CC BY
10УДК 533.9.07
М.Х. Гаджиев, А.С Тюфтяев, М.А. Саргсян, Н.А Демиров, В.В. Щербаков
Диагностический комплекс для исследования взаимодействия плазменной струи
с термостойкими материалами
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН; Россия, 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2; makhach@mail.ru
Сконструирован автоматизированный экспериментальный стенд для исследования воздействия высокоэнтальпийной плазменной струи, создаваемой плазмотроном постоянного тока с расширяющимся каналом выходного электрода, на мишень из термостойкого материала, позволяющий методами скоростной визуализации, микропирометрии, лазерной профилометрии, спектроскопии и стереоскопии получить данные о характере изменения во времени и пространстве поля температур на поверхности образца, о динамике убыли материала, об изменениях параметров (температура и концентрация электронов, температура тяжелых частиц) набегающей на образец плазменной струи.
Ключевые слова: плазмотрон, спектроскопия, микропирометрия, сублимация
Введение
При проведении теплоэрозионных испытаний термостойких материалов необходимо осуществлять измерение таких важнейших свойств, параметров и характеристик взаимодействующей нестационарной системы «высокоэнтальпийная плазменная струя -исследуемый образец», как энтальпия плазмы в набегающем потоке, скорость и температура плазменного потока и их пространственные распределения, падающий на образец тепловой поток (кВт/см2), температура поверхности образца, унос (убыль) массы образца и др. [1-5].
Методика эксперимента и результаты
Для проведения столь широкого класса измерений создан автоматизированный экспериментальный комплекс (рис. 1), позволяющий изучать динамику взаимодействия и видоизменений системы «набегающий поток - исследуемый образец» калориметри-рованием, высокоскоростной синхронизованной видеорегистрацией, микропирометрией, лазерной профилометрией и спектроскопией излучательных характеристик плазмы и образца.
В качестве источника высокоэнтальпийного плазменного потока используется разработанный генератор низкотемпературной плазмы (ГНП) с расширяющимся каналом выходного электрода [6-8], позволяющий получать на выходе слаборасходящуюся (2а = 120) плазменную струю различных газов (аргон, азот, воздух) диаметром D = 5^12 мм с энтальпией 5^50 кДж/г и среднемассовой температурой 5^10 кК, при полной электрической мощности дугового разряда 5^50 кВт и расходе плазмообразующего газа 1^3 г/с. Для определения достижимых уровней удельных тепловых потоков плазмы были выполнены калориметрические измерения тепловых потоков, поступающих на поверхность многосекционного торца медного калориметра от плазменной струи для различных значений силы тока, расстояния от среза сопла плазмотрона и расхода газа.
777777777777777
Рис. 1. Синхронизированная система измерений: 1 - плазмотрон, 2 - высокоскоростной микропирометр, 3 - образец, 4 - цилиндрическая линза, 5 - телескоп, 6 - импульсно-периодический лазер, 7 - светофильтр, 8 - MS-257-Andor, 9 - черно-белая высокоскоростная камера VS-Fast, 10 - треки частиц, 11 - пограничный слой, 12 - 3-канальный спектрометр AvaSpec2048, 13 - одноканальный спектрометр AvaSpec3648, 14 - видео-камера Motion Pro, 15 - нейтральный светофильтр, 16 - интерференционный фильтр, 17 - система синхронизации (генератор управляющих импульсов)
Например, для плазмы аргона удельный тепловой поток в зависимости от условий эксперимента меняется в пределах 0.02^1.5 кВт/см2. В рамках проверки разгонных характеристик профилированного сопла плазмотрона, а также скорости истечения газа были проведены эксперименты по измерению полного давления с помощью трубки Пито, представлявшей собой изогнутую капиллярную трубку, заключенную в медный корпус, который охлаждался проточной водой. Непосредственно давление измерялось токовым датчиком Honeywell Eclipse OEM Pressure Transducer с рабочим диапазоном P = 0.. .20,413 атм с холостым током i0 = 4 мА и линейной зависимостью перепада давления от тока dP/di = 1,2927-108 Па/А. Ток измерялся цифровым микроамперметром с точностью Si = 1 мкА [9]. Измерения показали, что в плазме аргона с учетом зависимости удельной теплоемкости, показателя адиабаты и скорости звука от температуры [ 1012], на расстоянии 0^30 мм от среза сопла приосевая скорость плазменной струи меняется в пределах 1000^300 м/с.
