Индукционный нагреватель с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики

Полезная модель относится к области технической физики, а именно к индукционным нагревателям с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики, и может быть использована при проведении термоциклических испытаний образцов из композиционных, керамических и других токонепроводящих материалов.
В настоящее время для повышения характеристик газотурбинных двигателей (ГТД) и ресурса деталей применяют композиционные материалы на основе жаростойких материалов, например, волокон углерода, оксидов, карбидов, нитридов и др. соединений, обладающих высокой прочностью при высоких температурах, достигающих 1400°С, а так же стойких к действию термохимических факторов (окислению, газовой коррозии и т.п.), характерных для деталей горячей части газового тракта ГТД. В процессе эксплуатации они подвергаются циклическому воздействию высоких температур и нагрузок, поэтому для обеспечения большого ресурса двигателя необходимо добиться высокой термоциклической долговечности материала. Для этого требуется проведение исследований характеристик неизотермической малоцикловой усталости материалов. Для проведения таких исследований используются стандартные образцы заданной геометрии, обеспечивающие измерение деформационных характеристик образца наиболее простыми способами, в т.ч. в процессе испытаний. При этом требуется обеспечить высокую скорость нагрева (10-150°С/с) с высокой равномерностью температурного поля по длине и/или поперечному сечению рабочего участка. Для нагрева образцов при термоциклических испытаниях используются различные методы. Наиболее широко применяется разогрев с помощью токов высокой частоты (индукционный разогрев) или путем пропускания электрического тока через исследуемый образец. Однако эти методы могут использоваться только для токопроводящих материалов, либо для разогрева должно использоваться СВЧ - оборудование высокой мощности, что дорого и требует специальных мер защиты персонала. Для разогрева материалов, не обладающих электропроводностью, возможно использование лучевых методов разогрева с помощью ламп или лазера, но в этом случае сложно обеспечить равномерный разогрев рабочей части образца.
Известно электронагревательное устройство, включающее промежуточное тело в виде цилиндрической трубки, выполненной из неметаллического материала с определенным электрическим сопротивлением, и токоподводящие шины. (RU 2001122533, 2003 г.). В известном техническом решении шины выполнены в виде слоев электропроводящего материала, в частности из полиэтилена высокого давления, нанесенных соответственно на внутреннюю и наружную поверхности цилиндрической трубки, а нагрев промежуточного тела осуществляется путем пропускания электрического тока.
Существенным недостатком известного технического решения является невозможность его применения для испытания образцов из композиционных материалов и керамики в связи с ограниченными температурными характеристиками материала шин.
Известен индукционный нагреватель с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики, включающий промежуточное тело, выполненное из тугоплавкого материала и индуктор (RU 2711557, 2020 г.). В известном техническом решении промежуточное тело представляет собой трубку, выполненную из высокотемпературной проводящей керамики, в частности из диборида гафния.
Существенным недостатком известного технического решения является трудность получения равномерного распределения температурного поля по высоте образца, поскольку тепловой поток от равномерно разогретого промежуточного тела к образцу равномерен, а в процессе нагрева происходит теплоотвод через концы образца, закрепляемые в захватах испытательного устройства и не подогреваемые дополнительно промежуточным телом для компенсации тепловых потерь.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и назначению к заявляемому техническому решению является нагреватель с промежуточным телом для нагрева образцов, включающий трубчатое промежуточное тело, выполненное из тугоплавкого материала и содержащее рабочую часть с размещенными на торцах последней утолщенными концевыми участками, и токоподводящие шины (RU 858535, 2000 г.). В известном техническом решении нагрев и регулирование температуры промежуточного тела осуществляется путем пропускания электрического тока через промежуточное тело. При этом для снижения температуры утолщенных концевых участков и обеспечения равномерного распределения температурного поля по высоте образца электронагреватель снабжен заглушками, заглубленными в отверстия в утолщенных концевых участках, а на боковой поверхности одного из последних выполнен сквозной канал.
Существенным недостатком известного технического решения является сложность обеспечения равномерного распределения температурного поля по высоте образца, которая зависит от материала заглушек и промежуточного тела, их электрических характеристик, а также от расположения заглушек относительно утолщенных концевых участков.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании индукционного нагревателя с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики, обеспечивающего повышение точности испытаний.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании нагревательного устройства с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики, обеспечивающего повышение точности испытаний за счет равномерного распределения температур по длине и сечению на рабочем участке образца.
