Диссертация (781919), страница 38
Текст из файла (страница 38)
В результате расчета наряду с вычислением значенийплотности теплового потока, определятся распределение температур в поперечном сечении лопатки.Для принятия решения об адекватности расчетной тепловой модели используется зависимость (4.1), позволяющая оценить влияние выявленных отличий между qр и qц на температурное состояние лопатки.2401Θц1Θр1ц1р(4.1), где Θр – безразмерная температура поверхности лопатки, полученная на основе моделирования;Θц – безразмерная температура поверхности лопатки, полученная на основе экспериментальных исследований.Задаваясь величиной допустимого отклонения безразмерной температуры ΔΘ, допустимоеотклонение плотности теплового потока qр от qц можно оценить по формуле (4.2).Θрц1∆Θ1Θрр доп11. (4.2)При условии qц/qр ≤ (qц/qр)доп можно считать, что на данном участке пера лопатки расчетнаямодель адекватно описывает процессы внутреннего теплообмена.
Сравнение расчетных qр иэкспериментальных qц значений плотности теплового потока проводится для нескольких режимов, характеризующихся различным перепадом давления.Рассматриваемый метод верификации может быть применен и для уточнения критериальных уравнений, используемых при моделировании процессов теплообмена. В случае адекватности критериальных уравнений, значение отношения qц/qр практически не зависит от перепададавления на лопатке.
Наличие такой зависимости свидетельствует о неверном значении коэффициента m при числе Рейнольдса. Если сравнение экспериментальных и расчетных тепловыхпотоков, полученное для различных перепадов давления, дает одинаковое по величине отклонение, можно считать, что степень m в используемой критериальной зависимости Nui = Аi·Reimсоответствует режиму хладагента.Для уточнения критериальных уравнений, используемых при моделировании теплоотдачиот внутренней поверхности лопатки к охлаждающему воздуху, может быть использован коэффициент интенсификации теплоотдачи ΔКинтi, рассчитываемый по формуле (4.3).∆ринтц. (4.3)Тогда уточненное значение Аiк в критериальном уравнении будет определяться из соотношения (4.4).241∆∆инт∙. (4.4)Существенное изменение отношения qц/qр при различных перепадах давления свидетельствует о том, что значение показателя степени m в критериальном уравнении, использованномпри разработке тепловой модели, принят некорректно.
Как правило, такие расхождения наблюдаются в застойных зонах, на участках поворота и в местах смешения потоков, в зонах струйного или циклонного охлаждения.4.2 Обоснование возможности использования прототипов теплонапряженных деталей,изготовленных по SLM-технологии для теплогидравлических испытанийПредлагаемая методика проектирования охлаждаемых теплонапряженных деталей предполагает проведение опережающей верификации до выпуска конструкторской документации налопатку на основе экспериментальных исследований прототипов, изготовленных по SLMтехнологии из металлического порошка.
Процесс изготовления детали методом послойногоспекания имеет отличия для материалов различного химического состава и значительным образом зависит от фракционного состава порошка. Режим спекания и выбор материала определяюткак внутреннюю структуру детали, которая может оказаться пористой, так и качество поверхности детали. Обе эти характеристики оказывают существенное влияние на результаты гидравлических и тепловых испытаний, являющихся основой для верификации расчетных моделей.Поэтому необходимо проведение комплекса исследований, обосновывающих возможность изготовления по SLM-технологии прототипов, обладающих необходимыми свойствами.4.2.1 Выбор и исследование свойств материала для изготовления прототиповБольшую роль в обеспечении возможности применения SLM-технологий для изготовленияпрототипов с целью их тепловых испытаний имеет подбор подходящего материала и режимоввыращивания детали. Выбор материла и фракционного состава порошка определяет возможность возникновения пористости детали, что в первую очередь влияет на коэффициент теплопроводности λ, являющийся важным параметром материала прототипа при испытаниях в жидкометаллическом термостате и на газодинамическом стенде.
В качестве базового материла дляизготовления прототипов теплонапряженных деталей был выбран мелкодисперсный порошокна основе железа с размером частиц d = 5 мкм, химический состав которого приведен в таблице4.1.242Таблица 4.1 – Химический состав частиц порошкаХимический элементЖелезо, FeХром, CrНикель, NiМедь, CuМарганец, MnКремний, SiМолибден, MoНиобий, NbУглерод, CДоля, %Баланс14,0-15,53,5-5,52,4-4,5≤ 1,0≤ 1,0≤ 0,50,15-0,45≤ 0,07Изготовление моделей осуществлялось на аддитивной установке SLM 280.
Отработка параметров технологического процесса проводилась на плоских образцах, размером 10×5×100 мм.Основной задачей являлось получение минимальной шероховатости поверхности и исключениепористости с целью обеспечения герметичности стенок каналов. В результате исследованийустановлено, что выбранный порошок позволяет обеспечивать при изготовлении детали относительную плотность, равную 100 %, при ее абсолютном значении 7900 кг/м3.Определение коэффициента теплопроводности λ проводилось на экспериментальной установке, схема рабочего участка которой представлена на рисунке 4.2, в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе [308]. Образцы представляли собой диски диаметром 80 мм итолщиной 10 мм. Между образцами помещался плоский нагреватель 1 толщиной hнагр = 12 мм идиаметром dнагр = 90 мм, внутри которого расположен электрический нагревательный элемент.Тепловой поток, создаваемый нагревателем, определялся на основе измерений падения напряжения при известном значении сопротивления нагревательного элемента.Рисунок 4.2 – Рабочий участок установки243С целью обеспечения постоянной температур нагреваемых поверхностей испытуемых образцов обмотка нагревательного элемента была распределена равномерно.
