CC BY
25
УДК 623.43:678.067
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА НАПРАВЛЯЮЩУЮ ТРУБУ С ТЕРМОЗАЩИТНЫМ КОЖУХОМ
П.И. Богомолов1, И.А. Козлов2, П.А. Коренев3
Акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт материалов» (АО «ЦНИИМ») 191014, Санкт-Петербург, ул. Парадная д. 8
Рассматриваются вопросы эффективности применения термозащитных кожухов для направляющих длинномерных труб. В частности, оценивается эффективность термозащитных кожухов из полимерных композиционно-волокнистых материалов при одностороннем воздействии на трубу солнечной радиации. Описывается расчетно-экспериментальная методика определения температурного поля и термоупругих деформаций трубы.
Ключевые слова: термозащитный кожух, композиционные материалы, направляющая труба, конвективно-лучистый теплообмен.
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SOLAR RADIATION ON THE GUIDE TUBE WITH
A HEAT-PROTECTIVE HOUSING
P. I. Bogomolov, I. A. Kozlov, P. A. Korenev Joint-stock company "Central scientific-research Institute of materials" (JSC "CRIM")
191014, St.-Petersburg, str. Paradnaya, 8
The problems of efficiency of thermal protective covers for barrels of tank guns. In particular, it assesses the effectiveness thermoprotective covers made of polymer composite-fiber materials with unilateral action of solar radiation on the barrels. Describes analytical-experimental assessment for determining the temperature field and thermoelastic deformation of the gun tube.
Keywords: thermoprotective cover, composite materials, guaide tube, convective-radiative heat transfer.
В длинных направляющих трубах температурные градиенты из-за несимметричного нагрева или охлаждения по периметру трубы могут привести к возникновению температурных деформаций. Такие деформации являются причиной искривления оси канала трубы относительно теоретической, что значительно снижает эксплуатационные характеристики изделия в целом. Причиной неравномерного распределения температур по трубе может быть одностороннее воздействие солнечной радиации, ветра, дождя или снега в совокупности с высокотемпературным нагревом внутренней поверхности трубы горячими топливными газами при ее функционировании [1-6].
Для решения данной проблемы еще с середины 60-х годов, как в СССР, так и за рубежом, стали использовать специальные термозащитные кожуха (ТЗК) - оболочки, защищающие трубу от неблагоприятных температурных воздействий.
Следует отметить, что если на зарубежных изделиях в настоящее время используются
ТЗК, выполненные из неметаллических композиционных материалов, то отечественные конструкции ориентированы на использовании тонкостенных металлических кожухов, выполненных из алюминия. Это является усложняющим фактором по быстросъемности при их замене и утяжеляет трубную конструкцию в сборе.
В АО «ЦНИИМ» была отработана технология изготовления ТЗК из композиционного материала, а также разработана опытная конструкция ТЗК (рис.1). Опытная конструкция приближена к конструкции штатного ТЗК, и имеет одинаковые элементы крепления на защищаемую трубу.
Композиционный ТЗК представляет собой оболочку вращения, толщиной около 1,5 мм, с торцевыми изгибами, повторяющими контур трубы. Оболочка выполнена из композиционно-волокнистого материала (КВМ) с внутренней поверхностью из алюминиевой фольги.
1Павел Иванович Богомолов — инженер 1-й категории, тел.: (812)271-49-72, e-mail:[email protected];
2Игорь Анатольевич Козлов - кандидат химических наук, тел.:(812)271-49-72, e-mail: [email protected];
Петр Алексеевич Коренев, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел.: (812)271-49-72, e-mail: petrroot@inbox.
четных результатов. Схема установки представлена на рис.2.
Рисунок 1 - Секция ТЗК из композиционного материала
Практика показывает, что данная опытная конструкция из КВМ обеспечивает сокращение времени монтажа и демонтажа на трубе изделия по сравнению со штатным ТЗК в 13 раз.
Также была проведена расчетно-экспериментальная оценка эффективности ТЗК при воздействии солнечной радиации на трубу с кожухом. Для определения температурного поля была построена модель направляющей трубы с кожухом в виде двух цилиндрических оболочек, разделенных воздушной прослойкой. В данной модели наружная поверхность термозащитного кожуха подвергается одностороннему воздействию радиационного потока от солнца ц = 1100 + 1150 Вт/м2.
Для уточнения и конкретизации параметров тепловой модели и проведения расчетов была сконструирована и смонтирована экспериментальная установка для имитации воздействия солнечной радиации на направляющую трубу изделия в лабораторных условиях (рис. 2). Основным назначением данной установки является получение данных для параметрической идентификации расчетной модели, и таким образом, повышение достоверности рас-
Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки
Для исследования эффективности ТЗК из КВМ, при имитации воздействия солнечной радиации на трубу, были изготовлены три экспериментальных кожуха: ТЗК из алюминиевого листа, из стеклопластика и углепластика с внутренней поверхностью из фольги. Все ТЗК были окрашены в защитную краску.
