CC BY
15
УДК 536.21
А. Р. Лепешкин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В ПОЛЕ ДЕЙСТВИЯ ВИБРОУСКОРЕНИЙ
Ключевые слова: температуропроводность, виброускорения.
Предложена методика исследования температуропроводности и теплопередачи в металлических материалах в поле действия виброускорений. Разработано устройство для определения указанных характеристик на вибростенде в поле действия виброускорений. Приведены результаты исследований нестационарного нагрева и температуропроводности теплопроводников из разных металлических материалов при воздействии виброускорений.
Keywords: thermal conductivity, vibration acselerations.
A method for the study of the thermal conductivity and heat transfer in metal materials in the field of vibration accelerations is proposed. A device for the determination of these characteristics on a vibration rig in the field of action of vibration accelerations is developed. The results of investigations of nonstationary heating and thermal conductivity of the heat conductors from different metal materials under influence vibration accelerations.
Введение
Для оценки теплового состояния различных деталей машин (1, 2) требуется знание теплофизиче-ских свойств материалов, в частности, температуропроводности.
Исследование температуропроводности металлических материалов в поле действия ускорений и сил является новой фундаментальной проблемой и имеет важное значение для авиакосмической техники.
Развитие авиадвигателей устойчиво идёт по пути повышения температуры газа перед турбиной. Однако, разработка двигателей пятого поколения, как в России, так и за рубежом наталкивается на серьёзные трудности при освоении более высоких температур. Тепловые расчёты ГТД и их элементов выполняются по классическим моделям и во многих случаях плохо согласуются с экспериментом. Максимальные измеренные температуры на реальных объектах значительно превышают расчетные величины, что не обеспечивает необходимую прочность, надёжность и ресурс деталей перспективных авиадвигателей. При оценке температурного состояния деталей ротора турбины используются коэффициенты теплопроводности, которые были получены в стационарных условиях земного тяготения ^=1) на ненагруженных образцах.
В реальных условиях лопатки турбин работают при значительных виброускорениях и изменение температуропроводности материала в этих условиях можно ожидать существенным. Вероятно, неучет этого обстоятельства приводит к дополнительному различию температурных полей лопаток турбин прогнозируемых расчетом и наблюдаемых в эксперименте. Кроме виброускорений на роторные детали действуют центробежные ускорения и растягивающая центробежная сила. Влияние центробежных ускорений и сил на температуропроводность материалов представлено в [3, 4], но исследования температуропроводности материалов в поле действия виброускорений ранее не проводились.
Необходимо отметить, что любые виды ускорений: линейные, центробежные и виброускорения влияют на температуропроводность материалов [3, 4].
В [5-6] приводятся сведения по электронному явлению в металлах, которое опытным путем установили русские ученые-физики Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси в 1913 г. В тридцатые и сороковые годы прошлого столетия академики Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси работали в ФИАН им. П.Н. Лебедева. Они внесли большой вклад в развитие теории колебаний и других разделов физики. В их опытах 1913 г. при вращении катушки на концах провода возникала разность потенциалов, и, подключенный к концам провода телефон издавал звук. Эти опыты в 1916 г. были усовершенствованы американским ученым Р.Ч. Толменом [7]. Катушка в его опыте приводилась в быстрое вращение и затем резко тормозилась. При этом с помощью баллистического гальванометра регистрировался импульс тока, связанный с инерционным движением свободных электронов (имеющих массу) в тонком медном проводе на катушке. В данных опытах также подтверждается, что ускорения оказывают влияние на электронные явления в металлах, в частности, при торможении. Однако из указанных опытов не было сделано выводов и предположений о возможности появления электронного явления в условиях виброускорений и его влиянии на тепловые процессы в коротких проводниках и в деталях. В [8] приводятся результаты исследований влияния ускорений на появление разности потенциалов на участках проволоки (из-за инерционного движения свободных электронов - эффекта Толмена) при ее скоростном волочении.
Данная работа посвящена актуальной проблеме по исследованию передачи тепла в деталях и температуропроводности металлических материалов в поле действия виброускорений.
