Способ контроля охлаждаемой стенки с отверстиями

 

Изобретение может быть использовано в энергомашиностроении и авиадвигателестроении. Способ контроля охлаждаемой стенки с отверстиями заключается в обдуве газом стенки, контактирующей с расплавом кристаллизующегося металла, с температурой, меньшей температуры кристаллизации расплава. Одновременно вдувают воздух в поток газа и измеряют местные толщины корки образовавшегося на ее поверхности металла. Контакт с расплавом кристаллизующегося металла осуществляют с наружной стороны стенки, температуру вдуваемого воздуха поддерживают выше температуры основного потока газа, но ниже или равной температуре кристаллизации расплава и об эффективности охлаждения судят по коэффициенту теплоотдачи, определяемому по формуле, приведенной в тексте описания. Изобретение позволяет повысить точность и снизить трудоемкость контроля. 1 ил.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и авиадвигателестроения, где может найти применение при контроле теплового состояния теплонапряженных тонкостенных деталей с пленочным и конвективно-пленочным охлаждением.

Известен способ определения эффективности пленочного охлаждения путем ее оценки по величине адиабатической температуры пленки T_пл, которая может быть найдена на базе экспериментального определения температуры на теплоизолированной поверхности контролируемой детали [1].

Однако при таких экспериментах искажаются параметры потока вдуваемого газа, что значительно снижает достоверность получаемых результатов. Кроме того, замеры проводятся в отдельных точках поверхности детали и не дают достаточно полной информации об эффекте пленочного охлаждения детали. Увеличение числа измеряемых точек связано со значительным ростом трудоемкости испытаний и снижением их достоверности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения полей температур пленки по авторскому свидетельству [2], заключающийся в следующем: охлаждаемая стенка с отверстиями, помещенная в расплав кристаллизующегося металла, обдувается газом; одновременно происходит подача охлаждающего воздуха через отверстия; стенка извлекается из расплава, толщина корки образовавшегося на ее поверхности металла измеряется; при этом обдув стенки газом осуществляют с температурой, меньшей температуры кристаллизации расплава, а подачу воздуха, сначала с температурой равной, а затем - с температурой меньшей температуры газа; об эффективности охлаждения судят по относительной температуре стенки.

Недостатками этого технического решения являются невысокая точность и значительная трудоемкость контроля. Низкая точность определения в эксперименте температурных полей пленки обусловлена прежде всего отсутствием достаточного подобия тепловых процессов, происходящих при работе детали и при ее испытаниях по указанному авторскому свидетельству.

При работе детали к вдуваемому потоку газа тепло подводится только со стороны горячего газа. При модельных испытаниях тепло к вдуваемому потоку подводится как со стороны расплава металла, так и со стороны горячего газа. В результате такого несоответствия процессов теплообмена в опыте определяется не адиабатическая температура пленки и не средняя ее температура, а лишь некий температурный параметр, который можно использовать для оценки эффективности пленочного охлаждения лишь при сопоставительном контроле деталей по сравнению с эталоном.

Кроме того, для получения этого параметра необходимо трижды испытывать деталь в жидкометаллическом термостате с разными режимами продувок, что значительно увеличивает трудоемкость контроля и делает ее практически сопоставимой с трудоемкостью замера T_пл термопарами.

Также имеет место большой расход жидкометаллического теплоносителя, особенно при контроле крупногабаритных деталей, так как требуется их полное погружение в расплав металла.

Задачей изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости контроля.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе контроля охлаждаемой стенки с отверстиями происходит обдув газом охлаждаемой стенки с отверстиями, контактирующей с расплавом кристаллизующегося металла, с температурой, меньшей температуры кристаллизации расплава, и одновременном вдуве воздуха в поток газа и измерении местных толщин корки образовавшегося на ее поверхности металла, контакт с расплавом кристаллизующегося металла осуществляют с наружной стороны стенки, температуру вдуваемого воздуха поддерживают выше температуры основного потока газа, но ниже или равной температуре кристаллизации расплава и об эффективности охлаждения судят по коэффициенту теплоотдачи, определяемому по формуле где - интенсивность выделения скрытой теплоты кристаллизации металла, ; L' - объемная теплота кристаллизации металла, Дж/м³; τ - время затвердения корки металла на поверхности детали, с; T_кр - температура кристаллизации, K; T^вх_пл - температура вдуваемого газа в месте вдува, K; G_пл - расход вдуваемого газа, кг/с; C_{p пл} - удельная теплоемкость вдуваемого газа, ; F - площадь участка поверхности детали, где определяется α_пл , м²;
δ_к - толщина корки, затвердевшей на поверхности детали, м;
δ_пл= δ_к.осн-δ_к; δ_к.осн - толщина корки, затвердевшей на поверхности детали без теплового взаимодействия с вдуваемым потоком газа, м;
R_ст - термическое сопротивление детали, .

