СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПОЛЕ ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ
METHOD AND DEVICE TO DETERMINE THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF SOLID MATERIALS IN FIELD OF CENTRIFUGAL FORCES

Изобретение относится к области экспериментальной физики и испытательной техники, а именно к созданию способа и установки для измерения температурных характеристик твердых теплопроводных материалов в поле действия центробежных сил.
Изобретение может быть использовано для экспериментального определения тепловых характеристик твердых теплопроводных материалов, входящих в состав деталей и/или узлов, силонагруженных большими центробежными силами, например в двигателях, машинах и другом оборудовании.
Известен способ определения теплофизических характеристик строительных материалов многослойных конструкций без нарушения их целостности (патент РФ №2140070, МПК G01N 25/18, опубл. 20.10.1999 г.)
Тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала осуществляют дисковым нагревателем в условиях адиабатического режима и регистрируют зависимость температуры поверхности исследуемого материала от времени. При этом для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции регистрируют зависимость температуры от времени в четырех поверхностных точках, а для определения теплофизических характеристик внутренних слоев конструкции один из нагревателей отключают и регистрируют зависимость температуры поверхности от времени в двух из указанных точек. Для определения коэффициентов теплопроводности наружных и внутренних слоев конструкции экспериментальные зависимости температуры от времени для точек поверхности, имеющих более высокую температуру, аппроксимируют кусочно-ступенчатыми функциями с заданным шагом по времени, а искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам.
Известна установка для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов (патент РФ №2289126, МПК G01N 25/32, опубл. 10.12.2006 г.).
Установка содержит источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной стенках образца. Источник тепла связан с устройством регистрации развиваемой им мощности и размещен внутри осевого канала цилиндрического образца. На торцах образца установлены шайбы из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления свода исследуемого цилиндрического образца.
Известен способ и установка для измерений теплопроводности горных пород при высоких давлениях и температурах (Ветроградский В.А., Попов Ю.А., Миклашевский Д.Е. Метод и установка для измерений теплопроводности горных пород при высоких давлениях и температурах. Известия высших учебных заведений, серия «Геология и разведка», 2003 г., №5, с. 47-51).
Установка содержит камеру высокого давления и температур, оборудованную системой термостатирования, затвор, силовую гайку и уплотнительные резиновые кольца, контейнер с исследуемым образцом и теплоэкранами, электронагреватель контейнера с термопарой, компрессор с нагнетательным патрубком, датчик давления, смонтированный на затворе камеры. Токовые и потенциальные отводы от образца и контейнера проходят через конусные уплотнения затвора.
Способ включает одновременное воздействие на образец высоких давлений и температур линейным источником тепла постоянной мощности, от которого к исследуемой среде подводят теплоту. Мощность источника постоянна во времени и равномерно распределена по длине источника. Регистрируют изменение во времени температуры образца в области, непосредственно контактирующей с источником. Регистрируемую в ходе эксперимента некоторую кажущуюся теплопроводность определяют определенным соотношением и вычисляют теплопроводность при помощи аналого-цифрового преобразователя и компьютера.
Известные способы и устройства позволяют производить определение температурных характеристик твердых материалов, в поле действия сил на сжатие при высоких давлениях.
Способов и устройств для определения температурных характеристик твердых теплопроводных материалов в поле действия центробежных сил не выявлено.
В основу изобретения положена задача создания способа и устройства для измерения теплофизических характеристик твердых материалов в поле действия центробежных сил, реализуемых на установках роторных машин. Техническим результатом является повышение достоверности теплофизических характеристик, в частности температуропроводности и теплопроводности, твердых материалов при высокой окружной скорости вращения, например, лопаток и дисков турбин.
i
i
Поставленная задача решается тем, что в способе определения теплофизических характеристик твердых материалов, теплоизолированный образец в виде проволоки или тонкого стержня из твердого материала с электронагревателем, размещенным на одном из его концов, устанавливают на диске, выполненном с возможностью высокоскоростного вращения, помещают диск в вакуумную камеру при начальной температуре, создают глубокий вакуум и нагружают, по меньшей мере, двумя циклами совокупного воздействия температуры и поля действия центробежной силы, при этом в каждом цикле задают собственную окружную скорость, при достижении окружной скорости заданного значения включают электронагреватель и регистрируют изменение температуры образца во времени, при достижении заданного верхнего значения температуры электронагреватель и устройство вращения отключают, а при достижении начальной температуры нагружают следующим циклом, по полученным данным рассчитывают экспериментальный коэффициент c(υ) в виде
i
i
i
i
0
0
c(υ)=Vm(υ)/Vm(υ),
i
i
0
0
i
0
где Vm(υ) и Vm(υ) - максимальные значения скорости нагрева при окружной скорости (υ) и в статическом состоянии (υ), соответственно, и корректируют им теплофизические характеристики статического состояния материала, например, температуропроводность в поле действия центробежных сил определяют по формуле:
i
0i
i
i
a=ac(υ),
i
0
где a и а - температуропроводность материала при и без воздействия центробежных сил, соответственно.