Видеонаблюдение за взаимодействующей системой «набегающий высокоэнталь-пийный плазменный поток - сублимирующий термостойкий образец» проводится с помощью синхронизованных высокоскоростных камер с трехцветной матрицей Motion Pro X3 (США) и VS-Fast, которые обеспечивают регистрацию в масштабе 1:3 изображения области взаимодействия «струя - исследуемый образец» в течение всего периода наблюдения с пространственным разрешением около 30 мкм.
Микропирометрия выбранной зоны (диаметром 1.5^2 мм) на поверхности образца с целью измерения локальных значений яркостной температуры проводится высокоскоростным (временное разрешение - до 1 p,s) трехдлиноволновым микропирометром FMP1001 с температурным диапазоном 1200^5000 К [13].
Для измерения скорости уноса массы образца в работе, помимо оценочного метода взвешивания, используются методы «лазерного ножа» и двухпозиционной томографии. Импульсный лазер LCM-DTL-319QT с частотой импульсов до 10 кГц, длительностью импульса 7 нс, длиной волны 527 нм и с энергией в импульсе 100 мкДж с системой фокусировки (телескоп и цилиндрическая линза) формирует в зоне поверхности образца «лазерный нож» шириной 1 мм и высотой 20-25 мм.
С помощью двухпозиционной стереоскопии синхронизованными видеокамерами Phantom и VS-Fast (частота кадров - 30-50 с-1, время экспозиции - 10-100 мкс) устанавливается изменение во времени границ образца и, в конечном счете, его изменяющийся объем. Тем самым устанавливается составляющая убыли материала образца во времени. Одновременно с двухпозиционной визуализацией третья скоростная камера Motion Pro в режиме 10 кадров в секунду и экспозицией 1 мкс регистрирует след «лазерного ножа» на поверхности образца, углубляющийся по мере сублимации из кратера. При этом для определения температуры поверхности образца в области кратера и вне его в световые тракты видеокамер периодически вводятся интерференционные фильтры 590 нм и 525 нм с полосой пропускания SXj/2 = 10 нм [14], последний одновременно позволяет улучшить «контрастность» наблюдения следа «лазерного ножа». Пример видеокадров при токе 200 А представлен на рис. 2.
Спектральные измерения выполняются с помощью трехканального и одноканаль-ного оптоволоконных спектрометров AvaSpec 2048 и AvaSpec 3648. Одноканальный оптоволоконный спектрометр AvaSpec2048 со спектральным разрешением около 1 нм выполняет мониторинг излучения плазмы из приповерхностной зоны образца в спектральном диапазоне 240^1000 нм. Измерения обеспечивают контроль временного изменения (с периодичностью 2^4 спектр/с) плазмохимического состава и параметров плазмы в зоне ее взаимодействия с образцом (AZ « 2^3 нм над поверхностью). Трехка-нальный оптоволоконный спектрометр AvaSpec 3648 с диапазоном 220^1100 нм и спектральным разрешением 0,2^0,5 нм регистрирует излучение плазмы в невозмущенной зоне набегающего потока (AZ « 0^15 мм от среза выходного отверстия плазмотрона), а также в зоне взаимодействия с образцом (AZ « 18^20 мм). Для получения этих спектров излучения плазмы и нагреваемого образца на выбранном расстоянии Z от среза сопла плазмотрона с помощью кварцевого конденсора f = 250 мм формировалось резкое изображение светящегося объекта в масштабе 1:2. Входной торец световода AvaSpec 3648, перпендикулярный плоскости этого изображения, может перемещаться в этой плоскости, вырезая коллиматорным отверстием диаметром 1 мм интересующую нас зону свечения области взаимодействия «плазма - мишень».
