Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления

Изобретение относится к теплофизическим исследованиям теплозащитного покрытия на материале и условий работы, влияющих на коэффициент теплопроводности, и может быть использовано для определенна коэффициента теплопроводности тонкостенного теплозащитного покрытия (ТЗП) на лопатках турбин газотурбинных двигателей для создания материалов, защищающих рабочие лопатки от перегрева, так как современные материалы рабочих лопаток исчерпали свои возможности по предельно допустимым температурам. Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных ТЗП осуществляется следующим образом: проводят испытание в два этапа. На первом этапе равномерно нагревают всю внешнюю поверхность плоскости образца без ТЗП. На втором этапе испытания наносят ТЗП на внешнюю поверхность образца, повторно проводят испытания и измерения. Устройство для определения коэффициента теплопроводности тонкостенных ТЗП содержит теплоизолированный вентиляционный канал со съемной боковой стенкой, в которой установлен проверяемый образец пластины, а в параллельной ей противоположной стенке канала выполнен вырез в виде прямоугольного окна, в котором установлено ИК - прозрачное стекло, компьютерные термографы установлены снаружи устройства и направлены в окно вентиляционного канала и на поверхность образца, при этом для подогрева поверхности плоскости образца используют электронагреватель, а для охлаждения образца с обратной стороны пластины используют поток холодного воздуха. Технический результат - повышение достоверности экспериментального определения коэффициента теплопроводности ТЗП и оценки эффективности ТЗП. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к теплофизическим исследованиям теплозащитного покрытия на материале и условий работы, влияющих на коэффициент теплопроводности, и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности тонкостенного теплозащитного покрытия на стенках теплонапряженных поверхностей газотурбинных двигателей.

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности экспериментального определения коэффициента теплопроводности тонкостенных ТЗП, его зависимости от температуры и физико-химических свойств.

Уровень техники

Известны экспериментальные установки для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов с использованием известных методов пластины, трубы, шара, см. «Preparation of heat conductivity Measurement model», «Measurement of heat conductivity» / JP 066552 (A), 1066552 (A) (1989-03-13), в качестве измерителя температуры в которых используются контактные датчики температуры, имеющие определенные геометрические размеры.

Однако для тонкостенных ТЗП, толщина которых измеряется микронами применение контактных датчиков приводит к определенным искажениям структуры полей измеряемой температуры поверхности в окрестности установки датчиков. Кроме того, количество датчиков ограничено возможностями их размещения на поверхности образца.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов (ТФС) и изделий, содержащих операции определения ТФС наружного слоя конструкции датчиков теплового потока, изменения частоты тепловых импульсов точечного источника тепла, контроль избыточной температуры термоприемников. ТФС внутреннего слоя определяют путем регистрации величины теплового потока при помощи датчика-термопар, расположенных соответственно под дисковым нагревателем и на контактной поверхности датчика теплового потока, см. патент №2287807 С1, 09.03.2005 г.

Однако способ применяют только для многослойных строительных конструкций.

Известен «Способ определения теплофизических характеристик теплозащитного покрытия на материале», см. SU 1804617 А3, включающий нагрев газом образца пластины с теплозащитным покрытием со стороны теплозащитного покрытия (ТЗП) и одновременным охлаждением воздухом обратной стороны поверхности без ТЗП, расчет величины теплового потока на единицу поверхности с ТЗП и на границе внутренней поверхности ТЗП с поверхностью образа, расчет коэффициентов теплоотдачи, расчет коэффициента теплопроводности покрытия ТЗП на основе уравнений теплового баланса.

Однако применение контактных датчиков приводит к определенным искажениям структуры полей температуры поверхности в окрестности установки датчиков; применяемая формула расчета содержит неизвестный коэффициент теплопроводности в правой и левой частях, а также требуется наличие альфамеров.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в определении среднего по площади нагрева коэффициента теплопроводности тонкостенных ТЗП и его зависимости от температуры, физико-химических свойств, повышении точности оценки определения коэффициента теплопроводности ТЗП λ_{тзп ср.} путем измерения поля температуры нагреваемой поверхности ТЗП и поля температуры охлаждаемой поверхности с обратной стороны образца с ТЗП в одинаковых идентичных координатных точках поверхностей.

Для достижения названного технического результата в прелагаемом способе, включающем нагрев поверхности образца пластины с ТЗП и одновременное охлаждение воздухом обратной стороны поверхности без ТЗП, проводят испытание в два этапа. На первом этапе равномерно нагревают всю внешнюю поверхность плоскости образца пластины без ТЗП с помощью электронагревателя. Одновременно охлаждают обратную сторону образца пластины холодным воздушным потоком в вентиляционном канале и измеряют температуру воздуха T_вi. От входа до выхода вентиляционного канала проводят измерения до достижения стационарного теплового режима. Производят бесконтактное измерение температурных полей на внешней поверхности и на обратной стороне образца пластины соответственно Т_1i, Т_2i. По измеренным температурам в одинаковых координатных i-х точках поверхностей пластины исследуемого образца на основе уравнений теплового баланса производят расчет коэффициента теплоотдачи с учетом конвекции и влияния излучения на температуру внутренней стенки вентиляционного канала с образцом по формуле

где λ_о - коэффициента теплопроводности образца; δ_o - толщина образца.

