Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ В СРЕДЕ ЖИДКОГО ИЛИ ГАЗООБРАЗНОГО КИСЛОРОДА С МОДЕЛИРОВАНИЕМ НАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для испытания образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации, например, в криогенной технике и в ЖРД.

Одним из наиболее характерных свойств кислорода является его большая химическая активность. Процесс горения некоторых веществ в кислороде происходит гораздо быстрее и с большей температурой, чем в воздухе. Пожароопасны в жидком кислороде многие неметаллы и некоторые металлы, особенно при повышенных давлениях, характерных для процессов, происходящих в ЖРД. Поэтому важной задачей правильного выбора материалов для работы в жидком и газообразном кислороде являются данные по физико-механическим свойствам этих материалов при криогенных температурах и по взрыво- и пожароопасности материалов при контакте с кислородом.

Известны устройства, с помощью которых определялись свойства материалов в атмосфере чистого кислорода под давлением до 14 МПа [1, 2], в частности чувствительность материалов к механическим ударам.

Известно устройство для низкотемпературных механических испытаний образцов материалов, например [3], содержащее криостат с камерой, заполненной криогенной жидкостью с погруженным в нее приспособлением для механических испытаний образцов материалов на растяжение, сжатие, изгиб и т.п.

Известно устройство для определения предельных давлений (до 10...12 МПа), при которых происходит горение материалов в жидком и газообразном кислороде [4] . Устройство представляет собой теплоизолированный герметичный сосуд объемом 2 л. В опытах использовались образцы диаметром 3... 6 мм и длиной до 130 мм. Источником зажигания служила нагреваемая электрическим током стальная проволока диаметром 0,5 мм.

Недостатки указанных аналогов заключаются в том, что конфигурация испытываемых образцов не соответствует форме натурных деталей, подвергающихся воздействию кислорода в реальных агрегатах криогенных машин, отсутствует поток кислорода, который в реальных машинах оказывает существенное влияние на возникновение возгорания образца, а для исследования возгорания использовались специальные источники зажигания (с помощью нагрева спирали электрическим током или механического удара), что не соответствуют условиям, возникающим в реальных криогенных машинах, например в кислородных насосах или компрессорах, в которых возгорание происходит в основном от трения деталей, закрепляемых на валу, о детали, закрепляемые на статоре.

В качестве прототипа установки для испытаний образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации принята установка для испытаний лабиринтных уплотнений кислородных компрессоров типа КТК - 12,5, в условиях, приближенных к натурным [5]. Основной частью установки является камера высокого давления, в которой на валу вращаются сменные бандажи (гладкий при испытаниях образцов материалов или с зачеканенными гребнями при испытаниях гребней и обойм уплотнений). Образец или обойма уплотнения поджимаются в радиальном направлении к бандажу специальным толкателем с силой примерно 20 кг. Комбинированием материалов бандажа и образца можно было получать различные пары трения. Опыты проводились в интервале давлений до 0,1...3 МПа при начальной температуре 18-20^oC. Подача и сброс газообразного кислорода из камеры высокого давления производилась через специальные трубопроводы. В опытах определялись минимальные давления кислорода, при которых происходило воспламенение и сгорание образца испытываемого металла при кратковременном трении его о вращающийся металлический бандаж.

В описанной установке форма и размеры испытываемых образцов отличаются от формы и размеров натурных уплотнений, а элементы, имитирующие движущиеся детали, остаются неподвижными. Кроме того, соотношение размеров и масс трущихся элементов не соответствует натурной конструкции имитируемого компрессора. Это приводит к тому, что по результатам испытаний, проводимых на указанной установке, не всегда можно сделать правильные выводы о работоспособности материалов и штатной конструкции в целом.

Задачей настоящего изобретения является разработка установки для испытаний образцов материалов и элементов конструкций, позволяющей проводить испытания натурных элементов конструкции, состоящих из вращающихся и невращающихся деталей, с целью экспериментального определения критических параметров взаимодействия деталей натурных элементов, работающих в криогенной технике или в ЖРД в среде жидкого или газообразного кислорода.

Для достижения указанного технического результата в установке для испытания образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации, содержащей камеру высокого давления с подводом и отводом кислорода, вращающийся вал, радиальный толкатель с механизмом перемещения, измерительные приборы и исследуемый объект. Камера высокого давления разделена на две секции, технологическую и рабочую, имеющие каждая автономный подвод и отвод кислорода, при этом вращающийся вал, проходящий вдоль секций камеры высокого давления, выполнен сменным и установлен в технологической секции с помощью подшипников, а к вращающейся детали исследуемого объекта, консольно закрепленного на сменном валу в рабочей секции, с помощью сменной втулки прижимается невращающаяся деталь исследуемого объекта, причем сменная втулка посредством двух толкателей в осевом и радиальном направлениях связана с механизмами перемещения, кроме того, механизмы перемещения толкателей расположены вне камеры высокого давления.

