№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 620.193.53+661.66
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ И УГЛЕРОД-КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
© 2015 г. В.Н. БАСКАКОВ, Л.И. ВОЛКОВА, С.В. КАЛИНИН, С.М. ЦАЦУЕВ
Государственный научный центр РФ — федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша ", Москва
E-mail: kerc@elnet.msk.ru
При создании элементов проточных трактов для высокотемпературных энергетических установок из углерод-углеродных или углерод-керамических композиционных материалов одним из важнейших показателей является стойкость материала к тепловым и эрозионным нагрузкам. Для улучшения этих характеристик разрабатываются новые марки материалов, исследуются технологии нанесения антиокислительных покрытий. Экономичным способом испытания новых материалов в условиях, аналогичных натурным, являются испытания модельных образцов материалов. При этом важно соблюдение некоторых условий. Образец материала должен быть представительным по сравнению с полноразмерным элементом энергоустановки. Для образцов материала с многослойными покрытиями особенно важно имитировать время работы и количество циклов нагрева и охлаждения. Такая необходимость возникает ввиду ускоренной механической деградации покрытия из-за неравномерного, ввиду разницы в КЛТР, теплового расширения и сжатия отдельных слоев материала.
В статье представлены результаты разработки испытательного комплекса для анализа термоэрозионной стойкости перспективных углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов. Испытательный комплекс состоит из газогенератора, системы измерений, оборудования для дефектации образцов композиционных материалов. Для обработки данных прямых измерений разработано программно-методическое обеспечение, позволяющее проводить анализ стойкости образцов материалов в зависимости от условий испытания.
Ключевые слова: испытания материалов, термохимическая стойкость, углерод-углеродный композиционный материал, углерод-керамический композиционный материал.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HEAT-EROSION RESISTANCE OF CARBON-CARBON AND CERAMIC MATRIX COMPOSITE MATERIALS FOR HIGH ENERGY PROPULSION APPLICATIONS
V.N. BASKAKOV, L.I. VOLKOVA, S.V. KALININ, S.M. TSATSUEV
State Scientific Centre of Russian Federation — Federal State Unitary Enterprise "Research Centre named after M.V. Keldysh", Moscow
E-mail: kerc@elnet.msk.ru
High temperature and erosion resistance of carbon composite materials and ceramic matrix composite is very significant when creating flowing path elements for high-energy power systems. New types of materials and new technologies of creating layered structures are developing for improvement of these properties. Fire tests of model samples in appropriate conditions are the cheapest way of probation of new technologies. There are several circumstances need to be observed. Sample of material must be representative in compare with full-size element. Duration and especially quantity of "heating-cooling" cycles are important for samples with multilayer coatings, because of accelerated degradation caused by little differences in the coefficient of linear thermal expansion.
A test system for analysis of thermal erosion resistance of perspective carbon-carbon and carbon-ceramic composite materials was developed. The system consists of gas generator, measurement suite, composite material samples defectation equipment and methodological support including system of experimental results processing.
Key words: material testing, chemical resistance, carbon-carbon composite, carbon-ceramic composite, ceramic matrix composite.
Уникальный комплекс эксплуатационных характеристик современных углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) обеспечил им широкое применение в теплонапряженных конструкциях ракетно-космической техники: наконечники головных частей ракет, сопловые блоки и сопловые насадки РДТТ, элементы органов управления вектором тяги и др.
Повышение эффективности работы ракетных двигателей (РД) в значительной степени связано с повышением температуры и давления продуктов сгорания в камере двигателя при соответствующем повышении температуры поверхности огневой стенки проточного тракта из композиционных материалов (КМ) и интенсивности тепло-эрозионного воздействия на нее со стороны потока продуктов сгорания. В ряде случаев условия работы КМ осложняются длительным и циклическим режимом работы.
Результаты испытаний образцов КМ на основе волокнистых углеродных армирующих каркасов, разрабатываемых отечественными материаловедческими предприятиями, показывают, что эффективным способом повышения теплоэрозионной стойкости углеродных КМ является введение в их состав керамических компонентов в объем и/или в качестве защитного покрытия. Вместе с тем результаты испытаний таких композиций показали, что степень этой эффективности зависит от особенностей углеродной основы КМ, состава, структуры и способа формирования матрицы УККМ и наносимого защитного покрытия, а также от того, насколько хорошо совместимы между собой компоненты УККМ и УУКМ с покрытием. Правильность принятых решений и эффективность их реализации могут быть оценены по результатам испытаний образцов материалов в условиях, соответствующих условиям их работы в натурном изделии. Ответ может быть получен при испытании детали из КМ в натурном габарите на натурном изделии при его штатной работе. Однако такие испытания дороги и могут быть единичными, что определяет необходимость разработки комплекса, состоящего из испытательного оборудования и методического обеспечения для подготовки и проведения испытаний малогабаритных модельных образцов, системы измерений и обработки экспериментальных данных, оборудования для дефектации образцов КМ и методического обеспечения для анализа результатов испытаний и их переноса на штатные условия работы КМ.
