Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы тепловой защиты энергонапряженных поверхностей в теплообменных устройствах 12
1.1 Состояние и модельные представления процессов пористого и сублимационного охлаждения 12
1.2 Характеристики процессов как объектов управления 23
1.3 Цель и задачи исследования 26
2. Моделирование теплового состояния пористой вставки при тепловой защите конструкций высокотемпературных энергетических установок 28
2.1 Дифференциальные уравнения теплообмена при транспирационном охлаждении с неравномерно распределённым по длине тепловым потоком 28
2.2 Дифференциальные уравнения теплообмена в криволинейной пористой вставке 36
2.3 Математическое моделирование двумерного двуконтинуального теплообмена в пористой матрице при межканальной транспирации с учётом анизотропии теплопроводности проницаемой матрицы 50
Выводы второй главы 55
3. Моделирование и автоматизация проектирования рациональных процессов сублимационного охлаждения в теплообменных устройствах 56
3.1 Особенности и принципы автоматизированного проектирования теплообменных устройств 56
3.2 Автоматизация моделирования процессов тепломассопереноса в сублимационных каналах 59
3.3 Рациональный выбор конструкции и параметров теплообменных устройств 66 Выводы третьей главы 70
4. Реализация и внедрение результатов исследования 71
4.1 Верификация экспериментальных моделей процессов охлаждения в пористых структурах при исследовании плазмотрона 71
4.2 Анализ результатов экспериментального исследования и эффективности применения средств САПР 94
Выводы четвёртой главы 98
Заключение 99
Список литературы
- Характеристики процессов как объектов управления
- Дифференциальные уравнения теплообмена в криволинейной пористой вставке
- Автоматизация моделирования процессов тепломассопереноса в сублимационных каналах
- Анализ результатов экспериментального исследования и эффективности применения средств САПР
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время решение актуальной задачи защиты теплонапряжённых поверхностей от действия высоких тепловых потоков является одной из наиболее важных задач, которую можно решать за счёт дальнейшего исследования методов и способов интенсификации процессов охлаждения в тепловых энергоустановках, а также за счёт автоматизации проектирования процессов пористого и сублимационного охлаждения.
Высокоэффективное проницаемое пористое охлаждение стало возможным благодаря развитию современных технологий изготовления пористых материалов, сдерживающих как значительные температуры, так и давления.
Постоянное совершенствование теплоиспользующих и
теплогенерирующих установок делает недостаточными методы анализа физических процессов в пористых структурах. Для более подробного изучения теплообмена необходимы дальнейшие разработки. В частности, во многих практически важных случаях необходим учёт двумерности процессов теплообмена и гидродинамики, анизотропии теплопроводности пористого материала и других немаловажных факторов, приближающих исследуемые процессы к реальным.
Процесс совершенствования современных летательных аппаратов сопровождается усовершенствованием устройств, которые нуждаются в охлаждении при помощи специальных теплообменников, поскольку применяемые для этой цели теплоизоляционные покрытия не всегда способны ограничить теплопритоки. Недостаточно эффективными в ряде случаев являются методы термостатирования, требующие дополнительных затрат энергии, но не в полной мере обеспечивающие стабильность температуры объекта в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Отмеченные недостатки отсутствуют у теплообменных сублимирующих
устройств, которые имеют приемлемую холодопроизводительность и высокое значение теплоты сублимации.
Разработка систем термостатирования требует трудоёмких инженерных расчётов для различных вариантов физических процессов и конструктивных особенностей устройств охлаждения. В последнее время в этой области от автоматизации отдельных элементов расчёта, связанных с численными решениями дифференциальных и интегральных уравнений, перешли к использованию средств САПР, которые дают возможность совмещать этапы численного решения и выбор конструктивных вариантов, документирование с помощью возможностей машинной графики. Использование полученных результатов для автоматизированного проектирования теплообменных устройств непосредственно невозможно. Это связано с тем, что более сложными являются системы уравнений тепломассопереноса, выше уровень зависимости математического описания объектов и графического представления физических полей, конструкций устройств охлаждения.
Благодаря фундаментальным трудам А.В. Лыкова, А.И. Леонтьева, а также крупным научным работам В.В. Фалеева, В.М. Поляева, Ю.В. Полежаева, Ю.А. Зейгарника, Л.Л. Васильева и многих других выдающихся учёных стало возможно решать большой круг вопросов тепловой защиты поверхности.