Целесообразно, чтобы диаметр образца составлял бы примерно 0, 5 мм.
Целесообразно также, чтобы глубина вакуума составляла бы примерно 0,03 атм.
Кроме того, целесообразно, чтобы образец и электронагреватель были бы теплоизолированы от диска, а конец образца с электронагревателем располагают ближе к центру диска, чем другой.
Поставленная задача решается также тем, что установка для определения температурных характеристик твердых теплопроводных материалов в поле действия центробежных сил содержит электродвигатель, вакуумную разгонную камеру, связанную с вакуумным насосом, диск, который установлен на валу электродвигателя и помещен в разгонную камеру, электронагреватель, который закреплен на образце материала, установленного на диске, термопары, размещенные, по меньшей мере, на обоих концах образца, устройство регистрации температур, подключенное через токосъемник к термопарам и источнику питания, устройство управления частоты вращения диска, соединенное с электродвигателем, датчик частоты вращения, установленный до камеры на валу электродвигателя и подсоединенный к устройству управления.
Целесообразно также, чтобы на диске были бы установлены дополнительные контрольные термопары по радиусу основных термопар, подключенные к устройству регистрации температур.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и фигурами, на которых фиг.1 отражает принципиальную схему устройства для измерения теплофизических характеристик твердых материалов в поле действия центробежных сил согласно изобретению;
фиг.2 - фронтальный вид по А поверхности диска устройства на фиг.1;
i
i
фиг.3 - кривые, иллюстрирующий изменение температуры и скорости нагрева Vm(υ) твердого материала во времени для различных частот вращения;
i
i
фиг.4 - кривая экспериментальных коэффициентов c(υ), полученная по графику фиг.3, согласно изобретению.
Способ осуществляют с помощью установки (фиг.1). Установка содержит электродвигатель 4, вакуумную разгонную камеру 11, связанную с вакуумным насосом 12, диск 6, установленный на валу 5 электродвигателя. На фронтальной поверхности диска 6 (фиг.2) закреплен исследуемый образец 13, на ближнем к валу конце которого размещен электронагреватель 1.
Электродвигатель 4 выбран таким образом, что обеспечивает диску 6 высокоскоростные вращения, создающее образцу 13 соответствующее поле действия центробежных сил, таких как, например, в лопатках и дисках турбин авиационных двигателей и установок.
Установка содержит (фиг.2) средства контроля температуры образца в виде термопар 3, размещенных на обоих концах образца.
Установка может содержать дополнительные контрольные термопары, размещенные против образца на фронтальной поверхности диска 6 по радиусу основных термопар (центрально симметрично основным термопарам).
Термопары 3 и 17 проводами 15, 16 и 18 (соответственно) подключены к устройству 2 регистрации температур через токосъемник 9, подсоединенный к источнику питания 10.
Установка содержит также датчик 8 частоты вращения, установленный на валу 5. Датчик 8 целесообразно устанавливать до камеры 11.
Кроме того, установка содержит устройство 7 управления частоты вращения диска, вход которого соединен с электродвигателем 4, а выход - с датчиком 8.
В качестве источника питания 10 целесообразно использовать стабилизированный источник постоянного тока. В качестве устройства 2 регистрации температур используют компьютерную систему.
Способ согласно изобретению, осуществляют на установке следующим образом.
Изготавливают образец 13 из исследуемого материала в виде тонкого стержня или проволоки определенного диаметра и длины и располагают на диске 6.
При этом вокруг одного его конца наматывают теплоизолированные витки электронагревателя 1 и подсоединяют с обоих концов две основные термопары 3, причем одна из них подсоединена к образцу 13 перед электронагревателем 1. Образец 13 с термопарами 3 и электронагревателем 1 проводами 15, 16 теплоизолируют и размещают на диске.
Конец образца 13 с электронагревателем 1 располагают ближе к центру вращения диска 6, чем другой конец.
Целесообразно расположить образец 13 под углом, например, 45° по отношению к касательной к дуге окружности 19.
Диск 6 устанавливают в вакуумной разгонной камере 11 и присоединяют к валу 5 электродвигателя 4. Через отверстия (не показаны) вала прокладывают провода 15, 16 и 18 от термопар 3, электронагревателя 1 и дополнительных термопар 17 и подсоединяют их к токосъемнику 9. От токосъемника 9 провода 15 и 17 (от термопар 3 и дополнительных термопар 17) подключают к устройству 2 регистрации температур, а провода 16 (от электронагревателя 1) - к источнику питания 10. Датчик 8 частоты вращения устанавливают на валу 5 электропривода 4 и подключают к устройству 7 управления частотой вращения, соединенного с электродвигателем 4. К вакуумной разгонной камере 11 подсоединяют вакуумный насос 12.