Для юстировки аппаратуры и апробации методики измерений было проведено предварительное исследование разрушения изотропного графита марки МПГ-6 (23^23x16 мм) под действием химически неактивной плазмы аргона [15]. Иллюстра-
цию скоростной видеорегистрации процесса взаимодеиствия плазмы с поверхностью образца без интерференционного фильтра и с фильтром, а также с использованием «лазерного ножа» см. на рис. 2.
Рис. 2. Свечение образца с лазерной подсветкой и его преобразование в поле температур (ток дуги 200 А, экспозиция видеосъемки 1 мкс): а) без фильтра; б) с фильтром 525 нм; в) «лазерный нож» без фильтра; г) «лазерный нож» с фильтром
В течение измерительного цикла при различных фиксируемых координатах регистрировалось несколько сот спектров излучения плазмы или образца с экспозицией 1^10 мс и пространственным разрешением около 1 мм. Для получения абсолютных интенсив-ностей излучения с помощью тождественной оптической схемы регистрировался спектр эталонного источника - ленточной вольфрамовой лампы с яркостной температурой 2200^2500 К. Регистрация этих спектров с частотой 2^4 кадра в секунду дает детальное представление об изменении спектрального состава плазмы и интенсивности ее излучения на протяжении всего цикла взаимодействия [16]. Примеры характерных спектров представлены на рис. 3. Температура электронов плазмы [17], измеренная методом относительных интенсивностей линий Аг I и Аг II на разных расстояниях от мишени, составляет 1,0^1,1 эВ.
о о
X
CQ S
о
X
<D
к
to
X
-О
с; ф
о о х
10000 ->
8000-
6000 ■
4000 -
2000 -
АгI555 87 Ar I 549.59 | Ar I 545.17
Ar I 420.07 t
RE ^Аг I 42Е
I
I
CN
М „
LA-Г t \
j /'Ar 1451.07
I Аг I 430.01
А!
Ar I 560.67
/
Ar I 603.21 Ar I 604.32 Аг I 591.21 Аг I 605.ЭЗ Ar I 5SB.36 (
' Аг I 610.57
I
573BS
\Д/
Ч
Аг I 617.31
/
/
350 400 450 500 550
Длина волны, нм
600
650
Рис. 3. Характерные спектры излучения плазмы (ток дуги 200 А)
Заключение
Первые экспериментальные исследования показали, что на графитовый образец, находящийся на расстоянии 20 мм от среза сопла, в зависимости от расхода газа и силы тока разряда воздействует поток плазмы аргона со скоростью 500^700 м/c, температурой Te ~ 10^12 кК и концентрацией электронов ne ~ 1015^6-1016 см-3, который в течение первых 10^12 с разогревает поверхность образца до температуры 2000^2500 К [18], что приводит к интенсивной сублимации графита со средней скоростью убыли массы с поверхности образца 0,002 г/см2с. При этом скорость сублимации в области прямого плазменного воздействия на графит в 2^-2,5 раза выше.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП RFMEFI60414X0090.
Литература
1. ЩетинковЕ.С. Физика горения газов. - М.: Наука, 1965. - 739 с.
2. Машиностроение. Теоретическая механика, термодинамика, теплообмен / под ред. акад. К.С. Колесникова, акад. А.И. Леонтьева. - М.: Машиностроение, 2000. Т. 1-2.
3. Михатулин Д.С. Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Теплообмен, термохимическое и термоэрозионное разрушение тепловой защиты. - М.: Янус-К, 2011. - 520 с.
4. Суржиков С.Т. Расчетное исследование аэротермодинамики гиперзвукового обтекания затупленных тел на примере анализа экспериментальных данных. - М.: Изд-во ИПМех РАН, 2011. - 192 с.