Замеры температуры производились в одном сечении в 5 точках. Регистрация температуры в течение всего времени нагрева производилась постоянно в точках 2 и 4 (верхняя и нижняя поверхность трубы). Также регистрировалась температура окружающей среды. Результаты измерений для всех ТЗК обобщены в табл. 1. Определяющим критерием оценки эффективности ТЗК принято значение градиента температур между верхней и нижней поверхностью трубы ДТ.
Таблица 1 - Результаты измерений
Образец ТЗК Толщина кожуха 8, мм Величина зазора Н, мм Т т Г1,°С Т2,°С Т3,°С Т4,°С Т5,°С ДТ,°С
Алюминиевый 0,5 5 35 84 46,3 45,2 43,5 46 2,8
Стеклопластик с фольгой 1,5 10 35 108 42,6 40,3 38,7 41,8 3,9
Углепластик с фольгой 1,5 10 35 102 41,9 41 40,6 41,7 1,36
Углепластик без фольги 1,5 10 35 99 50,4 47,2 45,4 49,6 4,7
Таким образом, имея представления об так и на поверхности трубы, можно уточнить уровне температур, как на поверхности кожуха, достоверность математической модели, реали-
зация которой позволяет установить оптимальные размеры воздушного зазора между трубой и кожухом, а также толщину самого термозащитного кожуха.
Задача рассматривается в стационарной постановке, при которой происходит максимальный изгиб трубы от действия несимметричного теплового потока. В этом случае уравнение теплопроводности в общем виде для каждого из элементов конструкции имеет вид:
д дТ д дТ д дТ д (Ах дТ) + д (Ау дТ) + д (Аж дТ) + = 0.
дх дх ду ду дг дг где Ах, Ау, - теплопроводности материала в направлении осей х, у, г, Т - температура, чг -объемные стоки тепла (в данном случае чг =0).
Для формулировки граничных условий к этим уравнениям был рассмотрен тепловой баланс на поверхностях элементов конструкции. Тепловое взаимодействие между трубой, кожухом и окружающей средой схематично представлено на рис. 3.
Граничное условие для поверхности В запишется:
бв =ак • (Тв -Тв) + ев-ао • (Тв4 "Т4).
Внутренняя поверхность кожуха С участвует в теплообмене с поверхностью трубы. Так как величина воздушного зазора между кожухом и трубой мала, необходимо установить возможность протекания конвективного теплообмена между ними.
Для описания сложного процесса теплообмена в ограниченном замкнутом пространстве используют критериальное уравнение [8]:
Ек = /(От • Рг), где ЕК - коэффициент конвекции, Сг - число Грасгофа, Рг - число Прандтля.
Если Сг ■ Рг > 1000, то происходит конвективный теплообмен, если Сг ■ Рг < 1000, то конвективного теплообмена нет
(Ек = 1).
Исходя из экспериментальных данных, по критерию Сг ■ Рг >< 1000, было определено что, при воздушных зазорах до 10 мм конвективный теплообмен отсутствует.
Таким образом теплообмен между внутренней поверхностью кожуха С и поверхностью трубы В, будет происходить за счет лучистой составляющей:
бс,В =Епр •Сто • (ТС - TD),
где Епр - приведенная степень черноты (вычисляется через степени черноты взаимодействующих поверхностей).
Основные трудности анализа конвективного теплообмена связаны с установлением вида зависимости коэффициента теплоотдачи от определяющих его параметров. В большинстве случаев вид этих зависимостей устанавливается при обобщении экспериментальных данных [7].
При расчете теплопередачи цилиндрической поверхности в условиях естественной конвекции в неограниченное пространство используется неравенство (1):
Рисунок 3 - Расчетная модель с граничными условиями
Верхняя граница А подвергается воздействию солнечного радиационного потока дг. Также она учавствует в конвективном и лучистом теплообмене с окружающим воздухом. Граничное условие запишем:
6а = Чт + « • (Та -Тв) + ЕА -оо • (ТА -Тв4), где аК - конвективный коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности кожуха, еа - степень черноты наружной поверхности кожуха, ТА - температура поверхности А, Тв - температура окружающего воздуха.
(' - ) < (8^)3[°С].
(1)
Если определяющий размер (Ь, мм) плоской или цилиндрической поверхности и ее температурный напор (£ — £с) удовлетворяют неравенству (1), то конвективный коэффициент теплоотдачи будем рассчитывать по формуле:
«к = 1,35-('-Вс )14[ -Г]- (2) В м - С
Исходные данные для теплового расчета приведены в таблице 2. Температура окружающего воздуха для всех расчетных случаев составляла 35 °С.
Расчет температурного поля данной конструкции производится методом конечных элементов в программном комплексе Ашуз.