Затем осуществляют определение теплофизических характеристик, согласно изобретению, циклически следующим образом.
Вакуумным насосом 12 создают глубокий вакуум и регистрируют термопарами 3 начальную температуру образца.
Задают частоту вращения вала 5 устройством 7 и приводят диск 6 во вращение с помощью электродвигателя 4. Датчиком 8 контролируют частоту вращения. При достижении заданной частоты вращения включают источник 10 для электропитания электронагревателя 4 и этим нагружают образец совокупным воздействием температуры и поля действия центробежной силы с заданной окружной скоростью. Образец 13 нагревают до определенного верхнего значения температуры и при этом регистрируют устройством 2 изменение температуры во времени.
При достижении указанной температуры электронагреватель 1 отключают, диск 6 останавливают.
При достижении образцом начальной температуры задают другую частоту вращения вала 5 и нагружают образец следующим циклом совокупного воздействием температуры и поля действия центробежной силы.
i
i
i
i
i
i
0
0
По полученным данным рассчитывают экспериментальный коэффициент c(υ) в виде c(υ)=Vm(υ)/Vm(υ),
i
i
0
0
i
0
где Vm(υ) и Vm(υ) - максимальные значения скорости нагрева при окружной скорости (υ) и в статическом состоянии (υ), соответственно, и корректируют им теплофизические характеристики статического состояния материала, например, температуропроводность в поле действия центробежных сил определяют по формуле:
i
0i
i
i
a=ac(υ),
i
0
где a и а - температуропроводность материала при и без воздействия центробежных сил, соответственно.
i
0
i
i
i
0
Теплопроводность может быть определена по формуле: к=кс(υ), где к и к - теплопроводность материала при и без воздействия центробежных сил, соответственно.
С помощью устройства по способу согласно изобретению, проведены экспериментальные исследования образца из твердого теплопроводного материала в поле действия центробежных сил на заданных частотах вращения от 2500 об/мин до 5000 об/мин.
В устройстве в качестве термопар 3 и 17 использованы хромель-алюмелевые термопары диаметром 0,3 мм, для проводов 15, 16 и 18 использованы копелевые провода 0,5 мм, диск 6 выполнен из жаропрочного никелевого сплава, токосъемник 9 выполнен как ртутный токосъемник РТО-32М. Устройство 2 регистрации температур выполнено как компьютерная система.
При осуществлении способа в вакуумной разгонной камере давление остаточного воздуха составляло 0,03 атм, начальная температура примерно 24°C. На электронагреватель 1 подавали постоянный ток от стабилизированного источника питания 10 с постоянной мощностью 24 Вт.
0
1
2
Эксперименты проводили способом согласно изобретению, в статическом состоянии диска (без воздействия центробежных сил) при υ=0 и на частотах вращения 2500 и 5000 об/мин, которым соответствуют окружные скорости υ=25 м/с и υ=50 м/с. Полученные данные представлены на фиг.3-4.
Кривые 1-3 фиг.3 показывают изменение температуры и скорости нагрева при частоте вращения: 1 - 0 об/мин, 2 - 2500 об/мин, 3 - 5000 об/мин.
,0
,1
,2
Указанные кривые на фиг.3 имеют максимальные значения в точках Vm=0,026, Vm=0,063 и Vm=0,077°С/с, соответственно.
i
i
,i
i
,0
i
i
Определенная по формуле c(υ)=Vm(υ)/Vm кривая коэффициентов c(υ), полученная по графику фиг.3, согласно изобретению, представлена на фиг.4.
i
0i
i
i
0
1
0
i
2
0
2
-6
2
2
-6
-6
2
2
-6
-6
Температуропроводность материала в поле действия центробежных сил, определенная по формуле a=ac(υ), составляет: в стационарном состоянии - а=5,3·10 м/с, при скорости вращения 25 м/с - a=а·c=5,3·10·2,41=12,8·10 м/с, при скорости вращения 50 м/с - а=а·c=5,3·10·2,87=15,1·10.
0
1
2
-6
Теплопроводность при к=5,3·10 Вт/(м·К) соответственно составит к=24·2.42=58 Вт/(м·К), к=24·2,96=71 Вт/(м·К) соответственно.
Анализ кривых (фиг.3) показывает, что центробежные силы значительно влияют на температуропроводность и, следовательно, теплопроводность материала. Поэтому применение предложенного способа и устройства повышает достоверность теплофизических характеристик материалов деталей, работающих в условиях эксплуатации с высокой окружной скоростью.
Предложенные способ и устройство могут быть использованы в авиадвигателестроении, энергетике и других отраслях машиностроения, имеющих роторные детали (диски, лопатки, покрытия и др.), работающие в поле высокоскоростных центробежных сил.