CC BY
141
1.6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ К СОЛНЕЧНОМУ ЛУЧИСТОМУ
ПОТОКУ
Абдурахманов Абдужаббар Абдурахманович, доктор технических наук, зав. лабораторией №2. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: aabdujabbar46@mail.ru
Кучкаров Акмалжон Ахмадалиевич, младший научный сотрудник, институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Email: ims-79@mail.ru
Маматкосимов Мирзасултaн Абдурахимович, канд. техн. наук, институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Email: mirzasul@mail.ru
Собиров Юлдаш Бекжанович, канд. техн. наук, институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: yuldash@inbox.uz
Абдумуминов Абдумаруф Абдукаххарович, инженер. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: maqsadbek79@mail.ru
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Аннотация: В статье рассмотрена проблема формирования импульса различной длительности и мощности в фокальной зоне параболоидного концентратора большой солнечной печи (БСП) для ускоренного определения срока службы (на старение) материалов и изделий новой техники. Осуществлен анализ различных типов регуляторов (затворов) длительности светового импульса. Разработаны и предложены шторный и ро-торно-щелевые затворы, которые наиболее эффективно обеспечивают получение световых импульсов различной формы, мощности и длительности.
Ключевые слова: светового импульс, фокальная зона, параболоидный концентратор, шторный, роторно-щелевые затвор, актинометр, барабан, дозиметр, частотометр, гелиостат, створка, датчик.
1.6. WORKING METHODS AND STAND FOR DETERMINATION OF SERVICE MATERIALS AND PRODUCTS TO SOLAR RADIIANT FLUX
Abdurakhmanov Abdujabbar Abdurakhmanovich, doctor of the technical sciences, head of laboratory №2. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: aabdujab-bar46@mail.ru
Kuchkarov Akmaljon Axmadaliyevich, research assistant, Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences E-mail: ims-79@mail.ru
Mamatkasimov Mirzasultan Abdurahimovich, candidate of technical Sciences, Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: mirzasul@mail.ru
Sobirov Yuldash Bekjanovich, candidate of technical Sciences, Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. yuldash@inbox.uz
Abdumuminov Abdumaruf Abdukakharovich, engineer, Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: maqsadbek79@mail.ru
Rakhimov Rustam Khakimovich, PhD, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Abstract: The article considers the problem of forming the pulse of various duration and power in the focal area of a parabolic concentrator big solar furnace (BSF) for the rapid determination of the service life (aging) materials
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ К СОЛНЕЧНОМУ ЛУЧИСТОМУ ПОТОКУ
Абдурахманов А. А., Кучкаров А. А., Маматкосимов М. А., Собиров Ю. Б., Абдумуминов А., Рахимов Р. Х.
and products of the new technology. The analysis of the different types of regulators (valves) the duration of the light pulse. Developed and proposed curtain and rotor-plane shutter, which most effectively provides light pulses of different shapes, power and durability.
Index terms: Light pulses, the focal zone, parabolic concentrator focal plane shutter, rotor-slot shutter, Acti-nometer, drum monitor, frequency counter, heliostat, and the flap sensor.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие таких дисциплин как материаловедение, ракетно-космическая техника, ядерная энергетика, оптическая промышленность, наряду с другими проблемами вдвигает вопрос о пределе стойкости материалов к воздействиям тепловых и лучистых потоков, определенного спектрального состава и интенсивности. Такие задачи могут быть решены проведениям испытаний на специально разработанных стендах на основе зеркально концентрирующих систем солнечного излучения (ЗКС). Такую испытанию легче проводит на уникальном объекте -Большой Солнечной Печи тепловой мощностью 1 МВт (БСП) НПО «Физика-Солнце» АН РУз [1-3]. БСП состоит из 62 гелиостатов с автоматическими системами управления за траекторией Солнца, параболоидного концентратора и технологической башни. В фокальной зоне концентратора БСП формиру-
Рис.1. Схема формирования светового потока для испытания материалов. 1-гелиостаты, 2-составной -многофацетный концентратор с зеркальной отражающей поверхностью, 3-технологическая башня со
стендом формирования светового импульса.
