RU2587524C1 - Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий - Google Patents
Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2587524C1 RU2587524C1 RU2015117418/28A RU2015117418A RU2587524C1 RU 2587524 C1 RU2587524 C1 RU 2587524C1 RU 2015117418/28 A RU2015117418/28 A RU 2015117418/28A RU 2015117418 A RU2015117418 A RU 2015117418A RU 2587524 C1 RU2587524 C1 RU 2587524C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- heat
- heat shielding
- thermal conductivity
- shielding coating
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при теплофизических исследованиях теплозащитных покрытий. Заявлена установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий, содержащая вакуумную камеру и источник нагрева образца с теплозащитным покрытием. В качестве источника нагрева образца с теплозащитным покрытием использован плазмотрон, расположенный в вакуумной камере так, что плазменный поток направлен на теплозащитное покрытие образца. Образец с теплозащитным покрытием установлен в кожухе цилиндрического корпуса для охлаждения образца. Кожух со стороны плазмотрона снабжен упорным буртиком для установки образца с теплозащитным покрытием, а с противоположной стороны - крепежными элементами для закрепления образца между буртиком кожуха и цилиндрическим корпусом. В цилиндрическом корпусе выполнен центральный канал для подачи охлаждающей образец воды и по крайней мере два канала для отвода нагретой воды от образца, расположенные симметрично и на равном расстоянии от центрального канала. В центральном и одном из отводных каналов установлены термопары. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса и поверхность образца образуют полость, сообщающуюся с центральным каналом и каналом для отвода воды. На торцевой поверхности цилиндрического корпуса со стороны установки образца выполнена канавка с установленным в нее уплотнительным кольцом. Технический результат - повышение достоверности получаемых результатов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к теплофизическим исследованиям теплозащитного покрытия (ТЗП) на материале в условиях, приближенных к работе ТЗП изделий ракетно-космической техники. В частности, может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности ТЗП.
Известен способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий («Новые технологические процессы и надежность ГТД», Выпуск 7. М., ЦИАМ, 2008, с. 171). Исследуемый образец, представляющий собой плоский диск с теплозащитным покрытием из высокотемпературного керамического материала, нанесенным на одну грань по электронно-лучевой технологии, поверх которого нанесен тонкий слой интерметаллида, помещают в вакуумную камеру, вакуумируют и облучают с помощью лазера коротким импульсом лучистой энергии со стороны слоя интерметаллида. Возрастание температуры на обратной стороне образца измеряют при помощи термопары или инфракрасного детектора. Экспериментально определяют температуропроводность и теплоемкость, затем по этим характеристикам рассчитывается теплопроводность.
Недостатком данного способа является то, что измерения температуропроводности α и расчеты теплопроводности λ носят точечный характер и для получения среднего значения этих параметров по площади образца требуется большое количество измерений. Кроме того, получаемые в этом способе в условиях вакуума величины α и λ могут значительно отличаться от значений α и λ для ТЗП в рабочих условиях на деталях изделий ракетно-космической промышленности (РКП).
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство, описанное в патенте РФ №2415408 от 27.03.2011. Образец, представляющий собой металлическую основу с нанесенным теплозащитным покрытием, помещают в вакуумную камеру и нагревают металлическую основу от источника постоянного тока до рабочих температур. На поверхности металлической основы закрепляют термопару, а со стороны ТЗП устанавливают пирометр. Измеренные температуры используют для определения теплофизических характеристик ТЗП, таких как температуропроводность, теплоемкость и теплопроводность.
Основными недостатками этого изобретения также остаются значительные отличия получаемых в этом способе результатов по α и λ от величин α и λ для условий обтекания ТЗП высокотемпературным газом, имеющим место на деталях изделий РКП.
Технический результат заключается в том, что предлагаемое устройство позволяет в условиях, близких к натурным, получить достоверные экспериментальные данные для расчета теплофизических характеристик ТЗП, используемых в изделиях ракетно-космической техники.