Практический интерес у разработчиков РД для ДУ средств выведения (СВ) и разгонных блоков (РБ) вызывает применение УККМ в качестве материала сопловых насадков радиационного охлаждения (НРО), имеющих форму тонкостенной оболочки толщиной до 3,0—2,5 мм. Расчетный анализ теплового состояния КМ в таких конструкциях для модернизируемых и разрабатываемых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) показал, что диапазон изменения температуры огневой стенки из КМ составляет ~1400—1800 К (в некоторых специальных случаях температура может повышаться до 1900—2000 К), давление в полости НРО от ~0,2 до ~0,05 МПА.
3 Энергетика, № 3
65
111,6
Рис. 1. Испытуемый образец КМ
Пневмоклапан
Рис. 2. Пневмогидравлическая схема экспериментальной установки
Для проведения теплоэрозионных испытаний образцов КМ, в том числе при циклическом режиме нагружения, с нагревом огневой стенки до указанных выше температур на стенде 2СТ12 "Центр Келдыша" создана экспериментальная установка на базе газогенератора, работающего на компонентах керосин + воздух.
С целью получения сопоставимых опытных данных по стойкости различных КМ и покрытий предложены единые для всех материалов форма и размеры образца (рис. 1), выбранные с учетом:
— возможности формирования малогабаритной тонкостенной оболочки из КМ в форме модельного элемента конструкции с представительными составом и структурой материала с использованием штатных исходных материалов и действующих технологических процессов;
— особенностей процессов газовой динамики и тепломассообмена в водоохлаждае-мой проточной части камеры сгорания газогенератора и образца КМ (наличие тепловой завесы в пристенке на входе в образец КМ).
Длина образца выбрана по результатам расчетов его теплового состояния с учетом наличия тепловой завесы на входе в испытуемый образец КМ [1—3].
Пневмогидросхема созданной экспериментальной установки показана на рис. 2.
Системы установки стенда позволяют обеспечить расход воздуха до 1 кг/с при температуре до 650 К, расход керосина до 80 г/с, давление в камере сгорания рабочей ча-
сти до 1 МПа при температуре продуктов сгорания от 1500 до 2100 К (измеряются в двух зонах камеры сгорания вольфрам/рениевыми термопарами), время непрерывной работы до 400 с при расходе воздуха 0,3 кг/с. Рабочая часть газогенератора (рис. 3) представляет собой цилиндрическую водоохлаждаемую камеру сгорания с внутренним диаметром 100 мм. Переходник от камеры сгорания к испытуемому образцу также выполнен водоохлаждаемым.
Общий вид газогенератора с престыкованной к нему оснасткой для крепления образца КМ и установки прижимных термопар, измеряющих температуру в различных точках его внешней поверхности, показан на рис. 4.
Термопары (до 12 термопар хромель/алюмель) размещаются на трех кронштейнах вдоль трех образующих образца, смещенных по окружности на 120° относительно друг друга, в трех-четырех поперечных сечениях по длине образца. Для обеспечения надежного контакта спая термопар с поверхностью термопары с помощью специальных устройств прижимаются к поверхности образца с усилием ~150 ± 15 г. Дополнительно температура части поверхности образца КМ, незатененная кронштейнами и установленными на них термопарами, контролируется тепловизором "Тандем У$249". Такая организация температурных измерений позволяет определять не только уровень температуры образцов КМ в различных точках их поверхности, но и получить информацию о возможных неоднородностях в тепловом состоянии образца в контролируемом поперечном сечении.
Все измеряемые параметры работы экспериментальной установки и теплового состояния образца в процессе испытания выводятся на ЭВМ для записи и расшифровки. Дополнительно в процессе испытаний проводится видеосъемка, контролирующая состояние испытуемого образца (рис. 5).
Рис. 5. Фрагмент испытаний
3* 67
Важнейшим параметром, который необходимо надежно обеспечить в процессе испытаний, является температура внутренней поверхности образца. Учитывая практическую невозможность измерения этой температуры, был разработан расчетно-экспе-риментальный метод определения этой величины.
По измеренным значениям темп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.