Натурно-модельные испытания материалов и покрытий при имитации интенсивного радиационно-конвективного теплообмена элементов теплоэнергетического оборудования. Часть 2. Физико-технические характеристики теплового стенда тестирования материалов и покрытий теплоизолированной камеры сгорания дизеля

Полный текст

Представленная концепция экспериментального стенда радиационно-конвективного нагрева [1] позволяет предложить методологию тепловых модельных (близких к натурным) испытаний материалов и покрытий для теплоизолированной камеры сгорания быстроходных дизелей. Станет возможным проведение исследований процессов генерации комбинированного теплового потока с моделированием спектрального распределения лучистой компоненты, ее частоты и сдвигов по фазе относительно конвективной составляющей, соответствующих заданным эксплуатационным режимам при имитации сложного теплообмена с существенной долей лучистой компоненты [2, 3]. В рассматриваемом тепловом стенде (рисунок 1) излучатель тепловой энергии выполнен в виде унифицированного однолампового модуля (на основе водоохлаждаемой ксеноновой лампы), снабжённого отражателем в виде полого корпуса с патрубками для подвода и отвода хладагента. Излучение ксеноновой лампы генерируется в диапазоне длин волн 0,3 - 1,5 мкм со значительными локальными максимумами в ближней ИК области (левый спектр на рисунке 1) с интегральным тепловым потоком излучения до ~ 105 Вт/м2. Это совпадает со спектром излучения раскаленных частиц сажи в теплоизолированной камере сгорания дизеля. Поток излучения может быть увеличен до нескольких МВт/м2 за счет применения набора ламп с водоохлаждаемыми рефлекторами (на рисунке 1 показан один модуль). Рисунок 1. Принципиальная схема теплового стенда имитации лучисто-конвективного воздействия в теплоизолированной камере сгорания дизельного двигателя Для этапа спектральной селекции терморадиационных потоков используются дисперсные фильтры, поглощающие и незначительно рассеивающие лучистую энергию в заданном диапазоне длин волн. Первый фильтр сконструирован для селективного ослабления излучения в видимой части спектра излучения ксенона слабо рассеивающими и поглощающими частицами неорганического пигмента, например, частицами окиси алюминия в составе проточного хладагента (средний спектр на рисунке 1). Выбор требуемого размера частиц и их концентрации основан на применении разработанных методов решения уравнений переноса излучения [4] в полидисперсной среде, характеристики которой оцениваются с использованием теории рассеяния Г. Ми [5]. Например, полидисперсные частицы корунда с размерами в диапазоне 1 - 10 мкм могут обеспечить заданное ослабление излучения в видимой части спектра [6]. С этой целью средство для подвода и отвода хладагента снабжено каналом ввода пигмента-поглотителя с изменяющейся объемной концентрацией до 10%, определяемой условиями селекции исходного излучения Хе-лампы (1-й динамический спектральный фильтр на рисунке 1). Второй этап селективного ослабления излучения обеспечивается вторым фильтром за счет легирования слабо рассеивающими и сильно поглощающими инородными примесями в составе внешней полупрозрачной оболочки (2-й статический спектральный фильтр). Двухоболочечная высокоинтенсивная газоразрядная трубчатая лампа может быть изготовлена из кварцевого стекла (лейкосапфира) с показателем поглощения не более 0,3 м-1 и показателем рассеяния менее 0,01 м-1 [7, 8]. При легировании оболочки добавками инородных слабо рассеивающих и сильно поглощающих примесей (например, оксиды циркония, алюминия, кремния) должно обеспечиваться ослабление излучения Хе-лампы в видимом и частично ИК диапазонах (см. левый спектр на рисунке 2). Для эффективного охлаждения стеклянных оболочек газоразрядных ламп коэффициент теплопроводности должен быть не менее 1,5 Вт/(м·K) [9] . Рисунок 2. Схема стенда моделирования конвективного нагрева и лучистого теплового воздействия с помощью высокоинтенсивной газоразрядной ксеноновой лампы со спектром, формируемым полидисперсными спектральными динамическим (1) и статическим (2) фильтрами Интегральный тепловой поток, воздействующий на тестовый образец, формируется совместно с заданным конвективным потоком при обдуве поверхности тестируемого образца высокотемпературными газами. Имитация временного режима нагрева обеспечивается заданной