ется лучистый стационарный поток диаметром пятна до 1,5 м, в центре которой плотность потока достигает до 1000 Вт/см2. Оптико-энергетические параметры БСП позволяют использовать ее для проведения испытаний материалов на стойкость к световому импульсному воздействию.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Предлагаемый шторный затвор предназначен:
а) для создания одиночных световых импульсов трапецеидальной формы с постоянной величиной длительности переднего и заднего фронтов и регулируемой общей длительностью при работе в самостоятельном режиме;
б) для выделения одиночного импульса специальной формы при работе в паре с затворами, модулирующими непрерывный ряд световых импульсов.
Создание импльусов различной плотности, техники на световую стойкость осуществляется
формы и длительности с исползованием всего с использованием световых затворов различ-
миделя или отдельной зоны ЗКС БСП для ных конструкций. испитания материалов и изделий новой
Рис.2. Блок схема формаравания импульсов различной амплитуды и частоты. 1 - фотодатчик и оборудования для регистрации длительности и амплитуды импульса формируемой в фокальной зоне БСП, 2 -барабан роторно-щелевого затвора и соответствующие оборудования для создания импульса различной
длительности и мощности, 3 - подвижная платформа-тележка роторного затвора, 4 - основной экран БСП, 5 - актинометр, 6 - створка БСП, 7 - шторка с «окошками» шторного затвора, М - электродвигатель барабана роторного затвора, К - концевой выключатель запуска шторного затвора, ПУ3 - пульт управления затворами, ПВМ - компьютер, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ПВ2 - вольтметр.
Шторный затвор установлен в предфокаль-ной плоскости БСП, в помещении технологической башни на расстоянии 0,18 м от фокальной плоскости, за основным экраном. Шторный затвор (см. рис. 2.) состоит из направляющих, двух шторок (верхней и нижней'), механизма подъёма и спуска шторок и пульта управления. Направляющие две вертикально установленные трубы внешним диаметром 55 мм и длиной 8,0 м, заделанные своими концами в пол и потолок и расположенные по обе стороны отверстия основного экрана на расстоянии 2,0 м друг от друга. Для предохранения направляющих от возможных тепловых деформаций при проведении синтеза материалов, когда шторный затвор длительное время находятся в световом потоке, направляющие охлаждаются проточной водой. Шторы представляют собой прямоугольные каркасные рамки из тонких труб, обтянутые в несколько слоев термостойкой тканью. По бокам рамок установлены желобчатые колеса, позволяющие им свободно перемещаться вдоль направляющих. С целью смягчения удара рамок друг о друга во время падения, на их верх-
них и нижних сторонах установлены резиновые буфера. Механизм подъёма шторок состоит из лебедки, системы блоков, улавливателя, концевых выключателей ограждения хода лебедки. Управление шторным затвором осуществляется с пульта управления затворами (ПУЗ).
В дальнейшем приведение шторного затвора вновь в исходное положение осуществляется одновременным поднятием обеих шторок. По окончании работы обе шторки устанавливаются в исходное положение с помощью лебедки без включения ПУЗ. Верхняя шторка крепится стопорами, после чего нижняя шторка опускается вниз с помощью лебедки и стопорится в нерабочем положении. Неверхний край нижней шторки устанавливается кожух, предохраняющий её от попадания грязи и капель расплава во время синтеза материалов.
Шторный затвор позволяет получать световые импульсы трапецеидальной формы со временем достижения максимума и спада до «0» порядка «0,2» сек. с общей длительностью от 0,5 сек. до
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ К СОЛНЕЧНОМУ ЛУЧИСТОМУ ПОТОКУ
Абдурахманов А. А., Кучкаров А. А., Маматкосимов М. А., Собиров Ю. Б., Абдумуминов А., Рахимов Р. Х.