Таблица 2 - Исходные данные для теплового расчета
Образец ТЗК Толщина кожуха 8, мм Величина зазора Н, мм X, - м° С Вт ак' м2оС £л,в £с
Алюминиевый 0,5 5 160 4,5 0,8 0,4 0,8
Стеклопластиковый 1,5 10 0,5 5,6 0,8 0,04 0,8
Углепластиковый 1,5 10 1,6 5,7 0,8 0,04 0,8
В результате расчета было получено температурное поле трубы с различными ТЗК. Значения температур в контрольных точках
Таблица 3 - Результаты теплового расчета
представлены в таблице 3. Как видно из таблицы наименьший градиент температур достигается с образцом ТЗК из углепластика.
Образец ТЗК Толщина кожуха 8, мм Величина зазора Н, мм Т т Т1,°С Т2,°С Т3,°С Т4,°С Т5,°С ДТ,°С
Алюминиевый 0,5 5 35 80,32 47,25 47,75 46,37 47,2 0,9
Стеклопластик с фольгой 1,5 10 35 102 44,3 43,8 43,54 44,2 0,76
Углепластик с фольгой 1,5 10 35 101,7 42,1 41,6 41,34 42 0,66
На рис. 4 представлено температурное поле трубы с ТЗК из углепластика с внутренним слоем фольги. По результатам расчета, было установлено, что применение такого кожуха снижает градиент температур до 0, 66 Т.
По данным расчета можно сделать выводы о том, что градиент температур будет уменьшаться с увеличением толщины кожуха и увеличением воздушного зазора (рис. 5). Поскольку имеются ограничения к конструкции кожуха (радиус обметания изделия, масса кожуха), то оптимальная толщина принята 1,5 мм, а величина воздушного зазора - 10 мм.
Рисунок 4 - Температурное поле трубы с ТЗК из углепластика
Рисунок 5 - Зависимость градиента температур от величины зазора (для углепластикового кожуха)
Для оценки значения деформаций, возникающих от температурного воздействия солнечной радиации, был произведен расчет напряженно-деформированного состояния, сопряженный с тепловым расчетом. В результате расчета получены величины максимальных перемещений, возникающих в результате несимметричного воздействия солнечной радиации.
По результатам расчета было выявлено, что минимальные искривление оси трубы достигаются при использовании ТЗК из углепластика (рис.6).
б) повышение теплопроводности связующего, за счет введения мелкодисперсных наполнителей;
в) увеличение толщины кожуха (при допустимом увеличении массы и габаритов).
При дальнейшей проработке и корректировке разработанной методики оценки эффективности ТЗК необходимо учесть: нагрев внутренней поверхности канала трубы при ее функционировании, зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры и координаты, а также анизотропию свойств материала.
1,5 мм
Рисунок 6 - Поперечные перемещения трубы под действием температурных напряжений (с угле-пластиковым кожухом)
Выводы
Разработанная расчетная модель, реализованная в программном комплексе Ашуз, позволяет найти оптимальные конструктивные параметры ТЗК и теплофизические характеристики. Экспериментальные данные показали адекватность применяемого расчетного метода и позволили скорректировать модель для исследования воздействия солнечной радиации на тепловое состояние трубы.
По результатам проведенных исследований можно определить пути повышения эффективности разрабатываемого ТЗК из композиционного материала:
а) применение высокотеплопроводных волокон;
Литература
1. Mark L. Bundy et al, Thermal shroud for a gun tube. Patent US, no. 4841836, 1989.
2. Peter F. Taylor et al, Thermal jacket for elongated structures. Patent US, no. 4346643, 1982.
3. Alistair R. Milne et al, Thermal sleeve for gun barrels. Patent US, no. 4638713, 1987.
4. Izumi Higashi, Gun barrel for tank. Patent US, no. 4753154,1988
5. Gert Schlenkert et al, Thermal insulation jacket for a gun barrel. Patent US,
no. 8347773 B2, 2013
6. Tae-Ho Han, Analysis of the effectiveness of thermal shroud on the thermal deformation of a gun barrel, NDIA 41st Annual Armament Systems: gun and missile systems Conference & Exhibition, march 27-30, 2006
7. Г.Н Дульнев Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре.- М.: Высш. шк., 1984
8. Г.Н Дульнев, Теория тепло- и массообмена. -СПб: НИУ ИТМО, 2012.
9. В.А. Бруяка, Инженерный анализ в Ansys Workbench. - Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2010
10. Г.Н Дульнев и др. Исследование теплопроводности композиционных материалов из металлических волокон и порошков. Ж. Теплофизика высоких температур №6, том 13, ЛИТМО, 1975
11. Г.Н Дульнев и Ю.П Заричняк Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. Л., «Энергия», 1974
12. А.Ф. Крегерс, И.А. Репелис, А.М. Толкс. Теплопроводность волокнистого композита и его составляющих, ж. Механика композитных материалов №4, 1987, с. 604...608