На втором этапе испытания наносят ТЗП на внешнюю поверхность образца, повторно проводят испытания и измерения в вентиляционном канале температуры T_вi2, бесконтактное измерение температурных полей на внешней стороне пластины с ТЗП и на обратной стороне Т_тзп1i, Т_2i2 образца. Производят расчет температуры Т_тзпхi, поля на границе соприкосновения поверхности ТЗП с поверхностью образца в соответствии с формулой

определяют коэффициент теплопроводности покрытия ТЗП в i-й точке поверхности, по следующей формуле

определяют среднее значение коэффициента теплопроводности ТЗП λ_{тзп ср.} по площади нагрева F, равное

В устройство для определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий, содержащее испытываемый образец с ТЗП, установленный на стенке, нагреватель, измерители температуры воздушного потока и температуры образца, дополнительно введен теплоизолированный вентиляционный канал в коробе со съемной боковой стенкой, выполненной из образца пластины, а в параллельной ей противоположной стенке канала выполнен вырез в виде прямоугольного окна, в котором установлено ИК прозрачное стекло, на окно и исследуемый образец снаружи канала направлены компьютерные термографы, при этом для подогрева образца пластины используют нагреватель с постоянной температурой, охлаждаемый водой, расположенный в теплоизолированном корпусе снаружи устройства, а для охлаждения образца потоком холодного воздуха в теплоизолированном вентиляционном канале используют компрессор.

Таким образом повышают точность оценки определения коэффициента теплопроводности ТЗП λ_тзп.

Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления иллюстрируется фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 изображен в изометрии теплоизолированный вентиляционный канал 7 в коробе 8 со съемной боковой стенкой, выполненной из образца пластины 1.

На фиг.2 показано поперечное сечение устройства, выполненного с образцом, покрытым ТЗП для проведения испытания и определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий λ_тзпi.

На фиг.3 показано поперечное сечение устройства, выполненного с образцом без покрытия ТЗП с известным коэффициентом теплопроводности λ_o для проведения испытания и определения коэффициента теплоотдачи α_Σi.

При этом на фиг.2 показаны измерения в i-х точках поверхности полей температур на втором этапе испытания, когда в устройстве установлен образец пластины с нанесенным на него тонкостенным ТЗП, а на фиг.3 показаны измерения в i-х точках поверхности полей температур на первом этапе испытания, когда в устройстве установлен образец пластины без ТЗП.

Предложенный способ может быть реализован устройством, которое представлено на фиг.1, 2. Устройство содержит теплоизолированный вентиляционный канал 7 в коробе 8, со съемной боковой стенкой, выполненной из образца пластины 1, а в параллельной ей противоположной стенке канала короба выполнен вырез в виде прямоугольного окна 6, в котором установлено ИК прозрачное стекло. На фиг.2 показано продольное сечение по А-А короба. Компьютерные термографы 4 и 5 установлены снаружи устройства и направлены на образец 1 и окно 6. При этом для испытания на первом этапе проверяемый образец 1 устанавливают без ТЗП, см. фиг.3, а для испытания во втором этапе наносят тонкостенное ТЗП-2 на внешнюю поверхность образца - 1 (см. фиг.2).

Для подогрева образца 1 устанавлен нагреватель 3 с постоянной температурой, расположенный снаружи над образцом в теплоизолированном охлаждаемом корпусе. Кроме того, для охлаждения образца холодным воздухом в теплоизолированном вентиляционном канале 7 используют компрессор.

Устройство работает следующим образом.

На первом и втором этапах испытания всю внешнюю поверхность проверяемого образца 1, закрепленного на боковой стенке теплоизолированного вентиляционного канала 7, нагревают равномерно по всей ее длине дистанционно подогревателем до постоянной температуры.

Нагреватель 3 расположен снаружи над образцом в теплоизолированном корпусе.

При этом включают компрессор для отвода тепла, охлаждения обратной стороны образца пластины 1 потоком холодного воздуха в вентиляционном канале 7. Одновременно компьютерный термограф 5 направляют в окно 6 и измеряют температурное поле на поверхности образца 1 через ИК прозрачное стекло, а термограф 4 измеряет температурное поле на внешней поверхности образца.

Использование предлагаемого способа и устройства, реализующего его.

