ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ГАЗОВЫМ ПОТОКОМ

Предлагаемое техническое решение относится к экспериментальному оборудованию лабораторий, занимающихся изучением тепловой защиты в различных отраслях техники: химических технологиях, транспортном машиностроении, ядерной энергетике и т.д., в которых происходит взаимодействие высокотемпературных газовых потоков с поверхностями технических устройств, в частности, в области аэрокосмической техники.
Известны устройства для экспериментальных исследований тепловой защиты поверхностей, подвергающихся воздействию высокотемпературных газовых потоков [Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976, 392 с.].
Недостаток известных устройств состоит в том, что периферийные зоны газового потока перемешиваются с окружающей средой, усиливая его турбулизацию. При этом достаточно высокий уровень давления, а, следовательно, и высокий тепловой поток, усиливают интенсивность тепловой нагрузки на поверхность теплозащитного материала. Кроме того, высокая чувствительность распределения давления к уносу массы этого материала, разные методики проводимых исследований для каждой установки, во многих случаях затрудняют сравнение полученных результатов. Следует отметить, что конструкции известных установок позволяют проводить исследования в «пассивном» режиме, поскольку образцы жестко крепятся в установках, а активной частью представляет набегающий газовый поток. Исключается возможность воздействия на газовый поток со стороны самой установки, что ограничивает область исследований.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является комплект вибростендов, позволяющих активно воздействовать на процесс теплообмена между набегающим газовым потоком и моделями головных частей летательных аппаратов путем малых энергетических возмущений типа вибраций. Вибрации формируются линейными (продольными, параллельными оси потока), радиальными или тангенциальными. Дополнительно для снижения тепловых нагрузок на модель навстречу набегающему потоку через отверстия в головной части модели подается газ-охладитель (воздух) [Голованов А.Н. Теплообмен осесимметричного затупленного тела в потоке газа при наличии вдува охладителя через круглые отверстия и вибрационных возмущений. ИФЖ, - Минск, т.63, №2, 1992 г. - С.194-198]. Известный комплект вибростендов выбран за прототип.
В известном устройстве линейные параллельные набегающему потоку вибрации исследуемых поверхностей моделей задаются вибростендом. Он имеет электродвигатель с насаженной на вал сменной шестерней, штуцер для крепления модели. Амплитуда и частота вибраций варьируется геометрическими размерами шестерен и скоростью вращения вала электродвигателя. Перемещение штуцера по вертикали вниз происходит под собственным весом.
Радиальные вибрации задаются другим вибростендом, также имеющем электродвигатель, сменную шестерню, штуцер и прижимную пружину. Отличие в том, что вал двигателя и штуцер для крепления моделей не соосны.
Тангенциальные вибрации задаются вибростендом, имеющим электродвигатель, кривошипно-шатунный механизм, преобразующий вращательное движение вала двигателя в угловые колебательные перемещения штуцера относительно оси поворота. Частота и амплитуда вибраций регулируется скоростью вращения вала электродвигателя и длиной рычага кривошипно-шатунного механизма.
Известный набор вибростендов имеет общий пульт управления, источник высокотемпературных газов с системой охлаждения, источник сжатого воздуха. Параметры потока и параметры тепломассообмена при испытаниях определяются известными датчиками: термопарами, термоанемометрами, пневмометрическими зондами, ротаметрами и т.п. Информация от датчиков через пульт управления поступает на считывающий прибор сбора обработки информации.
Общий недостаток прототипа заключается в том, что каждый вибростенд снабжен своим электродвигателем, имеет свои конструктивные особенности с разными техническими характеристиками, разную регулировку уровня вибраций. Кроме того, исследование разных типов вибраций связано с демонтажем одного вибростенда и монтажом и отладкой другого вибростенда. Все это увеличивает трудовые и временные затраты на проведение экспериментальных испытаний. Дополнительно возникают трудности при анализе полученных результатов, поскольку возможно отклонение в опытных данных за счет разных методик испытаний. Эти недостатки следует устранить.
Целью предлагаемого технического решения является повышение оперативности и эффективности испытаний.
В основу настоящего технического решения положена задача создания испытательного комплекса с многофункциональными возможностями исследований. Задача решается следующим образом: в дополнении к основным общим признакам комплекса вибростендов, взятого в качестве прототипа, многофункциональность достигается за счет наличия универсального вибрационного модуля и сменных вибрационных блоков, устанавливаемых в вибрационном модуле и задающих разные виды вибраций. Универсальный вибрационный модуль имеет цилиндрический корпус с крышкой, имеющей центральное отверстие, закрепленный вертикально на общей станине с электродвигателем, в крышке предусмотрено центральное отверстие для штока крепления испытуемых образцов. Вал электродвигателя через стенку корпуса входит в полость корпуса ниже опорной пластины, на конце его закреплена сменная зубчатая шестерня. Сменный вибрационный блок устанавливается в полости корпуса универсального вибрационного модуля, имеет шток, проходящий через центральное отверстие в крышке модуля и служащий для крепления образца. В нижней части блока имеется шток для взаимодействия со сменной зубчатой шестерней вала. В корпусе универсального вибрационного модуля предусмотрены технологические отверстия и несквозные пазы на внутренней поверхности крышки и опорной пластины. Сбор информации от датчиков регистрируется на осциллографе с электронным преобразователем, что позволяет оперативно обрабатывать результаты опытов с привлечением компьютерных технологий.