Методика и результаты исследований
В данной работе предложена методика определения теплофизических характеристик материалов в поле действия виброускорений. Разработано устройство для определения указанных характеристик на вибростенде (рис. 1). Методика исследований предусматривала закрепление на конце балки двух тепло-проводников (хромелевого и медного проводов длиной 55 мм и диаметром 0.5 мм) и небольшого электронагревателя длиной 10 мм, состоящего из нескольких витков провода, который был намотан на скрутке двух указанных теплопроводников. На концах двух теплопроводников и перед электронагревателем приваривались термопары, с помощью которых измерялись температуры: Т1 - температура на конце хромелевого теплопроводника, Т2 - температура на конце медного теплопроводника, Т3 - температура в начале теплопроводников перед нагревателем. Теплопровод-ники и электронагреватель были теплоизолированы от балки, установленной на вибростенде. Работы по препарировке балки проведены Моисеевой Л.С.
В соответствии с разработанной методикой исследования проводились на вибростенде, оснащенным автоматической системой управления и поддержания заданной амплитуды и частоты колебаний. Контроль за температурным состоянием теплопро-водников, размещенных на балке с электронагревателем, производился компьютерной системой, оснащенной крейтом и измерительными платами. Обработка результатов осуществлялась по разработанной программе. Для питания электронагревателя использовался стабилизированный источник питания. Перед проведением испытаний подавалось стабилизированное питание на нагреватель и записывались базовые показания термопар в течение работы нагревателя.
Приведены результаты исследований нестационарного нагрева теплопроводников в поле действия виброускорений при разных амплитудах (разма-хах) колебаний на частоте 120 Гц. После обработки данных экспериментальных исследований получены кривые скоростей нагрева в зависимости от времени нагрева (или времени передачи тепла), представленные на рис. 1.
0.015-, Ц.'С/с
0.0100.005 -
ч I | I
0 20 40 60
Т, с
Рис. 1 - Кривые скоростей нагрева на конце теплопроводника в зависимости от времени нагрева при воздействии виброускорений: 1 - статическое состояние; 2 - размах колебаний 2А=3,5 мм ([ = 120 Гц), 60 g; 3 - размах колебаний 2А=7,0 мм ([ = 120 Гц), 120 g
По полученным результатам представлены оценки температуропроводности и теплопроводности
теплопроводника. Из анализа результатов экспериментальных исследований и скоростей нагрева (рис. 1) следует, что температуропроводность хромелевого теплопроводника при виброускорении 120 g возрастает на 50 % по сравнению со статическим состоянием. На рис. 2 и рис. 3 показаны кривая времени т передачи тепла от начала хромелевого теплопроводника (рис. 2) к его концу и кривая времени т передачи тепла от начала медного теплопроводника (рис. 3) к его концу при разных размахах колебаний 2А: 0, 3.5 и 7.0 мм. Из анализа данных (рис. 2 и рис. 3) следует, что время передачи тепла по хромелевому и медному тепло-проводникам сокращается соответственно в 1,6 и 1,3 раза при 120 g по сравнению со статическим состоянием.
2А, мм
Рис. 2 - Кривая времени передачи тепла по теп-лопроводнику из никелевого сплава в зависимости от размаха колебаний 2А при воздействии виброускорений: 1 - статическое состояние; 2 - размах колебаний 2А=3,5 мм ([ = 120 Гц), 60 g; 3 - размах колебаний 2А=7,0 мм ( = 120 Гц), 120 g
2А, мм
Рис. 3 - Кривая времени передачи тепла по теп-лопроводнику из медного сплава в зависимости от размаха колебаний 2А при воздействии виброускорений: 1 - статическое состояние; 2 - размах колебаний 2А=3,5 мм (/ = 120 Гц), 60 g; 3 -размах колебаний 2А=7,0 мм (/= 120 Гц), 120 g
При увеличении частоты колебаний до 700 Гц (680 g) температуропроводность хромеле-вого теплопроводника возрастает на 100 % по сравнению со статическим состоянием.
В данной работе также проведены электронно-инерционные опыты с использованием специального камертона, ножки которого ударно
возбуждались, и современной чувствительной аппаратуры. Следует отметить, что ножки камертона по своим размерам идентичны балке, на которой были наклеены теплопроводники.
В концевой части на одной из ножек размещался изолированный медный проводник длиной 55 м и диаметром 0.5 мм в продольном направлении. Соединительные провода от данного проводника были подключены к анализатору сигналов и спектра М1С-200. Перед началом опытов на анализаторе зарегистрирован уровень шума, не превышающий + 10-10-6 В.
