Диссертация (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов), страница 9

2.32). Это позволяло снизить погрешность определения температур.Значения Ti определялись из соотношения 2.14.Рис. 2.32. Эскиз металлического образца с канавкамидля установки термопар66Ti T i1 T i2  Ti33(2.14)Исследовались контактные пары образцов «К»-ЭИ961ш» и «Н»-ЭИ961ш».Теплофизические характеристики исследуемых материалов приведены на Рис.2.33.Рис. 2.33.

Теплофизические характеристики исследуемых материалов2.2.2. Разработка конструкции нагревателя и системы контроля иуправления температуройДля обеспечения заданного температурного режима испытаний в моделибыла разработана система разогрева, схематично представленная на Рис. 2.34, ивключающая в себя следующие основные узлы:67А)–спрофилированныйнагреватель,препарированныйдвумятермопарами;Б) – трансформатор с токоподводящими шинами;В) – система регистрации и управления температурой.Рис.

2.34. Система нагрева образцов1 – трансформатор, 2 – шины, 3 – нагреватель, 4 – термопара, 5 –регулятор температуры, 6 – реле времени, 7 – регулятор мощности.Нагреватель (Рис. 2.35) выполнен из жаропрочного сплава ВЖ98, состоитиз двух идентичных ветвей (верхней и нижней), имеющих среднюю рабочую(разогреваемую) область шириной 25 мм и широкие периферийные участки счетырьмя отверстиями, предназначенными для закрепления токоподводящихшин.Разогревнагревателяосуществлялсяпропусканиемчерезнегоэлектрического тока от вторичной обмотки трансформатора.

С цельюполучениянеобходимогоперепадатемпературмеждувнешнимиповерхностями металлических образцов на ветвях нижнего нагревателяустанавливаласьмеднаяпластина,котораязасчѐтэлектросопротивления способствовала свободному протеканию тока.низкого68Рис. 2.35. НагревательУправление температурным режимом осуществлялось с помощью двуххромель-копелевых термопар Ø 0,3 мм, приваренных к верхней и нижнейветвям нагревателям вблизи места установки образца.

Система управлениятемпературой выполнена на базе современного аппаратного обеспеченияфирмы ООО «КонтрАвт» с помощью микропроцессорного ПИД-регулятора«Метакон-515», реле времени «Эркон-215» и тиристорного регуляторамощности (ТРМ) серии W5 (Рис. 2.36).Рис. 2.36. Используемое аппаратное обеспечение69Система управления температурой функционировал следующим образом.Микропроцессорный регулятор температуры «Метакон-515» является узловымприбором данной системы. На него подается сигнал с термопары верхнегонагревателя,которыйвзависимостиотзаконаПИД-регулированияпреобразуется в соответствующий стандартный токовый сигнал ((0…4)мА –20мА), передаваемый на ТРМ.

В зависимости от уровня этого сигнала ТРМизменяет (уменьшает или увеличивает) мощность, подаваемую на нагреватель.Так, при достижении заданной максимальной температуры, управляющий итоковый сигналы плавно снижаются, обеспечивая плавное снижение мощностии выход на заданную температуру без проскока.

Регулятор температуры«Метакон-515» имеет в своем составе три компаратора, один из которыхзадействован как аварийный. То есть токовый выходной сигнал, прежде чемподаваться на ТРМ, проходит через нормально замкнутое аварийное реле,которое в случае обрыва термопары автоматически размыкается, отключаянагрев.Высокая скорость опроса показаний термопары (250мс) обеспечиваетнеобходимоебыстродействиепредназначеныдлясистемы.подключениярелеДополнительныевремени,компараторыиспользуемогодляустановления временных границ испытаний – времени выдержки примаксимальной температуре и защиты от перегрева по времени разогрева.В процессе испытаний регистрация температуры металлических образцов(12 термопар) осуществлялась с помощью двух модулей ввода-выводааналоговых и дискретных сигналов серии MDS фирмы «КонтрАвт», имеющихкаждый по 8 каналов ввода.

Опрос входного сигнала каждого каналапроисходил за 0,1сек. Данные с аналоговых модулей MDS передавались на ПКпоследовательнопоинтерфейсуRS-485соскоростью115,2кбод.Температурные значения записывались с помощью программного комплекса«MasterScada».702.2.3. Исследование термической проводимости контакта «металлкерамика» при различных уровнях температурСистема нагрева показана на Рис.

2.37. Металлические образцыпрепарировалисьхромель-алюмелевымитермопарамивкремнезѐмовойизоляции Ø0,3 мм (Рис. 2.38). Уровень исследуемых температур в областиконтакта составлял от 100oС до 810oС, что соответствует уровню температур взамковом соединении реальных конструкций турбин (Рис. 2.39). Плотныйконтакт образцов обеспечивался фиксирующими болтами. Уровень нагрузки вданных условиях не превышал 1 МПа.Рис.

2.37. Система нагреваРис. 2.38. Препарированиеобразцов термопарамиРис. 2.39. Проведение эксперимента71Для контактных пар «К»-ЭИ961ш» проводился ступенчатый нагрев свыдержкой на 5 уровнях температур (для верхней ветви нагревателя): 100 oС(выдержка 20,5 минут); 300 oС (выдержка 18,4 минут); 500 oС (выдержка 15,5минут); 700 oС (выдержка 6 минут); 810 oС (выдержка 3,5 минут). Результатыэксперимента приведены на Рис. 2.40 и в Таблице 2.4.Рис.