Проводят испытание в два этапа: на первом этапе равномерно нагревают всю внешнюю поверхность плоскости образца пластины 1 электроламповым или иным подогревателем 3 до постоянной температуры, одновременно охлаждают обратную сторону образа пластины 1 холодным воздушным потоком в вентиляционном канале 7 и измеряют температуру стенки вентиляционного канала, температуру воздуха в канале T_вi. От входа до выхода вентиляционного канала 7 проводят измерения T_вi термодатчиками до достижения стационарного теплового режима. Производят бесконтактное измерение температурных полей на внешней поверхности и на обратной стороне образца пластины термографами 4 и 5 соответственно Т_1i, T_2i. Рассчитывают тепловой поток на единицу поверхности по измеренным температурам без ТЗП через δ_o и λ_o в виде

и плотность теплового потока в канале охлаждения в виде

где коэффициент теплоотдачи рассчитан с учетом конвекции влияния излучения на нагрев стенки вентиляционного канала с образцом в виде

из равенства q₁=q₂ вычисляют

На втором этапе испытания наносят ТЗП на внешнюю поверхность образца 1, повторяют испытания и проводят измерения температуры воздуха в вентиляционном канале T_вi2, бесконтактное измерение на внешней стороне пластины образца с ТЗП температурных попей Т_тзп1i и на обратной стороне поверхности пластины образца T_2i2 с помощью термографов 4 и 5. При этом уравнение плотности теплового потока будет иметь следующий вид:

где T_тзп2i - внутренняя температура T_тзп2i поля на границе соприкосновения поверхностей тонкостенного ТЗП с поверхностью образца,

по измеренным температурам с покрытием ТЗП через λ_o к δ_o в виде

или через коэффициент теплоотдачи в виде

Из равенства q₂₂=q₃₂ производят определение температуры T_тзпхi по площади образца 1 в соответствии с формулой

и затем определяют коэффициент теплопроводности покрытия: ТЗП в i-й точке поверхности, рассчитанный по следующей формуле:

определяют среднее значений коэффициента теплопроводности ТЗП λ_{тзп ср.} по площади нагрева F, равное

Использование предлагаемого способа и устройства, реализующего его, позволит обеспечить по сравнению с известным способом повышение точности коэффициента теплопроводности:

- исключаются контактные датчики измерения температур на поверхностях образца, которые искажают структуры полей измеряемой температуры поверхности пластины образца с ТЗП;

- расширяются функциональные возможности способа за счет расширения контролируемых режимов;

- использование компьютерных термографов с предлагаемым устройством имеет существенное преимущество, так как позволяет с высокой разрешающей способностью измерять температуру поля поверхности, что повышает достоверность экспериментального определения коэффициента теплопроводности и оценки эффективности тонкостенных ТЗП, толщина которых измеряется микронами.

1. Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий (ТЗП), заключающийся в нагреве поверхности образца пластины с ТЗП и одновременным охлаждением воздухом обратной стороны поверхности без ТЗП, отличающийся тем, что проводят испытания в два этапа, на первом этапе равномерно нагревают всю внешнюю поверхность плоскости образца без ТЗП, одновременно охлаждают обратную сторону образца пластины холодным воздушным потоком в вентиляционном канале и измеряют температуру воздуха - T_вi от входа до выхода вентиляционного канала проводят измерения до достижения стационарного теплового режима, производят бесконтактное измерение температурных полей на внешней поверхности и на обратной стороне образца пластины соответственно,
T_1i, T_2i по измеренным температурам в одинаковых координатных в i-х точках поверхностей пластины исследуемого образца на основе уравнений теплового баланса производят расчет коэффициента теплоотдачи с учетом конвекции и влияния излучения на температуру внутренней стенки образца по формуле:

где λ₀ - коэффициент теплопроводности образца; δ₀ - толщина образца; на втором этапе испытания наносят ТЗП на внешнюю поверхность образца, повторно проводят измерения в вентиляционном канале температуры T_вi2, бесконтактное измерение температурных полей на внешней и на внутренней сторонах Т_тзп1i, Т_2i2 образца с ТЗП, производят расчет внутренней температуры T_тзпхi поля на границе соприкосновения поверхностей ТЗП с поверхностью образца в соответствии с формулой:

и затем определяют коэффициент теплопроводности покрытия ТЗП в i-й точке поверхности, рассчитанный по следующей формуле:

определяют среднее значение λ_тзп по площади нагрева F, рассчитываемое как

2. Устройство для определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий, содержащее испытываемый образец с ТЗП и без ТЗП, установленный на стенке, нагреватель, измерители температуры воздушного потока и температуры образца, отличающееся тем, что в него дополнительно введен теплоизолированный вентиляционный канал со съемной боковой стенкой, в которой установлен проверяемый образец, поверхность которого с ТЗП расположена снаружи канала, а поверхность без ТЗП обращена во внутрь канала, в параллельной ей противоположной стенке канала выполнен вырез в виде прямоугольного окна, в котором установлено ИК - прозрачное стекло, напротив исследуемых поверхностей образца снаружи канала установлены компьютерные термографы, при этом для подогрева поверхности плоскости образца с ТЗП используют нагреватель с постоянной температурой, а для охлаждения образца с обратной стороны используют поток холодного воздуха.