Full-scale-model tests of materials and coatings at simulation of intense radiation and convective heat transfer of heat power equipment elements

Full Text

Улучшение термостойкости теплозащиты элементов теплоэнергетического оборудования, повышение эффективности и сокращение выбросов токсичных газов для двигателей и турбин, высокоскоростных дизельных двигателей в течение длительного периода функционирования является актуальной задачей. Но до сих пор не получила широкого применения корректная оценка параметров сложного теплообмена с существенной долей лучистой компоненты, например, в теплоизолированных камерах сгорания дизелей [1, 2]. Подобная проблема актуальна в других областях машиностроительного производства, например, при разработках авиационных двигателей [3 - 5]. Это предопределяет разработку термобарьерных (теплозащитных, теплоизолирующих) материалов и покрытий как непрозрачных, так и полупрозрачных при сложном теплообмене для теплонагруженных элементов различных теплоэнергетических установок и транспортных средств [4 - 7]. Важным этапом разработок новых и штатных конструкционных материалов является проведение экспериментальных исследований их тепловых режимов в модельных условиях эксплуатации [8 - 11]. С этой целью Университетом машиностроения совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана была разработана установка имитации высокоинтенсивного радиационно-конвективного воздействия, характерного для камер сгорания быстроходных дизельных двигателей [12]. Установка предназначена для диагностики характеристик термопрочности и термостойкости металлов, композиционных и керамических материалов, покрытий, а также возможно применение для создания и обработки керамических и композиционных материалов, например, методом селективного лучевого спекания, а также для нагрева поверхностей различных объектов до требуемой температуры методом лучистого и конвективного теплообмена. Рассмотренный терморадиационный метод обработки и испытания металлов и материалов в заданном спектральном диапазоне длин волн позволяет создать установку светолучевых испытаний и обработки. Установка сконструирована на основе комплекса мощных водоохлаждаемых трубчатых галогенных ламп. Эти лампы генерируют заданный селективный поток излучения, близкий по спектру собственной терморадиации элементов различного энергетического оборудования и/или внешней среды, для обеспечения натурно-модельных испытаний облучаемых искусственных и естественных материалов и сред [13 - 16]. Основные эксплуатационные характеристики автомобилей с поршневыми и роторно-поршневыми двигателями регистрируются с помощью моторных стендов. При контрольных испытаниях определяются: · внешние скоростные характеристики мощности; · нагрузочная характеристика при нескольких различных частотах вращения; · характеристики холостого хода. Особенности конструкции теплоизолированных фрагментов и деталей камеры сгорания дизелей при установившихся, неустановившихся и переходных режимах обуславливают резкие колебания теплоподвода и теплоотвода. Это приводит к неравномерному распределению температур в основных деталях цилиндра и перегреву их отдельных зон. Периодический характер протекания рабочего процесса предопределяет пульсирующее воздействие тепловых потоков на детали цилиндра. Так, в течение каждого термодинамического цикла наблюдаются колебания температуры рабочего тела в цилиндре от наименьшей величины 290 - 340 К во время наполнения цилиндра до максимальной величины во время сгорания 2300 - 2500 К. Рисунок 1. Сравнение элементов теплового баланса действующего экспериментального стенда радиационного и конвективного нагрева исследуемых материалов (см. фотографии слева) с модельным сложным теплообменом в теплоизолированной камере сгорания дизеля (см. принципиальную схему справа) Таких циклов в цилиндре быстроходного дизеля на эксплуатационных режимах работы реализуется от 5 до 20 в секунду. В каждом цикле сочетаются все три основные формы теплопередачи: лучеиспускание, теплопроводность и конвективный теплообмен, которые взаимодействуют и создают сложную картину процесса теплопередачи. Таким образом, проведение полной диагностики тепловых режимов является сложным процессом [8 - 10, 19]. Для выбора требуемого режима испытаний можно также провести предварительные теоретические оценки тепловых режимов, но начальные и граничные условия, как правило, или неопределенны [8 - 11, 16 - 