Для достижения этого технического результата предлагается установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий, содержащая вакуумную камеру и источник нагрева образца с теплозащитным покрытием, в качестве источника нагрева образца с теплозащитным покрытием использован плазмотрон, расположенный в вакуумной камере так, что плазменный поток направлен на теплозащитное покрытие образца. Образец с теплозащитным покрытием установлен в кожухе цилиндрического корпуса для охлаждения образца, кожух со стороны плазмотрона снабжен упорным буртиком для установки образца с теплозащитным покрытием, а с противоположной стороны - крепежными элементами для закрепления образца между буртиком кожуха и цилиндрическим корпусом. В цилиндрическом корпусе выполнен центральный канал для подачи охлаждающей образец воды и по крайней мере два канала для отвода нагретой воды от образца, расположенные симметрично и на равном расстоянии от центрального канала. Суммарная площадь поперечных сечений отводных каналов равна площади поперечного сечения центрального канала, а в центральном и одном из отводных каналов установлены термопары. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса и поверхность образца образуют полость, сообщающуюся с центральным каналом и каналами для отвода воды. На торцевой поверхности цилиндрического корпуса со стороны установки образца выполнена канавка с установленным в нее уплотнительным кольцом. Кроме того, установка может содержать по меньшей мере четыре крепежных элемента, каждый из которых включает держатель с резьбовым отверстием для болта и болт. Уплотнительное кольцо может быть выполнено из силиконовой резины.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 изображена схема установки. На Фиг. 2 - схема определения коэффициента теплопроводности ТЗП.
На Фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - плазмотрон; 2 - плазма, истекающая из него в вакуумную камеру 15, в которой поддерживается динамический вакуум; 3 - отошедший скачок уплотнения перед образцом; 4 - висячий скачок уплотнения; 5 - образец; 6 - теплозащитное покрытие; 7 - кожух цилиндрического корпуса; 8 - цилиндрический корпус; 9 - центральный входной канал; 10 - выходной канал; 11 - уплотнительное кольцо; 12 - буртик кожуха; 13 - держатель; 14 - болт.
Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий содержит образец, представляющий собой металлическую основу 5 с нанесенным на нее со стороны плазмотрона 1 теплозащитным покрытием 6, который при помощи подвижного кожуха цилиндрического корпуса 7 притягивается болтами 14 через держатели 13 вплотную к цилиндрическому корпусу 8. Герметичность установки обеспечивается уплотнительным кольцом 11, которое установлено в канавке на торцевой поверхности цилиндрического корпуса 8 со стороны образца с ТЗП.
Для охлаждения образца с покрытием в установку через центральный входной канал 9 подается вода при температуре Т1, а нагретая вода, имеющая температуру Т2, отводится по двум выходным каналам 10, суммарная проходная площадь которых равна проходной площади центрального входного канала. Температуры T1 и Т2 измеряются термопарами (на чертежах не показаны), расход воды mв замеряется ротаметром.
Установка содержит вакуумную камеру 15, в которой поддерживается динамический вакуум во время натекания плазмы на металлическую основу 5 с теплозащитным покрытием 6 из плазмотрона 1, который также располагается в вакуумной камере 15.
Установка работает следующим образом. Перед запуском плазмотрона 1 в установку подают охлаждающую воду (температура Т1) по центральному входному каналу 9. Из установки вода вытекает по двум выходным каналам 10 при температуре Т2. Перед запуском плазмотрона 1 Т1=Т2. Затем подают плазмообразующий газ - азот - в плазмотрон 1 и напряжение на плазмотрон. Загорается дуга и образующаяся при этом плазма 2 натекает в вакуумную камеру с образованием висячего скачка уплотнения 4 и отошедшей ударной волны 3 перед металлической основой 5 с теплозащитным покрытием 6. При этом охлаждающая вода нагревается в установке от Т1 до Т2 (Т2>Т1). Для расчета эффективного коэффициента теплопроводности ТЗП измеряют разность температур воды ΔT во входном и выходном каналах системы охлаждения и секундный расход воды, охлаждающей металлическую основу с ТЗП.