импульсно-периодической силовой электрической нагрузкой для ксеноновой лампы с согласованием по частоте и сдвигу фазы лучистых и конвективных компонент, соответствующих модельных индикаторных диаграмм дизеля. Технические характеристики установки [10 - 13]: · модульный принцип размещения нагревательных элементов, что позволяет обеспечивать наилучшее соответствие распределения тепловых потоков натурным (реальным) распределениям; · автоматическая регулировка в процессе теплового воздействия как нагревательных элементов индивидуально для облучаемых поверхностей объекта, так и взаимного расположения набора отдельных модулей. Это позволяет, например, моделировать изменение тепловых нагрузок при изменении угла атаки, когда изменяется режим нагрева поверхностей объекта, а также оценивать влияние манёвренности объекта на его характеристики в широком диапазоне режимов эксплуатации двигателя (турбины); · совмещение моделирования условий нагрева с одновременным силовым и динамическим воздействием путём приложения силовых статических сосредоточенных (точечных) и распределённых нагрузок в заданных точках (узлах) или областях поверхностей объекта, что позволяет приблизить условия испытаний к различным режимам эксплуатации, вплоть до натурной имитации тепловых потоков по величине и времени воздействия. Предлагаемый способ тепловых испытаний материалов и изделий реализуется следующим образом: · размещают и регулируют положение различного размера панелей терморадиационных нагревателей относительно криволинейных поверхностей объекта, до их облучения; · терморадиационные нагреватели размещают набором отдельных модулей, индивидуально для каждой облучаемой поверхности объекта; · устанавливают параметры теплового воздействия, как по величине теплового потока, так и по требуемому диапазону длин волн; · регулируют положение терморадиационных нагревателей относительно облучаемых поверхностей объекта (в процессе теплового воздействия для достижения требуемых его параметров) как индивидуально, так и изменением взаимного расположения отдельных модулей по результатам контроля температурными датчиками; · одновременно с тепловым воздействием осуществляют контролируемые воздействия на поверхности объекта силовыми и динамическими нагрузками, а также окислительной средой; · воздействие окислительной средой осуществляют на режимах, приближённых к натурной эксплуатации поверхностей объекта; · силовые и динамические воздействия в условиях окислительной среды осуществляют путём приложения силовых статических сосредоточенных (точечных) и распределённых нагрузок в заданных точках (узлах) или областях поверхностей объекта; · режимы силовых, динамических воздействий и окислительной среды выбирают с учётом условий теплового воздействия на облучаемые поверхности объекта. Согласно заложенному в предлагаемом способе принципу испытаний материалов и изделий, реализуются и режимы испытаний в условиях воздействия вибрации с параметрами частоты и амплитуды воздействий, соответствующих натурным режимам, что позволяет определять спектр собственных частот всего изделия, в том числе и в условиях нагрева. Таким образом, реализация одновременного теплового, силового и динамического воздействий в режимах, соответствующих натурным, позволяет получать функциональные характеристики объекта и существенно сокращать стоимость создания реальных образцов. Воздействия одновременно с ранее указанными факторами окислительной средой на поверхности (реальных размеров) с нанесёнными защитными покрытиями позволяют оценить стойкость этих покрытий на режимах, соответствующих условиям эксплуатации (что невозможно осуществить на малых (лабораторных) образцах, когда проявляется масштабный эффект). На малых образцах и реальных поверхностях (в силу существенного различия их резонансных частот), покрытие (в условиях воздействия совокупности тепловых, силовых и динамических нагрузок) может иметь совершенно разные характеристики стойкости (расслоение, отслоение и т.