Для уменьшения потерь теплоты через торцевые поверхности образцов в окружающую среду был установлен теплоизоляционный кожух 4. Тепловой поток проходил от нагревателя 1 через исследуемые образцы 2 и отводился протекающей через холодильник 3 водой. Холодильник представляет собойемкость со спиральными канавками, создающими циркуляцию охлаждающей воды, котораяобеспечивала одинаковую температуру на охлаждаемых поверхностях опытных образцов.
Дляуменьшения контактного сопротивления холодильники и исследуемые образцы с двух сторонсжимались винтовым прессом.Схема измерения температур была организована следующим образом: горячие спаи 1-й и 2й термопар располагались на наружной (охлаждаемой) поверхности, горячие спаи термопар с 3й по 6-ю установлены на внутренней (нагреваемой) поверхности образца, а горячий спай 7-йтермопары установлен на внешней поверхности теплоизоляционного кожуха и предназначендля измерения температуры с целью последующей оценки тепловых потерь через торцевую поверхность образцов.
Все измерение проводилось в стационарном режиме работы установки присредней температуре образцов от 50 до 450 °С.Коэффициент теплопроводности материала образца λ может быть рассчитан по формуле(4.5).λ4∙π∙, (4.5)где Q – тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через опытные образцы посредством теплопроводности, определяемый из выражения (4.6).нагрпотер , (4.6)где Qнагр – мощность нагревательного элемента, Вт;Qпотер – тепловые потери в окружающую среду, Вт.Мощность электронагревателя определяется на основании результатов измерения падениянапряжения U при известном электрическом сопротивлении R нагревателя в соответствии с выражением (4.7).нагр. (4.7)244Тепловые потери через кожух цилиндрической формы могут быть рассчитаны по формуле(4.8).потер5 ∙ π ∙ λкож ∙нагркож∙нагр∙кожнагркож∙гор.ср2кож, (4.8)где λкож – коэффициент теплопроводности материала кожуха (асбоцемента), Вт/(м·К), равный0,08;Dнагр – внешний диаметр нагревателя, м;Dкож – внешний диаметр кожуха, м;hнагр – толщина нагревателя, м;hкож – высота кожуха, м;tгор.ср – средняя температура горячей поверхности исследуемых образцов, K;tкож – температура наружной поверхности кожуха, К.Средняя температура горячей поверхности tгор.ср и средняя температура холодной поверхности tхол.ср исследуемых образцов определялась соответствии с выражением (4.9) как среднееарифметическое результатов измерения температур соответствующих поверхностей в нескольких точках (t1, t2, t3, t4, t5, t6).гор.ср,4хол.ср2. (4.9)Средняя по толщине температура исследуемого образца tср определялась по формуле (4.10).сргор.срхол.ср2. (4.10)Перед проведением исследований образцов, изготовленных по SLM-технологии, с цельюоценки погрешности метода проведена серия экспериментов на образцах из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, по которой имеются справочные данные коэффициентов теплопроводности λ взависимости от температуры материала.
Изменение значений коэффициента теплопроводностив зависимости от температуры, полученные в результате эксперимента, представлены рисунке4.3 вместе с зависимостью, построенной на основе справочных данных. Сравнение экспериментальных и справочных данных показало, что погрешность используемого экспериментальногометода определения коэффициента теплопроводности λ составляет порядка ± 6 %.2452422λ, Вт/м·К2018161412050100150200справочные данные250300350400450t, °Сэкспериментальные данные500Рисунок 4.3 – Зависимости коэффициента теплопроводности стали 12Х18Н10Т, полученные наоснове экспериментальных и справочных данныхНа рисунке 4.4 представлена зависимость коэффициента теплопроводности изготовленныхпо SLM-технологии образцов от температуры, полученная на основе результатов экспериментальных исследований. Как видно из приведенной зависимости, коэффициент теплопроводности λ меняется от 12 до 19 Вт/м·К при изменении температуры от 100 до 450 °С.
Таким образом, для модельных условий испытания прототипов в кристаллизующемся цинке значение λматериала образцов, изготовленных по аддитивной технологии, составляет 19 Вт/м·К. Длясравнения на рисунке 4.4 представлена аналогичная зависимость λ для жаропрочного сплаваЭИ 826. Значение λ материала образца больше, чем у данного жаропрочного сплава в среднемна 6 %.20λ, Вт/м·К18161412108050100150200250300t, °Сэкспериментальный образец350400450500сплав ЭИ 826Рисунок 4.4 – Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры5502464.2.2 Исследование влияния шероховатости поверхности моделей на точность определения тепловых и гидравлических характеристик каналов охлажденияЕще одним важным свойством образцов, изготавливаемых с применением аддитивных технологий посредством сплавления металлических порошков, отличающих их от образцов, изготавливаемых традиционными способами, является шероховатость поверхности, оказывающаясущественное влияние как на тепловые, так и на гидравлические характеристики систем охлаждения теплонапряженных деталей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