Рассмотрим методику расчета коэффициента теплопроводности ТЗП (*λпок) с помощью данной установки. На фигуре 2 приняты следующие обозначения:
mв - секундный массовый расход воды, 
Св - удельная теплоемкость воды, 
λобр - коэффициент теплопроводности образца, 
λпок - коэффициент теплопроводности покрытия, 
Δ - толщина образца, [м];
δ - толщина теплозащитного покрытия, [м];
Ср - удельная теплоемкость плазмы при постоянном давлении, 
F - площадь поверхности образца, обтекаемая плазмой, [м2];
α0 - коэффициент конвективного теплообмена между плазмой и покрытием, 
αв - коэффициент конвективного теплообмена между охлаждающей водой и образцом 
I - энтальпия плазмы, 
T1 - температура воды, входящей в установку, [К];
T2 - температура воды, выходящей из установки, [К];
Tw1 - температура нижней поверхности образца со стороны плазмотрона, [К];
Тw2 - температура верхней поверхности образца и нижней поверхности покрытия со стороны плазмотрона, [К];
Tw3 - температура верхней поверхности покрытия со стороны плазмотрона, [К].
Количество тепла Qвых, которое от плазмы прошло сквозь установку, вышло из нее и пошло на нагрев массы воды mв от T1 до T2 равно:
Количество тепла Qвод, снятое водой с нижней поверхности образца за счет конвективного теплообмена по закону Ньютона, равно:
Количество тепла Qобр, прошедшее образец по закону Фурье, определяется:
Количество тепла Qплаз, пришедшее от плазмы к внешней поверхности покрытия за счет конвективного теплообмена, согласно [1, 2] равно:
где I00 и Iw3 - энтальпия плазмы, определенная по параметрам торможения в плазмотроне и на поверхности покрытия соответственно.
Количество тепла Qпокр, прошедшего покрытие:
При отсутствии стоков тепла в установке имеем:
Qвых=Qвoд=Qобр=Qпокр=Qплаз.
Во время работы установки проводят измерение всего трех величин: mB; T1 и Т2. Величины, входящие в выражения (1)÷(5): Δ; δ; F; Св; λобр, СР; ·0, αв, I00, Iw3, измеряются до запуска установки или берутся из справочных таблиц.
Для определения Tw1 в нижнюю поверхность образца была зачеканена хромель-копелевая термопара.
Точность данного способа определения λпокр, оцененная по измерению λ на известных покрытиях, дала величину ~ ±10%.
Помимо измерения λ данная установка позволяет проводить ресурсные и термоциклические испытания ТЗП. Для проведения ресурсных испытаний работающий плазмотрон остается включенным требуемое по техническому заданию время, моделирующее время работы ТЗП на изделии РКП. После остановки плазмотрона образец с ТЗП исследуют с целью определения сохранения работоспособности ТЗП.
Для проведения термоциклических испытаний, заключающихся в многоразовых тепловых нагружениях ТЗП, плазмотрон включают и отключают требуемое число раз (обычно несколько десятков). Во время работы плазмотрона при каждом цикле контролируют температуру воды в отводящей магистрали после выхода на стационарный режим. Отметим, что установка позволяет проводить измерение λ как до, так и после проведения термоциклических и ресурсных испытаний.
Для проведения тепловых испытаний покрытий и исследования теплопроводности при температурах, приближенных к рабочим в изделиях РКТ, была создана экспериментальная установка (УПТИП) на базе установки ВС-2 ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». Для проведения испытаний использовали плазмотрон (мощность дугового разряда до 20 кВт), работающий в условиях динамического вакуума (давление в рабочей камере ~102 Па) и на атмосфере. Экспериментальная установка позволяет достигать температуру на поверхности покрытия до 2200÷2500 К, что соответствует натурным условиям работы ЖРД.