Роторно-щелевой затвор предназначен для формирования световых импульсов специальной формы в фокусе БСП на базе создаваемого ею светового потока.
Роторно-щелевой затвор (см. рис.2) включая в себя барабан со сменными лентами-ослабителями, регулировочный механизм, механизм привода барабана, тележку, датчик периода вращения барабана. Каркас барабана диаметром 2 м и высотой 0,8 м собран из легких труб 0 20 мм. В центре нижнего основания барабана установлен фланец, с помощью которого барабан крепится на валу привода, сообщающего барабану вращательное движение вокруг его оси. Верхнее основание барабана не имеет переплетений, так что при его вращении, внутрь него можно вводить приборы и образцы. Механизм привода установлен на раме регулировочного механизма и включает в себя электродвигатель с регулируемым числом оборотов в минуту, питаемый от сети через понижающий редуктор, клиноременную передачу от него на вал барабана. Регулировочный механизм предназначен для регулировки угла наклона оси вращения барабана и высоты расположения барабана относительно оптической оси БСП. Конструктивно регулировочный механизм выполнен в виде двух балок, расположенных друг над другом, соединенных собой шарниром, позволяющим верхней балке-раме поворачиваться вокруг горизонтальной оси перпендикулярной оптической оси БСП. Другой конец верхней рамы, посредством регулировочного винта, свободно опирается на нижнюю балку. На верхней раме установлен механизм привода барабана, вращением регулировочного винта осуществляется регулировка угла наклона оси барабана в плоскости оптической оси БСП. Второй конец нижне балки крепится на основании тележки также с помощью шарнира. В середине нижней балки, по её краям, установлены два винта регулировки высоты барабана. Винты опираются в рамку тележки, и одновременным их вращением в одну сторону осуществляется процесс регулировки высоты барабана отно-
сительно оптической оси. В случае, если винты вращаются в противоположные стороны, то осуществляется регулировка угла наклона оси барабана в плоскости перпендикулярной оптической оси БСП.
Тележка затвора перемещается вдоль оптической оси БСП по рельсам вделанным в пол технологического помещения тех башни БСП и предназначена для установки роторно-щелевого затвора в рабочее положение и вывода его оттуда. На боковую поверхность барабана крепится лента-ослабитель из дюралюминиевого листа толщиной 1мм. На ленте в пределах половины окружности барабана нанесен ряд вертикальных щелей, ширина и шаг которых заранее рассчитываются, а в дальнейшем корректируются на основании экспериментальных данных.
Вторая половина боковой поверхности барабана закрыта сплошным листом дюралюминия. При вхождении в световой поток, идущий от концентратора, щелевой чести боковой поверхности затвор (передняя стенка затвора устанавливается перед фокусом на расстоянии 0.1 м), в каждый момент времени образуется свето-пропускающее отверстие, диафрагмирующие свойства которого определяются суммарной площадью щелей, находящихся в световом потоке. В результате вращения барабана, происходит непрерывное изменение числа и площади щелей, пересекающих световой поток, а, следовательно, величины облученности в фокальной плоскости БСП. Сглаженность изменения облученности, обеспечивается достаточно большим числом щелей, находящихся одновременно в световом потоке. Регулировкой скорости вращения барабана обеспечивают получение импульса необходимой длительности (время достижения максимума).
Датчик периода вращения барабана состоит из фотодиода заключенного в корпус и установленного на кронштейне с внешней стороны барабана и лампочки подвешенной напротив фотодиода с внутренней стороны барабана. Кронштейны корпуса фотодиода и лам-
почки крепятся на стойке, приваренной к раме регулировочного механизма. Фотодиод подключается к входу АЦП, а лампочка к источнику питания. При приведении барабана во вращение, на основании повторения характерных импульсов на экране компьютера, определяют период вращения барабана.