Однако, при проектировании сложных современных систем во многих случаях нельзя обойтись без разработки и исследования математической модели управляемого объекта. Модели позволяют экспериментировать с системой, менять её характеристики, что не всегда можно выполнить в реальных условиях. Используя модель, можно получить необходимую информацию при минимальной затрате средств. Поэтому возникает задача разработки математической модели исследуемых процессов. Достижения науки в области моделирования и автоматизированного проектирования процессов тепломассопереноса требуют дальнейших исследований физики явления, а
также создания методов исследования, имеющих новизну и практическую значимость.
Таким образом, актуальность темы заключается в необходимости формирования средств САПР, обеспечивающих эффективную интеграцию математического моделирования пористого и сублимационного охлаждения, а также графической интерпретации конструктивных решений для создания условий рационального выбора проектировщика.
Работа выполнялась по комплексному плану научно - исследовательских работ Воронежского государственного технического университета (Гос. регистр № 01.20.0001796), в рамках госбюджетной работы «Гранты» №8/99 и в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и автоматизация производства».
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание структуры системы автоматизированного проектирования, разработка комплекса моделей и алгоритмов, обеспечивающих в рамках САПР теплотехнических устройств автоматизацию моделирования и рационального выбора характеристик пористого и сублимационного охлаждения.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
провести анализ особенностей процедур проектирования
теплообменных устройств с сублимационным охлаждением и определить
структуру подсистем САПР;
разработать алгоритм функционирования подсистем
автоматизированного моделирования;
сформировать библиотеку математических моделей в соответствии с
графическими представлениями физических процессов и конструктивных
решений;
- разработать процедуры рационального выбора конструкции и
параметров теплообменных устройств с сублимирующим охлаждением;
провести анализ эффективности автоматизированного проектирования по результатам экспериментальных исследований и внедрения;
разработать методику моделирования тепломассопереноса в пористых проницаемых средах с двумерным переносом теплоты и массы. Методы исследования. В работе используются методы системного
анализа, теории моделирования процессов тепломассопереноса, численные методы решения систем уравнений в частных производных, экспертного анализа и рационального выбора в САПР на основе количественной и графической информации.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
аналитическо - численная методика расчёта одноконтинуального стационарного тепломассопереноса через пористую вставку, отличающаяся двумерным переносом теплоты и охладителя, возможностью учёта криволинейной границы;
методика моделирования и расчёта двумерного переноса тепла в пористой прямолинейной пластине, отличающаяся учётом продольного и поперечного переноса теплоты при анизотропии теплопроводности проницаемого элемента;
алгоритм автоматизированного моделирования процесса тепломассопереноса в устройствах с хладагентом, отличающийся характером декомпозиции на отдельные локальные процедуры, инвариантные к учёту особенностей конструкции;
- процедуры формирования и использования библиотечных моделей,
позволяющие при общей покомпонентной структуре математического
описания по графической информации о физическом процессе автоматически
выбирать соответствующие уравнения тепломассопереноса для включения в алгоритм моделирования;
- алгоритмические схемы рационального выбора параметров и
конструкций каналов термостатирования, отличающиеся интеграцией
возможностей САПР по визуальному анализу формы профиля температуры и
автоматизации использования процедурных правил, предложенных экспертами;
- структура подсистем САПР, ориентированных на разработку пористого
и сублимационного охлаждения, обеспечивающих интеграцию графического
представления физических процессов, математического моделирования, выбора
рационального варианта параметров и конструкции системы.
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты диссертационного исследования дают возможность моделировать эффективность охлаждения теплонапряженных элементов энергоустановок на основе аналитического и численного решения уравнений переноса тепла и массы в пористых телах с различной геометрией, а также с учётом коэффициента межфазной теплоотдачи (для вставок канонической формы), что позволяет на стадии проектирования более точно прогнозировать работоспособность пористых элементов систем охлаждения с учётом оптимального расхода охладителя; оценивать рациональность применения одно - и двухтемпературных моделей проницаемого охлаждения при моделировании тепловых состояний пористых компактных теплообменников; применять разработанные методики при расчёте охлаждения пористого участка тепловой энергоустановки плазменной резки. Разработанные средства САПР для проектирования процессов тепломассопереноса в системах сублимационного термостатирования разрабатывались с целью промышленного использования при создании криосистем для изделий ракетно - космической техники. Результаты дают возможность: создавать эффективные сублимационные теплообменники; оценивать рациональность способов интенсификации теплообмена в каналах при наличии вращения, плоскопараллельного
перемещения сублимирующих стенок, отсоса паров через проницаемые стенки и комбинации перечисленных способов; рассматривать применительно к сублимационным теплообменным устройствам широкий класс задач для течения Куэтта в условиях интенсификации процесса теплообмена; проведённые комплексные исследования теплообменного аппарата позволили получить количественные оценки различных способов интенсификации процесса тепломассопереноса и на их основе сформулировать экспертные правила по повышению эффективности и надёжности работы теплообменных устройств.