Использованные источники
1. Авдуевский B.C. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / B.C. Авдуевский, Б.М. Галицейский, Г.А. Глебов и др. - М.: Машиностроение, 1975 г. - 624 с.
2. Петров Г.И. Аэромеханика больших скоростей и космические исследования: избр. тр. / Г.И. Петров. - М.: Наука, 1992. - 305 с.
3. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972 г. - 720 с.
Claims (3)
1. Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий, содержащая вакуумную камеру и источник нагрева образца с теплозащитным покрытием, отличающаяся тем, что в качестве источника нагрева образца с теплозащитным покрытием использован плазмотрон, расположенный в вакуумной камере так, что плазменный поток направлен на теплозащитное покрытие образца, образец с теплозащитным покрытием установлен в кожухе цилиндрического корпуса для охлаждения образца, кожух со стороны плазмотрона снабжен упорным буртиком для установки образца с теплозащитным покрытием, а с противоположной стороны - крепежными элементами для закрепления образца между буртиком кожуха и цилиндрическим корпусом, в цилиндрическом корпусе выполнен центральный канал для подачи охлаждающей образец воды и по крайней мере два канала для отвода нагретой воды от образца, расположенные симметрично и на равном расстоянии от центрального канала, при этом суммарная площадь поперечных сечений отводных каналов равна площади поперечного сечения центрального канала, а в центральном и одном из отводных каналов установлены термопары, внутренняя поверхность цилиндрического корпуса и поверхность образца образуют полость, сообщающуюся с центральным каналом и каналами для отвода воды, на торцевой поверхности цилиндрического корпуса со стороны установки образца выполнена канавка с установленным в нее уплотнительным кольцом.
2. Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий по п. 1, отличающаяся тем, что установка содержит по меньшей мере четыре крепежных элемента, каждый из которых включает держатель с резьбовым отверстием для болта и болт.
3. Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий по п. 1, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо выполнено из силиконовой резины.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015117418/28A RU2587524C1 (ru) | 2015-05-08 | 2015-05-08 | Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015117418/28A RU2587524C1 (ru) | 2015-05-08 | 2015-05-08 | Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2587524C1 true RU2587524C1 (ru) | 2016-06-20 |
Family
ID=56132215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015117418/28A RU2587524C1 (ru) | 2015-05-08 | 2015-05-08 | Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2587524C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU172094U1 (ru) * | 2017-03-31 | 2017-06-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Устройство для моделирования нестационарного температурного поля в элементах конструкций ракетной техники при воздействии мощных тепловых потоков |
| RU172098U1 (ru) * | 2016-12-26 | 2017-06-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Устройство для моделирования нестационарного температурного поля в элементах конструкций ракетной техники при воздействии мощных тепловых потоков |
| CN117948610A (zh) * | 2024-03-21 | 2024-04-30 | 大同知了科技有限公司 | 一种激波器、激波气化燃烧机及燃烧方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6331075B1 (en) * | 1998-05-01 | 2001-12-18 | Administrator, National Aeronautics And Space Administration | Device and method for measuring thermal conductivity of thin films |
| RU2415408C1 (ru) * | 2009-11-06 | 2011-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий |
| RU2426106C1 (ru) * | 2009-12-31 | 2011-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт имени М.М.Громова" | Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления |
| RU2468360C1 (ru) * | 2011-07-27 | 2012-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Способ измерения интегрального коэффициента излучения поверхности теплозащитных материалов |
| RU2486497C1 (ru) * | 2011-12-27 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Установка для испытаний теплозащиты летательного аппарата |
-
2015