Для обеспечения светового импульса другой временной формы на затворе крепится соответствующая лента. Выделение одиночного светового импульса от непрерывно вращающегося барабана достигается за счет шторного затвора, управляющего концевика установленного на раме регулировочного механизма и кулачка на валу барабана. Положение концевого выключателя на раме регулировочного механизма регулируется таким образом, чтобы при всех требуемых режимах скорости вращения барабана, управляющий сигнал на сброс шторки шторного затвора, приходил за время, достаточное для полного падения шторки, пока в световом потоке находится сплошная часть ленты барабана роторно-щелевого затвора. Остывание ленты ослабителя в процессе эксперимента обеспечивается за счет окружающего воздуха при вращении барабана.
Проводят осмотр роторно-щелевого затвора на надежность закрепления барабана на фланце, наличие требуемой ленты-ослабителя на барабане и надежность её крепления. Проверяют натяжение ремня механизма привода и при необходимости регулируют его.
Во время всех этапов работы необходимо следить, чтобы соединительные кабели не попадали под колеса тележки, а также не оказывались в зоне облучения световым потоком, в случае аварийной ситуации (не закрылся шторный затвор и не работают створки) необходимо снять башмаки и откатить затвор вглубь тех башни не отключая двигатель ротора.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Измерение лучистой экспозиции светового импульса следует производить измерительной аппаратурой основанной на зависимости величины нагревания массивной сферы от поглощенной ею определенной дозы лу-
чистой энергии за время действия светового импульса.
Принцип измерения величины лучистой экспозиции светового импульса сформированного затворами, заключается в регистрации электрического сигнала поступающего с дозиметра, установленного в исследуемой точке фокального пятна БСП, на экране ПВМ или на диаграммной ленте регистрирующего прибора, в зависимости от паспортных данных дозиметра и дальнейшей обработкой полученного материала.
Устанавливается дозиметр и фотометрический измеритель на предметный столик таким образом, чтобы центр лучевоспринимающей поверхности находился в центре фокального пятна или в течке фокальной плоскости, в которой требуется произвести измерения, а фотометрический измеритель устанавливается вплотную к дозиметру. Установку дозиметра в требуемую точку осуществляют с помощью перемещающейся штанги столика (вверх -вниз) и перемещениями самого дозиметра по поверхности столика.
Время от начала импульса до метки синхронизатора ^ находим, вычислив разницу между временами по формуле:
Переводят значение сигнала из мВ в Дж/см2 по формуле:
£Ь
где Ц, - величина лучистой экспозиции, Дж/см2; К8 - переводной коэффициент данного дозиметра (р*см2/мВ), £ь - величина сигнала дозиметра в момент времени от начала импульса (мВ); - паспортная характеристика дозиметра.
Варьирование плотности поступающего лучистого потока для определения экспозиции может, осуществляется подключением одного гелиостата или всего гелиостатного поля БСП состоящего из 62 гелиостатов.
Установление скорости вращения барабана роторного-щелевого затвора по заданной величине времени достижения максимума светового импульса. Величина тт в световом импульсе, формируемом роторно-щелевым за-
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ К СОЛНЕЧНОМУ ЛУЧИСТОМУ ПОТОКУ
Абдурахманов А. А., Кучкаров А. А., Маматкосимов М. А., Собиров Ю. Б., Абдумуминов А., Рахимов Р. Х.
твором, зависит от скорости вращения барабана. Эта зависимость для каждого вида ленты-ослабителя устанавливаемой на барабан затвора (получение импульсов различной временной формы), определяется на основании измерений, тт по результатам обработки формы светового импульса, записанной на компьютере с фотометрического датчика установленного в фокусе БСП, при различных режимах работы затвора, и измерении соответствующим им периода вращения барабана
Т датчиком периода вращениями напряжения и на двигателе привода барабана. По полученным данным построены графики зависимости т т от Т и Т от и. График такой зависимости для лент-ослабителя с формой импульса (на рис. 3).