На чертеже изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа контроля.

Устройство включает контролируемую стенку с отверстиями 2 детали, которая снабжена патрубком 3 для подвода вдуваемого газа датчиком его температуры (термопарой), фиксирующей параметр T^вх_пл и установленной в корпусе приспособлениями так, что образует с ним канал щелевого типа, высота которого определяется условиями моделирования процессов взаимодействия вдуваемого и основного потоков газа в контролируемой детали. На поверхности стенки детали 2 размещен замкнутый буртик из жаропрочного материала, формирующий на контролируемом участке поверхности детали ванну 4.

При проведении испытаний в щелевой канал, продуваемый основным потоком газа с температурой T_осн < T_кр и заданным расходом G_осн, вдувается вспомогательный поток с фиксированной температурой T^вх_пл в месте вдува и расходом G_пл, причем T_осн < T_пл ≅ T_кр. При достижении стационарного режима в ванну 4 заливается расплав высокотеплопроводного чистого перегретого металла 5. Степень перегрева определяется режимом испытаний и размерами ванны 4. При температуре кристаллизации на поверхности детали за фиксированное время τ образуется твердая корка 6 металла, толщина которой δ в каждой точке поверхности адекватна плотности теплового потока q на поверхности детали.

Толщина корки замеряется щупом непосредственно в ванне 4 при наличии жидкой фазы расплава или после удаления жидкой фазы путем ее слива из ванны, корка снимается с поверхности детали и измеряется в расчетных сечениях.

Для повышения точности определения α_пл проводится дополнительная продувка при одинаковых с первым этапом расходах G_осн и G_пл, при которой T^вх_пл = T_осн < T_кр, в результате чего определяются значения δ_к.осн.

Для реализации данного способа не предполагается помещать всю деталь в расплав металла, вследствие чего отпадает необходимость (по сравнению со способом по [2]) в дополнительном изготовлении герметичных жаропрочных магистралей подвода и отвода газа, которые как правило являются неразъемными и изготавливаются с применением сварки и высокотемпературной пайки. В данном способе устройство для его осуществления может быть укомплектовано универсальными магистралями подвода и отвода газа многократного использования.

За счет минимализации количества расплава металла, повышения точности и достоверности эксперимента и снятия экспериментальных данных значительно сокращены стоимость и длительность контроля охлаждаемой стенки с отверстиями.

Формула изобретения

Способ контроля охлаждаемой стенки с отверстиями, заключающийся в обдуве газом стенки, контатирующей с расплавом кристаллизующегося металла, с температурой меньшей температуры кристаллизации расплава и одновременном вдуве воздуха в поток газа и измерении местных толщин корки образовавшегося на ее поверхности металла, отличающийся тем, что контакт с расплавом кристаллизующегося металла осуществляют с наружной стороны стенки, температуру вдуваемого воздуха поддерживают выше температуры основного потока газа, но ниже или равной температуре кристаллизации расплава и об эффективности охлаждения судят по коэффициенту теплоотдачи, определяемому по формуле

где - интенсивность выделения скрытой теплоты кристаллизации металла, ;
L' - объемная теплота кристаллизации металла Дж/м³ ;
τ - время затвердевания корки металла на поверхности детали, с;
Т_кр - температура кристаллизации металла, K;
Т_пл^вх - температура вдуваемого газа в месте вдува, K;
G_пл - расход вдуваемого газа, кг/с;
C_р.пл - удельная теплоемкость вдуваемого газа, ;
F - площадь участка поверхности детали, где определяется α_пл, м²;
δ_к - толщина корки, затвердевшей на поверхности детали, м;
δ_пл= δ_к.осн-δ_к ;
δ_к.осн - толщина корки, затвердевшей на поверхности детали без теплового взаимодействия с вдуваемым потоком газа, м;
R_ст - термическое сопротивление детали, .

РИСУНКИ

Рисунок 1