- 2015-05-08 RU RU2015117418/28A patent/RU2587524C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6331075B1 (en) * | 1998-05-01 | 2001-12-18 | Administrator, National Aeronautics And Space Administration | Device and method for measuring thermal conductivity of thin films |
| RU2415408C1 (ru) * | 2009-11-06 | 2011-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий |
| RU2426106C1 (ru) * | 2009-12-31 | 2011-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт имени М.М.Громова" | Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления |
| RU2468360C1 (ru) * | 2011-07-27 | 2012-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Способ измерения интегрального коэффициента излучения поверхности теплозащитных материалов |
| RU2486497C1 (ru) * | 2011-12-27 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Установка для испытаний теплозащиты летательного аппарата |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU172098U1 (ru) * | 2016-12-26 | 2017-06-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Устройство для моделирования нестационарного температурного поля в элементах конструкций ракетной техники при воздействии мощных тепловых потоков |
| RU172094U1 (ru) * | 2017-03-31 | 2017-06-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Устройство для моделирования нестационарного температурного поля в элементах конструкций ракетной техники при воздействии мощных тепловых потоков |
| CN117948610A (zh) * | 2024-03-21 | 2024-04-30 | 大同知了科技有限公司 | 一种激波器、激波气化燃烧机及燃烧方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2587524C1 (ru) | Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий | |
| Panerai et al. | Characterization of gas/surface interactions for ceramic matrix composites in high enthalpy, low pressure air flow | |
| Fu et al. | Gardon gauge measurements of fast heat flux transients | |
| Jaremkiewicz et al. | Measurement of transient fluid temperature | |
| Kewitz et al. | Investigation of a commercial atmospheric pressure plasma jet by a newly designed calorimetric probe | |
| Fu et al. | A method to measure heat flux in convection using Gardon gauge | |
| Theuerkauf et al. | Thermal management for a modular rotating detonation engine | |
| US20160209343A1 (en) | Thermal load testing device and thermal load testing method | |
| RU160313U1 (ru) | Гребенка термопар для измерения поля температур газового потока | |
| RU155834U1 (ru) | Устройство для измерения коэффициента теплопроводности тонких керамических покрытий | |
| Hermann et al. | Fluid-solid heat exchange in porous media for transpiration cooling systems | |
| RU2284514C1 (ru) | Способ определения теплозащитных свойств высокотемпературных покрытий деталей и устройство для его осуществления | |
| Cocchi et al. | Effect of jet-to-jet distance and pipe position on flow and heat transfer features of active clearance control systems | |
| Fröhlich et al. | Determination of the Energy Flux of a Commercial Atmospheric‐Pressure Plasma Jet for Different Process Gases and Distances Between Nozzle Outlet and Substrate Surface | |
| Panerai et al. | Plasma wind tunnel testing as support to the design of gas-surface interaction in-flight experiments | |
| CN106124559A (zh) | 抗氧化涂层在500～1500℃区间的抗氧化性能测试装置 | |
| RU2510491C2 (ru) | Способ измерения степени черноты | |
| Xu et al. | Analysis of temperature gradients in thin-walled structures under thermomechanical fatigue loading conditions | |
| Bychkov et al. | Investigations of thermomechanical fatigue for optimization of design and production process solutions for gas-turbine engine parts | |
| RU2424506C1 (ru) | Способ определения термомеханических напряжений в охлаждаемых деталях с теплозащитными высокотемпературными покрытиями | |
| RU154027U1 (ru) | Устройство крепления мягких теплоизоляционных материалов для измерения теплопроводности при высоких температурах | |
| Biegger et al. | Heat transfer measurements in a swirl chamber using the transient liquid crystal technique | |
| Gorskii et al. | Computational and experimental investigations into the mass loss of a carbon material in the sublimation regime of its thermochemical destruction | |
| RU2792255C1 (ru) | Способ определения каталитической активности материалов и покрытий | |
| Kutasi et al. | Modelling for Control the Hollow Cathode Anodic Plasma Nitriding |