Сменный вибрационный блок формирует осевые линейные, радиальные и тангенциальные вибрации. Осевые линейные вибрации задаются вертикально устанавливаемым цилиндром, закрепленным на направляющих шпильках с пружинами, закрепленных в несквозных пазах. Для крепления исследуемых моделей цилиндр имеет шток, пропускаемый через центральное отверстие в крышке модуля, на противоположном торце цилиндра крепится шток со скругленным торцом. Через центральное отверстие в опорной пластине шток со скругленным торцом взаимодействует со сменной зубчатой шестерней вала электродвигателя. Плавность возвратно-поступательных движений цилиндра по вертикали обеспечивают пружины.
Радиальные вибрации формирует вибрационный блок, выполненный в виде цилиндра и установленный вертикально в плоскости модуля. Блок крепится в корпусе модуля на оси. На верхнем торце цилиндра крепится шток для крепления моделей, а на нижнем - профильный шток для несоосного контакта с зубчатой шестерней вала электродвигателя. Возвратно-поступательное движение штока с образцом в диаметральной плоскости обеспечивается закрепленной в корпусе модуля поперечной шпилькой скольжения с предусмотренной на ней отжимной пружиной.
Сменный вибрационный блок тангенциальных вибраций представляет собой вертикально устанавливаемый в полости корпуса универсального вибрационного модуля шток, закрепленный на опорной пластине с помощью опорного подшипника с прижимной гайкой. На нижнем конце штока, проходящего через центральное отверстие опорной пластины, соосно закреплен диск, связанный через кривошипно-шатунный механизм, диск-сателлит и коническую зубчатую шестерню с конической зубчатой шестерней вала электродвигателя.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемами.
На фиг.1 приведена структурная схема испытательного комплекса. Цифрами обозначены: 1 - вибростенд; 2 - электродвигатель; 3 - универсальный вибрационный модуль; 4 - стойка; 5 - щит управления; 6 - расходометры; 7 - резервуар для газа-охладителя; 8 - источник высокотемпературных газов; 9 - испытуемый образец; 10 - электрическая цепь питания; 11 - магистраль подачи газа-охладителя; 12 - магистраль водяного охлаждения. На фиг.2 представлен вибрационный модуль с блоком для линейных вибраций. 13 - опорная пластина; 14 - направляющие шпильки (2 шт.); 15 - цилиндр (ползун); 16 - шток крепления образцов; 17 - шток; 18, 19 - пружины; 20 - сменная шестерня вала электродвигателя; 21 - крышка. На фиг.3 представлен блок для радиальных вибраций, размещенный в универсальном вибрационном модуле. 22 - поперечная направляющая шпилька; 23 - отжимная пружина; 24 - цилиндр; 25 - ось крепления; 26 - профильный шток. На фиг.4 приведен сменный блок для формирования тангенциальных вибраций. 27 - опорный подшипник; 28 - прижимная гайка; 29 - соосный диск; 30 - шток; 31 - контргайка. Фиг.5 иллюстрирует кинематическую схему этого блока: 32, 33 - вал; 34 - шестерни; 35 - диск-сателлит; 36 - кривошипно-шатунный механизм.
Фигуры 6-8 иллюстрируют полученные при испытаниях зависимости в виде относительной функции охлаждения ψ от интенсивности вибраций I. Фиг.9 дает пример изменения температуры для поверхности, покрытой композитным пористым материалом без наложения вибраций на модель и с наложением вибраций.
Испытательный комплекс работает следующим образом.
Линейные вибрации задаются с использованием сменного блока, представленного на фиг.2. Блок содержит цилиндр 15, в котором выполнены сквозные отверстия для направляющих шпилек 14. В нижний торец цилиндра 15 ввернут шток 17 со скругленным торцом. На штоке 17 установлена пружина 19. Смонтированная подобным образом часть блока опускается в корпус модуля 3 на опорную пластину 13, имеющую сквозное отверстие. Скругленный торец штока 17 опирается на шестерню 20, закрепленную на валу электродвигателя 2 (см. фиг.1). Направляющие 14 проходят сквозь ползун и закрепляются в пазах опорной пластины 13. На верхнем торце ползуна 15 на резьбе крепится шток 16, предназначенный для установки образцов 9 (фиг.1). На шток 16 устанавливается пружина 18. Пружины 18, 19 обеспечивают плавный ход ползуна 15, а направляющие 14 препятствуют его перекосу. Модуль закрывается крышкой 21, имеющей центральное отверстие. Направляющие 14 фиксируются в пазах крышки 21. Модуль готов к эксперименту. На модель поверхности 9 (фиг.1) по магистрали подается газ-охладитель, ротаметром 6 на щите управления 5 устанавливается требуемый расход. Запускается электродвигатель 2, с помощью регулятора мощности задается скорость вращения шестерни и соответственно частота линейных вибраций. Запускается и настраивается источник высокотемпературных газов 8, газовая струя направляется на модель 9. Проводится эксперимент.