2.40. Проведение эксперимента для пары «К»-ЭИ961ш»Таблица 2.4.Результаты исследования для пары «К»-ЭИ961ш»t, cTA , ΟCTB , ΟCT1 , ΟCT2 , ΟCT3 , ΟCT4 , ΟC12311008597,9796,9989,2588,892335300262295,48293,32273,35272,843266500448493,60490,53464,19463,233621700654693,26689,41672,16671,043801810750801,31796,48777,65776,4572Для контактных пар «Н»-ЭИ961ш» проводился ступенчатый нагрев свыдержкой на 4 уровнях температур (для верхней ветви нагревателя): 100 oС(выдержка 20,6 минут); 300 oС (выдержка 20,7 минут); 500oС (выдержка 20,3минут); 700oС (выдержка 17,5 минут).

Результаты эксперимента приведены наРис. 2.41 и в Таблице 2.5.Рис. 2.41. Проведение эксперимента для пары «Н»-ЭИ961ш»Таблица 2.5.Результаты исследования для пары «Н»-ЭИ961ш»t, cTA , ΟCTB , ΟCT1 , ΟCT2 , ΟCT3 , ΟCT4 , ΟC12361008899,0598,1893,0692,352478300268297,85295,73280,77279,13695500454497,02493,76472,31469,324744700670698,11694,63684,66681,9273В ходе испытаний было отмечено, что после 500oС начинаетсяинтенсивный процесс окисления медной вставки (Рис. 2.42), обеспечивающейперепад температур.

Из-за этого достоверными принято считать данные принагреве до TA  500Ο C .Рис. 2.42. Медная вставка до проведения испытаний и послеПовышеизложеннойметодикепроизведѐнрасчѐттермическойпроводимости контакта исследованных пар «К»-ЭИ961ш» и «Н»-ЭИ961ш». Вкачестве примера на Рис. 2.43 и 2.44 показаны распределения температур вконтактныхпарах,соответствующиеэкспериментальнымданным,приTA  500Ο C . Результаты расчѐтов приведены в Таблице 2.6.Таблица 2.6.Термическая проводимость контакта α К , Вт/ м2 Ο C исследованных пар приуровне напряжения смятия 1 МПаTA , ΟC100300500«К»-ЭИ961ш»420545905350«Н»-ЭИ961ш»25003410370074Рис. 2.43. Распределение температур в центральном сечениидля пары «К»-ЭИ961ш» (при TA  500Ο C ), Ο CРис.

2.44. Распределение температур в центральном сечении дляпары «Н»-ЭИ961ш» (при TA  500Ο C ), Ο C75Примечание: ни один из образцов при данных испытаниях не былразрушен. Далее проводились испытания с нагрузками, сопоставимыми поуровню с эксплуатационными в рабочих колѐсах турбин.2.2.4. Исследование термической проводимости контакта «металлкерамика» при различных уровнях силового нагруженияПроведены термо-механические испытания контактных пар образцов «К»ЭИ961ш» и «Н»-ЭИ961ш» на машине Instron 5985 (до 25 тонн). В исследованиииспользовалась система нагрева, описанная выше.

Для передачи сжимающейнагрузки использовалась оснастка, описанная в разделе 2.1.2. Чтобы исключитьвозможности протекания тока через испытательную машину, в местах контактаветвей нагревателя с оснасткой устанавливались прокладки из слюды.Экспериментальная система показана на Рис. 2.45.При настройке испытательной системы сделан вывод о недопустимостинагрева образцов более, чем до 200oС. Это могло привести к перегревуоснастки и последующему сбою в работе испытательной машины. Передосновными испытаниями для каждой исследуемой пары проводилось двапредварительныхзапуска-остановасцельюпритиранияконтактныхповерхностей. Металлические образцы препарировались хромель-копелевымитермопарами в кремнезѐмовой изоляции Ø 0,2 мм.

Для каждой термопарыпроводилась поверка при уровне температур эксперимента (Таблица 2.7).Среднее значение погрешности из серии в 12 термопар при уровне температур168oС составило 0,41oС. C учѐтом трѐх измерений на одном уровне,погрешность измерений не превышала 0,3 oС.76Таблица 2.7.Поверка термопар ХКПоказанияобразцовойтермопарыПогрешность измеряемых термопар 12 шт,Δt, oC (ГОСТ  2,2 o С )t , oC№123456789101112132,5-0,7-0,1-0,4-0,2-0,1-0,1-0,5-0,4-0,8-0,1-0,1-0,1150,0-0,3-0,1-0,4+0,2-0,4-0,4-0,4-0,5-0,4-0,2-0,4-0,4168,0-0,5+0,6+0,2+0,2+0,4+1,4-0,5+0,6-0,7+1,1+1,4+0,8Рис. 2.45. Испытания образцов при различных уровнях нагрузкиДля контактных пар «К»-ЭИ961ш» проводилось ступенчатое нагружение cпостоянным поддерживаемым системой перепадом на ветвях нагревателя свыдержками по 15 минут на 5 уровнях нагрузки: 86 кгс, 478 кгс, 980 кгс, 1493кгс, 1965 кгс. Результаты эксперимента приведены на Рис.