Материалы диссертации внедрены и используются в учебном процессе кафедр теоретической и промышленной теплоэнергетики, САПР и информационных систем ВГТУ, а также, в проектной практике ОАО «Воронежпресс».
Апробация работы. Материалы и результаты выполненных по теме диссертации исследований докладывались и обсуждались на ежегодной научной конференции профессорско - преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (2001, 2002), Третьей международной научно - технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2002), Международной школе -семинаре «Современные проблемы механики и математики» (Воронеж, 2002), научно - технической конференции «Современные аэрокосмические и информационные технологии» (Воронеж, 2003), Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж 2003), научно - методических семинарах кафедры ТиПТЭ (Воронеж, 2001,2002,2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, соискателем дан анализ математических моделей, используемых при описании тепломассопереноса в пористых телах [49]; предложены методика
автоматизированного проектирования при моделировании и расчёте двумерного переноса теплоты в пористой прямолинейной пластине, отличающаяся учётом продольного и поперечного переноса теплоты при анизотропии теплопроводности проницаемого элемента [35], методика автоматизированного проектирования элементов конструкций при проницаемом транспирационном охлаждении криволинейного пористого теплообменного элемента [41], математическая модель расчёта двуконтинуального двумерного теплообмена [48]; разработано алгоритмическое обеспечение проектирования тепломассопереноса в пористых и сублимационных каналах, получены математические модели процесса сублимационного охлаждения [105]; сформулированы принципы построения подсистем САПР теплообменных устройств с сублимационным охлаждением, разработана структурная схема процедур рационального выбора в САПР теплообменных устройств [106]. Работы [107] и [108] принадлежат лично автору диссертации.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из четырёх глав, заключения, изложенных на 112 страницах, списка литературы из 115 наименований, содержит 34 рисунка и 4 таблицы.
Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, характеризуется научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены основные положения, используемые в работе, приведено краткое содержание работы по главам.
В первой главе указаны подходы к достижению сформулированной выше цели и решению задач исследования. Проводится анализ процесса проектирования систем с пористым и сублимационным охлаждением высокотемпературных энергетических установок, проведён анализ существующих математических методов расчёта тепломассопереноса, эмпирических зависимостей для определения коэффициента внутрипорового теплообмена.
Во второй главе приводится методика решения задачи стационарного двумерного тепломассопереноса в проницаемой пористой вставке с криволинейной границей, плоской пористой пластине с учётом анизотропии теплопроводности проницаемой матрицы и возможностью учёта теплопроводности охладителя, а также методика моделирования двуконтинуального переноса тепла в пористой пластине с учётом двумерного переноса теплоты и анизотропии теплопроводности проницаемого элемента.
В третьей главе проводится формирование структуры системы управления сублимационным охлаждением с разбиением на подсистемы и учётом функциональных связей между ними. Разработан алгоритм оптимального управления системой проницаемого охлаждения с целью максимальной эффективности использования охладителя и поддержания допустимого теплового режима теплообменного элемента. Проводится алгоритмизация функционирования систем слежения за внештатными ситуациями, а также разрабатывается процедура автоматизированного проектирования.
В четвёртой главе изложено практическое использование результатов диссертационной работы по использованию компонент системы контроля параметров процесса пористого охлаждения на базе экспериментальной модели установки плазменной резки, приводится структура автоматизированного проектирования процессов пористого и сублимационного охлаждения, результаты внедрения.
Характеристики процессов как объектов управления
Систему проницаемого пористого и сублимационного охлаждения можно описать как сложную систему управления, в которой в качестве объекта управления выступает материально - техническая система, а роль регулятора выполняет информационно - управляющая система. Основу материально -технической системы составляют разнообразные механические, физические процессы.
Под управлением процессами пористого проницаемого и сублимационного охлаждения понимается совокупность действий, выбранных на основании определённой информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования объекта в соответствии с имеющейся программой (алгоритмом) или целью функционирования. В управлении следует выделить три особенности: - информационный характер процесса управления; - стремление принимать наилучшие решения; - наличие обратной связи.