п.). Возможность многократного повторения испытания при вариации режимов моделирования внешних условий воздействия повышает их эффективность, чего нельзя достичь, например, при ограниченном числе испытаний на моторном стенде в силу их большой трудоемкости и высокой стоимости. Заключение Предлагаемый метод и разрабатываемая на его основе установка обеспечивают уникальные тепловые режимы лучистого воздействия в заданных спектральных диапазонах (в интервале ~ 0,3 - 2 мкм) с плотностью потока излучения до 4 МВт/м2 моделируемых тепловых источников на значительных (десятки кв. см) площадях нагрева с возможностью дополнительной конвективной, кондуктивной, силовой нагрузок и обеспечивают стендовые теплопрочностные испытания, физическую диагностику, а также становится возможна реализация режима лучевой обработки (формообразования) фрагментов изделий и деталей машин. Разработанная установка позволяет впервые получить интенсивный модельный во времени и в пространстве лучистый нагрев (подобно лазерному или солнечному), но на больших площадях облучения: · крупногабаритных изделий (стенок камер сгорания печей, дизелей и турбин, оболочек ловушек перегретого теплоносителя ядерных реакторов, корпусов летательных аппаратов при аэродинамическом нагреве излучением погранслоя и пр.); · значительных природных образований (фрагментов биологических, снежно-ледяных массивов и мёрзлых грунтов, водных бассейнов и пр.) при моделировании заданного селективного спектра внешних терморадиационных источников (различного рода ИК-нагревателей, солнца, природных и промышленных пожаров и пр.). Применяемые для данной установки методики натурно-модельных испытаний или технологии формообразования материалов и сред (при имитации заданного режима терморадиационного и конвективного воздействия) позволяют решать многие актуальные естественнонаучные проблемы и научно-технические задачи [14 - 20]: 1) создание и тестирование новых и штатных материалов тепло-огнезащитных спецсредств, термостойких (термобарьерных, теплозащитных и теплоизолирующих) материалов и покрытий элементов теплоэнергетического оборудования и транспортных средств, включая аэрокосмические (особенно для перспективных разработок нового поколения космических самолетов); 2) разработка технологии получения медицинских керамических и керамометаллических биосовместимых имплантатов, ИК термообработки пищевых продуктов и пр.; 3) прогнозирование и анализ процессов и явлений, обусловленных терморадиационным воздействием техногенных и природных источников излучения, включающих: o выбор режимов эксплуатации промышленных и транспортных объектов и их влияние на природную среду при соответствующих экологических ограничениях, o оценку влияния катастрофических пожаров на природные среды, промышленные и бытовые сооружения, o изучение процессов непрерывного (импульсно-периодического) солнечного облучения различных объектов, в частности, представляющих особый интерес - космических, арктических и антарктических станций и оборудования, загрязненных ледников и морских акваторий и др. Кроме того, данная установка позволит исследовать оптические и терморадиационные характеристики тестируемых материалов и сред путем диагностирования вариаций их спектральных пропускательных (отражательных) способностей в зависимости от спектров моделируемой терморадиационной лучистой нагрузки внешней среды. Предлагаемое техническое решение позволяет сократить количество натурных испытаний изделий машиностроительного производства и транспортных средств, например, гиперзвукового космического самолета, натурные испытания которого в настоящее время ограничиваются однократным пуском и являются чрезвычайно дорогостоящей разработкой. Указанный способ позволяет смоделировать возникающие тепловые нагрузки с применением тепловых стендов различного назначения в условиях, характерных для машиностроительного производства, эксплуатации деталей машин, энергетического оборудования и транспортных средств (включая аэрокосмические), тестирование которых в реальных условиях невозможно или сопряжено с существенными эксплуатационными, техническими и технологическими проблемами и ограничениями.

Об авторах

В. Г Мерзликин

Университет машиностроения; МГТУ им. Н.Э. Баумана

(495) 223-05-23, доб. 1327

А. Д Максимов

Университет машиностроения

(495) 223-05-23, доб. 1327

В. А Товстоног

Университет машиностроения; МГТУ им. Н.Э. Баумана

(495) 223-05-23, доб. 1327

К. В Чирин

Университет машиностроения; МГТУ им. Н.Э. Баумана

(495) 223-05-23, доб. 1327

Р. Н Абдулмянов

Университет машиностроения; МГТУ им. Н.Э. Баумана

(495) 223-05-23, доб. 1327

Список литературы

Дополнительные файлы