Разделение камеры высокого давления на две секции, рабочую и технологическую, позволяет проводить испытания исследуемого объекта в рабочей секции с обеспечением в ней натурных условий работы, а в технологической секции, где сменный вал устанавливается с помощью подшипников, создаются щадящие условия. Сменный вал дает возможность проводить испытания элементов конструкции различной формы и размеров, т.е. расширяются возможности использования установки в целом. Сменная втулка служит для передачи усилий от радиального и/или осевого толкателей с механизмами перемещения к невращающимся деталям испытываемого объекта, взаимодействующим с вращающимися деталями, установленными на сменном валу, что позволяет использовать установку для испытания различных элементов конструкции. Расположение механизмов перемещения осевого и радиального толкателей вне камеры высокого давления позволяет изменять в процессе проведения испытаний величины усилий взаимодействия вращающихся и невращающихся деталей по величине и направлению.

Предлагаемая установка для испытания образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации иллюстрируется чертежом.

Установка для испытания образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации содержит камеру высокого давления 1, разделенную на две секции: технологическую 2 и рабочую 3. В технологической секции 2 с помощью подшипников 4 устанавливается сменный вал 5. На сменном валу 5 в рабочей секции 3 камеры высокого давления 1 закрепляется вращающаяся деталь 6 исследуемого объекта. Невращающаяся деталь 7 исследуемого объекта с помощью сменной втулки 8 под действием осевого толкателя 9 и радиального толкателя 10 прижимается к вращающейся детали 6. Нагрузка на осевой толкатель 9 передается от механизма перемещения 11, а нагрузка на радиальный толкатель 10 передается от механизма перемещения 12.

Сменный вал 5, соединенный посредством упругого элемента 13 с валом турбопривода 14, приводится во вращение от турбины 15, скорость вращения которых определяется величиной давления рабочего тела турбины, подаваемого через штуцер 16, и измеряется с помощью датчика оборотов 17. Подача кислорода производится в технологическую секцию 2 камеры высокого давления 1 через штуцер 18, а в рабочую секцию 3 через штуцер 19. Для организации протока кислорода через исследуемый объект производится сброс кислорода из рабочей секции 3 камеры высокого давления 1 через штуцер 20. Для охлаждения подшипников 4 производится сброс кислорода из технологической секции 2 камеры высокого давления 1 через штуцер 21.

Работа установки осуществляется следующим образом: перед началом проведения испытаний устанавливают сменную втулку 8, и сменный вал 5, соответствующий исследуемому объекту, и исследуемый объект, очищают и обезжиривают технологическую 2 и рабочую 3 секции камеры высокого давления 1, приводят в исходное положение толкатели 9 и 10.

В случае проведения испытания на жидком кислороде захолаживают камеру высокого давления 1 путем подачи в технологическую 2 и рабочую 3 секции жидкого кислорода через штуцеры 18 и 19 и стравливают его через штуцеры 20 и 21. Одновременно с захолаживанием подают в турбину 15 через штуцер 16 примерно 10% расхода рабочего тела для прокрутки валов турбопривода 14 и сменного вала 5 во избежание прихватывания элементов конструкции при подаче кислорода.

После захолаживания, которое контролируется датчиком температуры и определяется по выходу на требуемый температурный режим, увеличивают давление подачи кислорода через штуцеры 18 и 19 и рабочего тела турбины 15, режим работы установки доводится до заданного.

При подаче управляющего давления в механизмы перемещения 11 и 12 создают посредством толкателей 9 и 10 заданные усилия на исследуемый объект в осевом и радиальном направлении поочередно или одновременно, в зависимости от программы испытаний.

Для измерения параметров, характеризующих режим работы устройства, применяют датчики для измерения расхода, давления и температуры кислорода, датчики оборотов вала и управляющего давления в приводах толкателей.

Выбор материалов для взаимодействующих элементов конструкции трактов кислорода (жидкого или газообразного) производится по сочетанию параметров, определяющих тепловыделение из-за трения, и времени контакта.

При этом тепловая удельная нагрузка трения q определяется по формуле
q=f_тр·U·P [Вт/м²],
где f_тр - коэффициент трения между взаимодействующими элементами,
U - относительная скорость перемещения вращающихся и неподвижных элементов,
P - контактное давление взаимодействия, равное отношению усилия прижатия к площади контакта элементов.

При прекращении работы установки происходит сброс управляющего давления из механизмов перемещения 11, 12 толкателей 9 и 10, прекращение подачи рабочего тела на турбину 15 и кислорода в рабочую секцию 3 и технологическую секцию 2 камеры высокого давления 1, включается продувка азотом секций камеры.

Предлагаемая установка позволяет в отличие от прототипов варьировать определяющие параметры взаимодействия образцов в широком диапазоне значений, что дает возможность рассматривать пары материалов с существенно различными физико-химическими свойствами, а также проводить оценку работоспособности в заданных условиях также и натурных элементов конструкции.

Источники информации
1. Key C.F. Mater. Res. a Stand. MTRSA. 1971, v 11, N 6, p 28-34.

2. Jamison H. H. Res. a Stand. MTRSA. 1971, v 11, N 6, p 22-28, 52-53.

3. Авторское свидетельство СССР N 871037, G 01 N 3/18, 1981.

4. Иванов Б. А., Мелихов А.С., Розовский А.С. Физика горения и взрыва, 1972, N 4, с. 593-595.

5. Никонов А. П. Исследование в области компрессорных машин. Киев, Будiвельник, 1970, с. 253-257.