После удара по одной из ножек камертона он возбуждался на частоте 120 Гц. При этом воздействие виброускорений приводило к появлению электрического сигнала переменного тока в медном проводнике с учетом электронно-инерционного эффекта. Максимальная величина виброускорений составила 120 g. Данный электрический сигнал и его спектр частот были зарегистрированы и записаны в анализаторе спектра. На рис. 4 представлен зарегистрированный электрический сигнал, который имеет максимальную амплитуду в импульсе 450-10-6 В. Возникновение электрического сигнала (рис. 4) в проводнике дополнительно подтверждает, что виброускорения влияют на перемещение свободных электронов в металлах.
А-ю ,
400 300 200 100 о -100 -200 300 400
1 ------- |
"""ИНН
Vtf/N
P ^JB IE
0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26
Рис. 4 - Электрический сигнал в проводнике при ударном возбуждении камертона
Таким образом, указанный рост температуропроводности из анализа экспериментальных данных связан с увеличением электронной проводимости в металле за счет перемещения теплоносителей (имеющих массу) - свободных электронов при воздействии виброускорений.
Полученные результаты имеют важное практическое значение для оценки теплового состояния деталей авиационных двигателей и других турбома-шин, работающих при значительных виброускорениях и других эксплуатационных нагрузках.
Заключение
Разработана методика исследования температуропроводности материалов в поле действия виброускорений. Разработано устройство для определения указанных характеристик на вибростенде в поле действия виброускорений. Приведены результаты исследований
нестационарного нагрева теплопроводников из никелевого и медного сплавов при воздействии виброускорений. Из анализа результатов экспериментальных исследований и скоростей нагрева следует, что температуропроводность тепло-проводников возрастает при увеличении амплитуды колебаний балки на вибростенде. При этом время передачи тепла по теплопроводнику существенно сокращается, т.е. наблюдается ускорение теплопередачи в поле действия виброускорений. Из анализа результатов экспериментальных исследований следует, что температуропроводность теплопроводника из никелевого сплава возрастает на 50 % при размахе колебаний 7 мм при виброускорении 120 g по сравнению со стационарным состоянием без вращения, а время передачи тепла сокращается в 1,6 раза, а для медного теплопро-водника - в 1,3 раза. При исследованиях на камертоне был зарегистрирован электрический сигнал в проводнике при воздействии виброускорений. Указанный рост температуропроводности существенно связан с увеличением электронной проводимости в металле за счет теплоносителей (имеющих массу) - свободных электронов при воздействии виброускорений. Полученные результаты имеют важное практическое значение для оценки теплового состояния деталей авиационных двигателей и других турбомашин, работающих в условиях вибраций.
F Литература
1. Паранин Ю.А., Бурмистров А.В., Паранина О.Ю, Вестник Казанского технологического университета, 17, 5. 90-95 (2014).
2. Гайнутдинов Р.Ш, Вестник Казанского технологического университета,. 2. 37-41 (2011).
3. А.Р. Лепешкин, В сб. Авиационно-космическая техника и технология, Вып. 8/85. Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ", Харьков, 2011. С. 20-23.
4. А.Р. Лепешкин, В сб. Трудов конференции "Актуальные проблемы физики ". ФИАН, 2012. С. 65-66.
5. В.Л. Гинзбург, Ш.М. Коган, ЖЭТФ, 61, 3(9), 11771180.
6. В.Л. Гинзбург, Памяти А.А. Андронова. АН СССР, Москва, 1955. 622 с.
7. R.Q Tolman, Т.Д. Stewart, Phys. Rev., 8, 164 (1916).
8. О.А. Троицкий, В.И. Сташенко, Известия Академии Электротехнических наук, 1, 37-43 (2011)
© А. Р. Лепешкин - ст. науч. сотр., начальник сектора, отдел испытаний, ФГУП "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова", lepeshkin.ar@gmail.com.
© A R. Lepeshkin - Senior Research Fellow, Chief of Sector, Department of tests, Federal State Unitary Enterprise "Central Institute of Aviation Motors of P.I. Baranova", lepeshkin.ar@gmail.com.