Заявленный технический результат достигается тем, что в индукционном нагревателе с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики, включающем трубчатое промежуточное тело, выполненное из тугоплавкого материала и содержащее рабочую часть с размещенными на торцах последней утолщенными концевыми участками, и токоподводящие шины, согласно предлагаемому техническому решению промежуточное тело выполнено в виде по крайней мере трех соосно установленных частей, причем утолщенные концевые участки выполнены из токопроводящего керамического материала, а рабочая часть выполнена из электроизолирующей керамики, при этом толщина стенки рабочей части составляет 0,1…0,5 длины последней, теплопроводность материала рабочей части по крайней мере в два раза ниже теплопроводности материала утолщенных концевых частей, а индукционный нагреватель снабжен индуктором, электрически связанным с токоподводящими шинами, обмотка которого расположена на внешней поверхности промежуточного тела и выполнена с переменным шагом по длине последнего.
Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих полезную модель, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, заключающегося в реализации ее назначения, т.е. в создании индукционного нагревателя с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики, обеспечивающего повышение точности испытаний за счет равномерного распределения температур по длине и сечению на рабочем участке образца.
Полезная модель поясняется следующим подробным описанием и иллюстрацией, где приняты следующие обозначения:
1 - рабочая часть промежуточного тела;
2, 3 - утолщенные концевые участки промежуточного тела;
4 - обмотка индуктора;
5 - образец.
Индукционный нагреватель с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики включает трубчатое промежуточное тело, выполненное в виде по крайней мере трех соосно установленных частей, выполненных из тугоплавкого материала и представляющих собой рабочую часть 1 промежуточного тела с размещенными на ее торцах утолщенными концевыми участками 2 и 3 промежуточного тела, и токоподводящие шины (на чертеже не показаны). При этом утолщенные концевые участки 2 и 3 промежуточного тела выполнены из токопроводящего керамического материала, а рабочая часть 1 промежуточного тела выполнена из электроизолирующей керамики. Толщина стенки рабочей части 1 промежуточного тела составляет 0,1…0,5 длины последней, а теплопроводность материала его рабочей части 1 по крайней мере в два раза ниже теплопроводности материала утолщенных концевых частей 2 и 3 промежуточного тела. Индукционный нагреватель снабжен индуктором, электрически связанным с токоподводами, причем обмотка 4 индуктора расположена на внешней поверхности промежуточного тела и выполнена с переменным шагом по длине последнего.
Индукционный нагреватель с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики работает следующим образом.
Устанавливают соосно рабочую часть 1 промежуточного тела между утолщенными концевыми участками 2 и 3, которые закрепляют в соответствующих средствах крепления на испытательной машине, В полости трубчатого промежуточного тела размещают образец 5 из композиционного материала или из керамики и закрепляют его концы в захватах испытательной машины (на чертеже не показана). На внешней поверхности промежуточного тела устанавливают индуктор с переменным шагом обмотки 4. В процессе испытания утолщенные концевые части 2 и 3 промежуточного тела, выполненные из токопроводящего керамического материала, (например дисилицида молибдена, хромида лантана), нагреваются в высокочастотном электромагнитном поле индуктора, одновременно нагревая за счет излучения и конвекции находящиеся в полости промежуточного тела захватные и рабочий участки образца. Рабочая часть 1 промежуточного тела, выполненная из электроизолирующей керамики (например, алунда и др.), разогревается за счет теплопередачи от утолщенных концевых участков 2 и 3 промежуточного тела. При этом индуктор на градиент температур по длине рабочей части 1 промежуточного тела возмущений не вносит. Для обеспечения снижения теплопотерь с поверхности рабочего участка образца и исключения влияния рабочей части 1 промежуточного тела на равномерность температурного поля по длине и сечению рабочего участка образца, толщину стенки рабочей части 1 промежуточного тела выбирают равной 0,1…0,5 ее длины, а теплопроводность электроизолирующей керамики, из которой выполнена рабочая часть 1 промежуточного тела, должна быть не менее чем в 2 раза ниже, чем у утолщенных концевых участков 2 и 3 промежуточного тела, что снижает температуру рабочей части 1 промежуточного тела и препятствует искажению температурного поля на поверхности рабочего участка образца 5. Для измерения деформации рабочей части образца, а так же для контроля температуры на его поверхности в стенке рабочей части 1 промежуточного тела выполняют одно или несколько визирных окон (на чертеже не показаны).
Таким образом, выполнение промежуточного тела в виде по крайней мере трех соосно установленных частей с утолщенными концевыми участками из токопроводящего керамического материала и рабочей частью из электроизолирующей керамики, с толщиной стенки рабочей части, составляющей 0,1…0,5 длины последней, теплопроводностью материала рабочей части по крайней мере в два раза ниже теплопроводности материала утолщенных концевых частей, и снабжение индукционного нагревателя индуктором, электрически связанным с токоподводами, обмотка которого расположена на внешней поверхности промежуточного тела и выполнена с переменным шагом по длине последнего обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при реализации настоящей полезной модели, заключающегося в реализации ее назначения, т.е. в создании нагревательного устройства с промежуточным телом для нагрева образцов из композиционных материалов и керамики, обеспечивающего повышение точности испытаний за счет равномерного распределения температур по длине и сечению на рабочем участке образца.