При рассмотрении процесса пористого и сублимационного охлаждения можно выделить информационные и материальные потоки. Состав, структура, принципы организации и характер функционирования потоков в целостной системе должны особым образом определяться и разрабатываться в соответствии с целями и задачами моделирования. Информационные потоки включают в себя прямую и обратную связь.
При разработке автоматизированной системы управления пористым охлаждением (АСУ ПО) целесообразно провести её декомпозицию в соответствии со специализацией отдельных участков. Основная цель декомпозиции - разделение системы на части, имеющие меньшую сложность, с целью обеспечения условий для анализа и синтеза подсистем, для проектирования, построения, внедрения, эксплуатации и совершенствования подсистем. Система разделяется таким образом, чтобы подсистемы поддавались какой-либо классификации, например, по функциям управления, по иерархии управления и т.д. Это обеспечивает унификацию подходов к подсистемам. АСУ ПО в целом должна быть спроектирована таким образом, чтобы все подсистемы имели свои локальные цели, выбранные в соответствии с общей целью системы, при этом необходимо учитывать не только свойства конкретных подсистем, но и связи между ними.
Одной из важнейших задач системы управления является задача обеспечения безопасного функционирования объекта. Решать задачу построения системы управления для объекта данного класса необходимо с учётом его специфики. Кроме того, к системам управления, ориентированным на процессы повышенной аварийной опасности (взрыво-, пожароопасные и т.п.), предъявляются повышенные требования по надёжности и точности регулирования, а также дополнительному обеспечению интегрированных средств аварийной сигнализации и блокировки.
Для обеспечения возможности реализации всех требуемых функций, пакет программ должен функционировать в режиме системы реального времени. В соответствии с [44], системой реального времени является аппаратно-программный комплекс, реагирующий в предсказуемые времена на непредсказуемый поток внешних событий. Это означает, что: - система должна успеть отреагировать на событие, произошедшее на объекте, в течение времени, критического для этого события. Величина критического времени для каждого события определяется объектом и самим событием, и, очевидно, может быть различной, но время реакции системы должно быть предсказано (вычислено) при создании системы. Отсутствие реакции в предсказанное время считается ошибкой для системы; - система должна успевать реагировать на одновременно происходящие события. Даже если два или больше внешних событий происходят одновременно, система должна успеть среагировать на каждое из них в течение интервалов времени, критических для этих событий.
Для обеспечения данной функции предназначается модуль реального времени. На базе модуля реального времени реализуются следующие функции: - сбор информации с датчиков и других внешних устройств; -первичная обработка получаемой информации, включающая распознавание событий, связанных с изменением значений входных сигналов, и регистрацию этих событий в протоколе; - расчёт, формирование и выдача на исполнительные устройства сигналов управления в соответствии с установленными алгоритмами управления; - отслеживание аварийных событий и в случае необходимости уведомление о них оператора с использованием различных устройств; - приём и анализ информации, поступающей по каналам связи верхнего уровня.
Стратегия построения модуля реального времени связана с выбором базовой операционной системы, под управлением которой будет осуществляться функционирование программного пакета, в частности от того, поддерживает ли данная операционная система функции реального времени, а также в каком из режимом - жесткого или мягкого реального времени она способна функционировать. Жесткий режим реального времени означает, что система гарантирует максимальное (достаточно малое значение временной задержки, после которой в случае необходимости произойдет переключение на определённые (наиболее приоритетные) задачи реального времени, например, задачу обслуживания аварийного устройства, в случае «мягкого» реального времени такой гарантии не даётся. Системы жесткого реального времени не допускают задержек реакции системы ни при каких условиях, так как: результаты оказываются бесполезны в случае опоздания; в случае задержки реакции может произойти авария; стоимость опоздания может оказаться велика.
Дифференциальные уравнения теплообмена в криволинейной пористой вставке
В настоящее время разработана теория аналитического решения одномерных задач на основе решения уравнений энергии для пористого материала и теплоносителя [1]. Однако, используемая на практике геометрия тел в большинстве случаев не является одномерной. Трудность решения заключается в том, что скорость в конвективном члене уравнения энергии для теплоносителя является обычно сложной функцией координат внутри проницаемой матрицы. На рис.2.4 представлена пористая вставка, в которой перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью осуществляется двумерно. Криволинейная поверхность проницаемой матрицы может быть задана любой аналитической функцией.