Радиальные вибрации формируют с использованием блока, приведенного на фиг.3. Блок содержит цилиндр 24, к которому с двух сторон на резьбовом соединении крепятся штоки 16 и 26. Шток 26 проходит через центральное отверстие в опорной пластине 13 и контактирует с шестерней 20 за счет профильного изгиба. В штоке 16 предусмотрено отверстие для направляющей шпильки 22, на одном конце которой устанавливается отжимная пружина 23. В цилиндре 24 предусмотрена ось 25, удерживающая блок в модуле 3. Сверху модуль 3 закрывается крышкой 21. Вибростенд готов к эксперименту. Дальнейшие операции по замеру и регистрации результатов аналогичны рассмотренным ранее.
Тангенциальные вибрации обеспечиваются блоком, представленным на фиг.4 и фиг.5. На фиг.4 дан общий вид блока, а на фиг.5 его кинематическая схема. Блок имеет шток 30, к которому крепятся с одной стороны шток 16 для крепления образцов. С помощью прижимной гайки 28 крепится опорный подшипник 27. На нижнем конце штока 30 устанавливается диск 29 и фиксируется контргайкой 31. Диск 29 с помощью кривошипно-шатунной передачи (фиг.5) и шестерен 34 взаимодействует с валом электродвигателя 2. Интенсивность вибраций (амплитуда и частота) задается коромыслом 36 кривошипно-шатунного механизма и регулировкой оборотов электродвигателя.
В качестве источника высокотемпературных газовых струй может быть использован плазмотрон ЭДП-104А/50.
∞
∞
∞
∞
-3
6
2
-3
Пример. Газодинамические параметры потоков составляли: среднемассовая температура Т=(460-4900)К, энтальпия Н=(460-10200)кДж 1 кг, расход G=(0,9-2,25)·10 кг/с, число Маха М=0,01-2,2, число Рейнольдса Re=130÷2900, плотность теплового потока q=(0,02÷6,2)·10 Bт/м. Температура определялась хромель-алюмелевыми (ХА) и хромель-копелевая (ХК) термопарами. Суммарные погрешности определения параметров не превышали δТ<10%, δq<8,7%, δG<5%, δf≤2%, δA<3,2%. Здесь f - частота и А - амплитуда. Частота f варьировалась в пределах (1-25)Гц, амплитуда А=(0,5-7,0)·10 м для линейных и радиальных вибраций и А=(0-9°) для тангенциальных вибраций.
Для регулирования скорости вращения вала электродвигателя за счет изменения мощности использовался прибор FC2-220-D. Запись параметров проводилась с помощью осциллографа с переносом данных на ПК.
+
-
+
-
2
2
На фиг.6-9 приведены некоторые результаты экспериментов, обработанные в виде зависимости функции теплообмена ψ от интенсивности колебаний I. Здесь ψ=(q-q)/q, где q - теплообмен при наличии вибраций, q - без них, I=1/2ρc(2πfA), ρ - плотность воздуха [н/м], с - скорость звука [м/с].
Видно, что вибрации поверхностей моделей в заданном диапазоне интенсивности частот с учетом расхода охладителя ослабляют процесс теплообмена между газом и стенкой. На фиг.9 приведены в качестве примера зависимости изменения температуры от времени для модели, поверхность которой, покрыта композиционным пористым материалом (КПМ) [1]. Видно, что линейные вибрации (малые энергетические возмущения), воздействуя на модель, приводят к снижению температуры защищаемой поверхности. Появляется возможность управлять воздействием набегающего высокотемпературного газового потока на поверхность оболочки и тем самым регулировать процесс теплообмена в подобных системах.
Предлагаемое техническое решение, кроме своего прямого назначения в аэрокосмической испытательной технике, может найти применение для исследований в других отраслях техники: химических технологиях, транспортном машиностроении, ядерной энергетике и т.д., где возникают малые энергетические возмущения в виде вибраций, колебаний, турбулентных шумов. Несмотря на незначительную величину возмущений, результат такого воздействия может существенно изменять характеристики тепломассообмена.
Реализация заявленного устройства позволит оперативно и с высокой эффективностью проводить исследования для широкого круга технических задач, связанных с тепломассообменом между высокотемпературными движущимися средами и термонапряженными элементами конструкций различных устройств.
Источники информации
1. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976. 392 с.
2. Голованов А.Н. Теплообмен осесимметричного затупленного тела в потоке газа при наличии вдува охладителя через круглые отверстия и вибрационных возмущений/ИФЖ, - Минск, т.63, №2, 1992 г. - С.194-198.