18], или требуют отдельного исследования [19]. Поэтому требуется вводить в практику натурных испытаний двигателя предварительный этап (предшествующий тестированию на традиционных моторных стендах) натурно-модельных испытаний и физического моделирования процессов воздействия лучистых и конвективных компонент теплового потока на прогрев или плоских образцов конструкционных материалов, или полноразмерных элементов камеры сгорания (рисунок 1). Экспериментальный стенд радиационно-конвективного нагрева Методология моделирования конвективного нагрева материалов различных изделий является хорошо исследованным процессом и применяется с использованием различных теплоэнергетических стендов в авто-, авиа- и космической индустриях [8 - 10, 19 - 23]. Принципиальные технологические проблемы возникают при создании искусственных источников высокоинтенсивного излучения [4, 5, 19, 24, 25]. Первоначально в качестве источников излучения применяли угольно-дуговые лампы, достаточно хорошо имитировавшие спектральное распределение энергии в диапазоне длин волн ~ 0,4 - 2 мкм, где недостаток мощности можно было компенсировать с помощью дополнительных источников. Однако этот вид ламп имел ряд существенных недостатков: в частности, из-за быстрого сгорания положительного электрода (для дуги мощностью 10 кВт скорость сгорания составляла 0,5 м/ч). Постоянно приходилось заменять электрод новым. Кроме того, механизм его подачи достаточно сложен, нужно было защищать элементы оптической системы (зеркала, отражающие и преломляющие свет, линзы и пр.) от загрязнения продуктами сгорания. Поэтому начали применять лампы с газовым наполнением (ксеноновые, ртутно-ксеноновые), сочетающие в себе яркость угольной дуги с удобством эксплуатации. Вместе с тем и эти лампы имели недостатки. Так, в видимой и ИК областях спектра они имитировали излучение хуже, чем угольно-дуговые лампы. В процессе развития оба типа ламп совершенствовались - разрабатывался нерасходуемый отрицательный электрод в угольно-дуговой лампе, улучшалась имитация заданного спектра за счет введения дополнительных газов в ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы и т.д. Иногда исследователи идут по пути совмещения работы нескольких (обычно двух) типов источников излучения. Один из них обеспечивает воздействие в разных областях спектра: в УФ - ртутные газоразрядные лампы; в видимой и ИК областях спектра - кварцевые вольфрам-галогенные лампы. Это позволяет добиться лучшего согласования с условиями реального воздействия излучения. Модельный терморадиационный нагрев (характерный для теплоизолированных камер сгорания быстроходных дизелей) может быть обеспечен источником излучения с плотностью подводимого теплового потока ~ 1 - 2 МВт/м2 на поверхности с площадью в сотни см2. Подобные испытания проводятся при разработках авиационной и ракетно-космической техники [4, 5, 24 - 27]. В практике высокотемпературных теплопрочностных испытаний авиационно-космических конструкций с развитой поверхностью нагрева широко используют блоки трубчатых галогенных ламп накаливания с кварцевой колбой, однако, даже при использовании наиболее мощных (по удельной мощности на единицу длины) ламп, значения достижимых температур не превышают ~ 1600 - 1700 K. В связи с этим при тепловых и теплопрочностных испытаниях конструкций предлагается применять принцип зонного нагрева с использованием блоков трубчатых водоохлаждаемых газоразрядных источников излучения. Каждый из них обеспечивает нагрев до достижимого уровня температур в своих зонах, т.е. в зонах с температурами не более 1600 - 1700 K использовать нагревательные блоки обычных одно оболочечных ламп, а в зонах с большими температурами - водоохлаждаемые газоразрядные лампы (источники излучения ГИИ), позволяющие генерировать потоки излучения плотностью более 2 МВт/м2 и с температурами до ~ 2500К [28]. Возможность реализации такого подхода подтверждается проведенными исследованиями и опытом применения указанных источников излучения для испытаний теплонапряженных конструкций.

About the authors

V. G Merzlikin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

+7 909 989-55-32

A. D Maximov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

+7 909 989-55-32

V. A Tovstonog

Bauman Moscow State Technical University

+7 909 989-55-32

I. N Krokhalev

Berg Central scientific-research Institute of Radio Engineering

+7 909 989-55-32

References

Supplementary files