Кроме того, температура холодного спая компенсируется в пределах усилителя сигналов и незначительное повышение температуры на коллекторном токосъемном устройстве за счет трения во время вращения на нее не влияет. Основные элементы усилителя сигналов - однокристальные усилители сигнала термопары с компенсатором холодного спая (например, AD597).
Для передачи усиленных электрических сигналов с датчиков тепловых измерений 22, расположенных в тепловом блоке на вращающейся части экспериментальной установки, по измерительному тракту к регистрирующему прибору, расположенному на неподвижной части экспериментальной установки, применено коллекторное токосъемное устройство, основу которого составляет коллекторный вал 24. Изготовлен коллекторный вал из прочного диэлектрика (например, капролона) с расположенными на нем изолированными кольцами из электропроводного сплава (например, латуни), электрически связанных с выводными концами датчиков тепловых измерений. Неподвижная часть коллекторного токосъемного устройства выполнена в виде токосъемных щеток.
Работает экспериментальная установка, с учетом вышеприведенного описания, следующим образом.
Перед проведением эксперимента в тепловой блок устанавливают набор перфорированных цилиндрических втулок 19 и 20 (см. фиг.2), формирующих лабиринтные воздушные прослойки заданной конфигурации, поперечный тонкостенный диск 21 с датчиками тепловых измерений 22 в виде хромель-копелевых термопар, а также внутренний тепломер 18. После окончательной сборки экспериментальной установки, если необходима визуализация конвективных течений, в воздушный объем теплового блока по центральному каналу и через радиальные отверстия приводного вала 15 подводят красящие вещества.
Далее тепловой блок 6 (см. фиг.1) раскручивают до заданной скорости вращения и поддерживают ее постоянной на протяжении всего эксперимента. Скорость вращения определяют с помощью цифрового частотомера 12, регистрирующего сигналы датчика числа оборотов 3. После установления вращения начинают регистрацию данных с помощью регистрирующего прибора 10 и включают имитатор внешнего нагрева 14. В результате нагрева цилиндрической обечайки наружного составного корпуса теплового блока 6 и его вращения возникают внутренние конвективные течения, которые приводят к нагреву внутренних элементов конструкции и воздушного объема внутри теплового блока. При нагреве датчиков тепловых измерений в виде хромель-копелевых термопар возникает электрический сигнал в виде термо-э.д.с. Усилитель сигналов 5 усиливает данный сигнал, который далее поступает на коллекторное токосъемное устройство 4. После этого усиленный сигнал по измерительному тракту 7 поступает на АЦП 8 и регистрируется регистрирующим прибором 10. С помощью пирометра 9 измеряют температуру поверхности наружного составного корпуса теплового блока, сигналы с которого регистрируют регистрирующим прибором 10. Внешний нагрев теплового блока 6, а, следовательно, и эксперимента продолжают до достижения заданного времени или температуры внутренних элементов.
Использование предлагаемой полезной модели позволит создать экспериментальную базу для исследования конвективного теплопереноса к термочувствительным элементам устройств, размещенных в замкнутом объеме при его внешнем нагревании и осевом вращении.