5. Железнов Ю.А., Хомич В.Ю. Реализация нового метода оптической диагностики плазмы в электрофизических установках // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32. - Вып. 3. -С. 90-94.
6. Тюфтяев А.С. Особенности электрического разряда в плазмотроне с расширяющимся каналом выходного электрода // ТВТ. - 2013. - Т. 51, № 2. - С. 183-190.
7. GadzhievM.Kh., TereshonokD.V., TyuftyaevA.S., SargsyanM.A. Investigation of the argon arc binding to the lanthanated tungsten cathode // EPL. - 2015. - Vol. 111.
8. Гаджиев М.Х., Исакаев Э.Х., Тюфтяев А.С., Юсупов Д.И. Мощный генератор низкотемпературной плазмы воздуха с расширяющимся каналом выходного электрода // Письма в ЖТФ. - 2016. - № 2. - С. 44-49.
9. Gadzhiev M.Kh., Kulikov Y.M., Panov V.A., Son E.E. and Tyuftyaev A.S. Supersonic Plasmatron Nozzle Profiling with the Real Properties of High Temperature Working Gas // High Temperature. - 2016. - Vol. 54. Issue 1. - Р. 38-45.
10. Дресвин С.В., Иванов Д.В., Физика плазмы учеб. пособие. - СПб.: Изд-во По-литехн. ун-та, 2013. - 544 с.
11. Kian Eisazadeh-Far, Hameed Metghalchi, James C. Keck. Thermodynamic Properties of Ionized Gases at High Temperatures // Journal of Energy Resources Technology. - 2011. - Vol. 133 / 022201-1.. .6.
12. Tanaka M., Tashiro S., Satoh T., Murphy A. B. and Lowke J.J. Influence of shielding gas composition on arc properties in TIG welding // Science and Technology of Welding and Joining. - 2008. - Vol. 13, № 3. - Р. 225-231.
13. Сенченко В.Н. Новые приборы и методы оптической пирометрии для научных и промышленных применений // Труды 4-й Всероссийской конференции "Температура-2011", апрель 2011 г., Санкт-Петербург // temperatures.ru>pdf / abstracts2011pdf. - С. 23.
14. Горячев С.В., Исакаев Э.Х., Мясников М.И., Чиннов В.Ф. Исследование полей температуры поверхности вольфрамового катода сильноточной дуги с помощью высокоскоростной матрицы // ТВТ. - 2008. - Т. 46, № 6. - С. 1-6.
15. Станкус С.В., Савченко И.В., Агажанов А.Ш., Яцук О.С., Жмуриков Е.И. Теп-лофизические свойства графита МПГ-6 // ТВТ. - 2013. - Т. 51, № 2. - С. 205-209.
16. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. - М.: Наука, 2006. -
472 с.
17. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. - М.: Наука, 1982. - 378 с.
18. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. - М.: Физматлит, 2012. - 248 с.
Поступила в редакцию 21 декабря 2015 г.
UDK 533.9.07
Diagnostic complex to study the interaction between plasma stream and thermo-resistant material
M.Kh. Gadzhiev, A.S. Tyuftyaev, M.A. Sargsyan, N.A. Demirov, V. V. Scherbakov
Federal State Budgetary Scientific Institution; Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences (JIHT); Russia, 125412, Moscow, Izhorskay st., 13, Bd. 2; mak-hach@mail.ru
The article focuses on the research of experimental complex designed and constructed to study the interaction of high enthalpy plasma stream with the sample of thermo-resistant material. The plasma stream is created by БС plasma torch with divergent channel of an output electrode. Using the methods of high speed imagery, micropyrometry, laser profiling, spectroscopy and stereoscopy the data on the temperature field distribution on the sample surface, rate of particulate mass loss of the sample, changing parameters (electron temperature, particle temperature and electron density) of plasma stream are provided.
Keywords: plasma torch, spectroscopy, micropyrometry, sublimation.
Received 21 December, 2015