Установление необходимой скорости вращения барабана роторно-щелевого затвора осуществляется по следующей схеме: На основании исходных данных по проведению облучения определяют требуемое значение тт.
и. в г
т. сек
120
100 80 60 40
20
1 1 -0,6 1
-0,5 \ \
0,4 V \ 1 ^т
-0,3 -0,2 / ^^———ЪЩ) Т ■С--\---J---X----1---1 _ 11111111
-0,1 ^ 1 1 111111111 1___1___J___J____1____1.___1___1___111111 1 111111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 12 3
5 6 7 8 9 10 11
Т.сек
Рис.3. График зависимости времени достижения максимума плотности потока в световом импульсе тм сек периода вращения Тсек барабана роторного и величины напряжения и, подаваемого на двигатель привода.
Из графика на (рис. 3.) по требуемому значению ттр и определяют необходимую величину напряжения на двигателе привода барабана итр и требуемый период вращения Ттр. После подготовка роторно-щелевого затвора к работе и подключения всех электрических соединений согласно инструкции к нему, включают лампу датчика период вращения барабана и частотометр Ч 3-34, на вход которого подается сигнал с датчика (включение и регулировку частотометра проводят согласно инструкции к нему). Включат двигатель привода барабана затвора и по показанием вольтметра, питающего двигатель, обеспечивающее требуемую величину итр, и дают одну минуту на установление скорости вращения барабана. Определяют период вращения барабана по показаниям частотометра и, при необходимости,
корректируют его регулировки напряжения на двигателе затвора. Величина напряжения, обеспечивающая требуемое значение периода вращения, изменяется в ту или иную строну в зависимости от состояния механики привода, вследствие чего и требуется корректировка перед началом испытания. Во время осуществления воздействия на испытуемом образце проводят «сопровождающее» измерение длительности периода вращения. Погрешность определения требуемого значения периода вращения барабана Ттр определяется по формуле:
Ттр = Кср ^тт тр
соответствует погрешности 5Кср. Значение Кср и 5Кср определяются по экспериментальным данным, полученным при многократных пус-
ках затвора для различных периодов вращения барабана.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализируя вышеизложенные параметры и характеристики БСП, можно сказать, что обладая гибкостью в управлении гелиостатами, чистотой, локальностью нагрева, высокой плотностью тепловых и световых потоков различной плотности (до 1000 Вт/см2) при большой площади облученности (0,7 м2) этот объект является незаменимым комплексом для осуществления синтеза материалов и их испытания. Кроме того, необходимо отметить то, что при дальнейшем улучшении интегрального коэффициента отражения зеркальной поверхности системы гелиостат-концентратор до уровня 0,9 каждый (например, применяя наружное напыление) и применяя прогрессивные методы доюстировочных работ позволяющих уменьшить средне-квадратичные угловые отклонения до 2-3 угловых минут, и сохранении этих уровней регулярными. Можно осуществлять испытания и в определенных участках всею спектрального состава поступающей солнечного лучистого потока.
Список литературы:
1. Абдурахманов А.А., Акбаров Р.Ю., Гуламов К.Г., Рискиев Т.Т., Юлдашев А.А. Опыт эксплуатации большой солнечной печи мощностью 1000 кВт. Гелиотехника. 1998. №1, -С.39-44.
2. Абдурахманов А.А. и др. Применение система технического зрения на Большой Солнечной Печи. Гелиотехника. -1998. -№1. -С.49-52.
3. А.А. Абдурахманов, А.А. Кучкаров, М.А. Ма-маткосимов, Ю.Б. Собиров. Методика расчета оптико-энергетических характеристик зеркальных - концентрирующих систем технологического и энергетического назначения. Гелиотехника 2015.№4.С.74-77.
