Способ и установка для определения теплофизических характеристик твердых материалов в поле действия центробежных сил

Изобретение относится к области экспериментальной физики. 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. Диск помещают в вакуумную камеру при начальной температуре, создают глубокий вакуум и нагружают, по меньшей мере, двумя циклами совокупного воздействия температуры и поля действия центробежной силы. В каждом цикле задают собственную окружную скорость, при достижении окружной скорости заданного значения включают электронагреватель и регистрируют изменение температуры образца во времени. При достижении образцом заданного верхнего значения температуры электронагреватель и устройство вращения отключают, а при достижении образцом начальной температуры нагружают следующим циклом. По полученным данным рассчитывают экспериментальный коэффициент при вращении и в статическом состоянии, соответственно, и корректируют им теплофизические характеристики статического состояния материала, например, температуропроводность в поле действия центробежных сил. Установка 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. Технический результат заключается в повышении достоверности определения температуропроводности и теплопроводности твердых материалов при высокой окружной скорости вращения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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.

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_i(υ_i) в виде

c_i(υ_i)=Vm_i(υ_i)/Vm₀(υ₀),

где Vm_i(υ_i) и Vm₀(υ₀) - максимальные значения скорости нагрева при окружной скорости (υ_i) и в статическом состоянии (υ₀), соответственно, и корректируют им теплофизические характеристики статического состояния материала, например, температуропроводность в поле действия центробежных сил определяют по формуле:

a_i=a_0ic_i(υ_i),

где a_i и а₀ - 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;

фиг.3 - кривые, иллюстрирующий изменение температуры и скорости нагрева Vm_i(υ_i) твердого материала во времени для различных частот вращения;

фиг.4 - кривая экспериментальных коэффициентов c_i(υ_i), 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.

По полученным данным рассчитывают экспериментальный коэффициент c_i(υ_i) в виде c_i(υ_i)=Vm_i(υ_i)/Vm₀(υ₀),

где Vm_i(υ_i) и Vm₀(υ₀) - максимальные значения скорости нагрева при окружной скорости (υ_i) и в статическом состоянии (υ₀), соответственно, и корректируют им теплофизические характеристики статического состояния материала, например, температуропроводность в поле действия центробежных сил определяют по формуле:

a_i=a_0ic_i(υ_i),

где a_i и а₀ - температуропроводность материала при и без воздействия центробежных сил, соответственно.

Теплопроводность может быть определена по формуле: к_i=к₀с_i(υ_i), где к_i и к₀ - 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.

Эксперименты проводили способом согласно изобретению, в статическом состоянии диска (без воздействия центробежных сил) при υ₀=0 и на частотах вращения 2500 и 5000 об/мин, которым соответствуют окружные скорости υ₁=25 м/с и υ₂=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.

Указанные кривые на фиг.3 имеют максимальные значения в точках Vm_,0=0,026, Vm_,1=0,063 и Vm_,2=0,077°С/с, соответственно.

Определенная по формуле c_i(υ_i)=Vm_,i(υ_i)/Vm_,0 кривая коэффициентов c_i(υ_i), полученная по графику фиг.3, согласно изобретению, представлена на фиг.4.

Температуропроводность материала в поле действия центробежных сил, определенная по формуле a_i=a_0ic_i(υ_i), составляет: в стационарном состоянии - а₀=5,3·10^-6 м²/с, при скорости вращения 25 м²/с - a₁=а₀·c_i=5,3·10^-6·2,41=12,8·10^-6 м²/с, при скорости вращения 50 м/с² - а₂=а₀·c₂=5,3·10^-6·2,87=15,1·10^-6.

Теплопроводность при к₀=5,3·10^-6 Вт/(м·К) соответственно составит к₁=24·2.42=58 Вт/(м·К), к₂=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.

1. Способ определения теплофизических характеристик твердых материалов в поле действия центробежных сил, при котором теплоизолированный образец в виде проволоки или тонкого стержня из твердого материала с электронагревателем, размещенным на одном из его концов, устанавливают на диске, выполненным 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_i(υ_i) в виде
c_i(υ_i)=Vm_i(υ_i)/Vm₀(υ₀),
где Vm_i(υ_i) и Vm₀(υ₀) - максимальные значения скорости нагрева при окружной скорости (υ_i) и в статическом состоянии (υ₀) соответственно, и корректируют им теплофизические характеристики статического состояния материала, например, температуропроводность в поле действия центробежных сил определяют по формуле:
a_i=a_0ic_i(υ_i),
где a_i и а₀ - температуропроводность материала при и без воздействия центробежных сил соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр проволоки составляет примерно 0,5 мм

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубина вакуума составляет примерно 0,03 атм.

4. Способ по п.4, отличающийся тем, что образец и электронагреватель теплоизолированы от диска, конец образца с электронагревателем располагают ближе к центру диска, чем другой.

5. Установка для определения температурных характеристик твердых материалов в поле действия центробежных сил по п.1, содержащая 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.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что на диске установлены дополнительные контрольные термопары по радиусу основных термопар, подключенные к устройству регистрации температур.