Способ определения коэффициента теплопередачи через стенку конвективно охлаждаемой детали

 

Использование: для контроля параметров теплопередачи в различных конвективно охлаждаемых деталях. Сущность изобретения: исследуемую деталь помещают в расплав высокотеплопроводного металла при температуре его кристаллизации, дважды продувают ее охлаждающей средой в течение разного интервала времени, превышающего длительность процесса стабилизации температуры на выходе из детали, вынимают после каждой продувки из расплава, и измеряют толщину отвержденной корки металла с последующим расчетом искомых характеристик. 1 ил.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для контроля параметров теплопередачи в конвективно охлаждаемых деталях, например в лопатках газовых турбин.

Известен способ контроля параметров теплопередачи, включающий измерение температуры охлаждающей среды, температуры поверхности охлаждаемой детали и теплового потока от детали к среде. Недостатком данного способа является высокая трудоемкость при исследовании деталей сложной формы [1] Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ контроля теплообмена в конвективно охлаждаемых деталях, включающий операции погружения исследуемой детали в расплав чистого высокотеплопроводного металла при температуре его кристаллизации, продувки детали охлаждающей средой, извлечения из расплава и измерения толщины намороженной корки металла с последующим расчетом искомых характеристик [2] В известном способе коэффициент теплопередачи К вычисляют для квазистационарных условий по формуле где δ_к- толщина корки металла, образовавшейся на детали при ее продувке в кристаллизующемся расплаве и измеряемая через 2-4 с после прекращения продувки; τ время продувки; L, r теплота кристаллизации и плотность расплавленного металла; Т_кр, T_в температура кристаллизации расплава и охлаждающей среды соответственно.

Однако известный способ имеет недостаточную точность определения параметров теплопередачи, обусловленную влиянием на указанные параметры толщины корки металла, образовавшейся на поверхности детали при нестационарных условиях тепловых испытаний, которые не могут быть адекватно описаны приведенным расчетным выражением, справедливым лишь для стационарного режима теплообмена.

Следует отметить, что полностью исключить нестационарный процесс теплообмена при калориметрировании в жидкометаллическом термостате невозможно, а величина погрешности увеличивается пропорционально размерам и массе контролируемой детали, что значительно ограничивает область применения калориметрического способа лишь номенклатурой малоразмерных и тонкостенных конвективно охлаждаемых деталей.

Задачей данного изобретения является повышение точности определения коэффициента теплопередачи к охлаждающей среде.

Решение указанной задачи достигается тем, что согласно способу определения коэффициента теплопередачи через стенку конвективно охлаждаемой детали, например лопатки турбины, включающему погружение исследуемой детали в расплав высокотеплопроводного металла при температуре его кристаллизации, продувку детали охлаждающей средой с замером температуры среды на выходе из детали, извлечение ее из расплава и измерение толщины отвержденной корки металла с последующим расчетом искомых параметров, продувку осуществляют в два этапа при одинаковом расходе охлаждающей среды, продолжительность t₁ одного из которых равна или больше длительности τ_c процесса стабилизации температуры охлаждающей среды на выходе из детали, а длительность τ₂ второго этапа больше τ₁, определяют коэффициент теплопередачи по формуле где δ₁, δ₂ толщина корки металла, образовавшейся на поверхности детали, соответственно после первой и второй продувок в кристаллизующемся расплаве.

На чертеже показана характерная для калориметрических испытаний зависимость температуры охлаждающей среды на выходе из детали от времени испытаний /продувки/, откуда видно, что на начальном этапе продувки термостатированной в жидкометаллическом термостате детали охлаждающей средой ее температурный режим изменяется и, начиная с некоторого момента времени τ_c, стабилизируется. Если исходные параметры испытаний учитывать только на стабилизированном этапе продувки, то точность определения К и других параметров теплопередачи может быть существенно повышена и будет в меньшей степени зависеть от габаритов и массы испытуемой детали. При известном времени τ_c эта задача легко решается путем повторных продувок в расплаве металла с длительностью соответственно τ₂ > τ₁ с выемкой детали из расплава после каждой продувки и измерением толщины, образовавшейся корки металла, и подстановки с расчетное выражение (2) значений толщины корки металла и времени ее образования на стационарном режиме испытаний, полученных как разность их двух измерений.

Использование предлагаемого способа по сравнению с известным обеспечивает повышение точности определения коэффициента теплопередачи через стенку конвективно охлаждаемой детали.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента теплопередачи через стенку конвективно охлаждаемой детали, включающий погружение исследуемой детали в расплав высокотеплопроводного металла при температуре его кристаллизации, продувку детали охлаждающей средой с замером температуры среды на выходе из детали, извлечение ее из расплава и измерение толщины отвержденной корки металла с последующим расчетом исходных параметров, отличающийся тем, что продувку осуществляют в два этапа при одинаковом расходе охлаждающей среды, продолжительность одного из которых τ₁ равна или больше длительности τ_c процесса стабилизации температуры охлаждающей среды на выходе из детали, а длительность τ₂ второго этапа больше τ₁, и определяют коэффициент теплопередачи К по формуле

где δ₁, δ₂ - толщина корки металла, образовавшейся на поверхности детали, соответственно, после первой и второй продувок в кристаллизирующемся расплаве;
L, ρ - теплота кристаллизации и плотность расплавленного металла;
Т_кр, Т_в температура кристаллизации расплава и охлаждающей среды, соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1