По мере приближения охладителя из резервуара к границе у=0 его температура увеличивается в тонком слое локально одномерным образом, так что вдоль границы входа имеем: A70At = pvc(t0) 0, (2.19) где п0 - вектор внешней нормали при у = 0.
Криволинейная поверхность подвергается внешнему тепловому воздействию произвольным распределением плотности теплового потока, так что на границе выхода охладителя имеем: ntAAt = q(s), (2.20) где ns - вектор внешней нормали на криволинейной границе. Боковые поверхности (при х=0 и x=L) считаем изотермичными.
Особенностью уравнения Кирхгофа-Фурье в плоском потоке является то, что конформное преобразование позволяет привести его в стационарных задачах к более простому виду. В теории фильтрации широко применяют теорию потенциальных течений, что позволяет заменить векторное поле течения, для анализа которого нужно знать проекции скорости по координатным осям, распределением одной скалярной функции, что значительно упрощает исследование. В данном анализе считаем, что угловая скорость вращения жидкой частицы равна нулю. Тогда в области фильтрации существует потенциал скорости (р{х,у) и функция тока у/(х,у), частные производные которого равны:
Так как функция потенциала скорости удовлетворяет уравнению Лапласа (2.21), её можно рассматривать как слагаемое аналитической функции W=\j/+i(p комплексной переменной Z=X+iY. Выполним конформное преобразование плоскости Z=X+iY в плоскость комплексного потенциала W=\/+i(p с помощью функции W=f(Z) (преобразование Буссинеска) [38]. В плоскости потенциала пористая область (рис. 2.5) преобразуется в прямоугольник, ограниченный с боковых сторон линиями ф=0 и ф= ф5. Линии \/=const перпендикулярны линиям Ф= const.
Общее решение (2.33) можно применить путём отыскания соответствующего конформного преобразования координат в плоскости потенциала в физические координаты. Удобно необходимое отображение делать в два этапа. Прямоугольная область (рис.2.5) отображается на верхнюю полуплоскость г. Физическая область в Z-плоскости (рис.2.4) также отображается на верхнюю полуплоскость т. Затем посредством промежуточной переменной устанавливается связь между плоскостями Z и W (см. вспомогательные рис. 2.6 - 2.7.) Если рассматривается конечный участок криволинейной границы, вдоль которого (5 изменяется согласно уравнению (2.42), то величина /? есть угол, отсчитываемый на каждом конце отрезка, а 6п - средний угол наклона прямой, соединяющей концевые точки отрезка. Используя уравнение (2.42) и + приближение в = (3 в точке — , найдём величины С2я и С3п, входящие в уравнение (42): При интегрировании уравнения (2.33) величина
линиях равного потенциала находится для соответствующего значения Е,п из уравнения (2.50), а затем используется уравнение (2.48) при том же значении
Применим данную методику к пористой вставке с синусоидальной границей: на рисунке 2.8 изображено распределение выходной безразмерной скорости охладителя вдоль криволинейной границы пористой среды и сравнение с одномерным решением; на рис. 2.9 изображено влияние расхода охладителя на распределение температуры криволинейной поверхности и сравнение с прямолинейной поверхностью. Как и следовало ожидать, скорость теплоносителя в более тонких частях выше, чем в более толстых. А также в тонких частях пористой вставки за счёт конвективного съёма теплоты заметно ниже температура.
Автоматизация моделирования процессов тепломассопереноса в сублимационных каналах
В работе [108] нами были разработаны принципы построения системы автоматизированного проектирования охлаждаемых элементов.
Для реализации подсистемы автоматизированного моделирования сформирована структура основных модулей, на базе которых в автоматическом или интерактивном режимах появляется возможность исследовать средствами САПР различные конструкции каналов пористого охлаждения в широком диапазоне изменения основных параметров.
Алгоритм автоматизированного моделирования включает в себя следующие инвариантные модули: идентификация исходных данных и начальных условий по схеме физического процесса; решение уравнений массопереноса при заданной схеме, начальных условиях и скорости сублимации Зс; определение теплового потока на сублимирующей стенке q = rc3cp, где р - плотность газа, гс - теплота сублимации; представление функции , получаемой из уравнений массопереноса от переменной Y = у IН (Н - высота щели), в виде ряда по малому параметру критерия Рейнольдса; решение уравнения тепломассопереноса при известных составляющих скорости потока в канале u——xf (у), 3 = f(y) , графическое представление профилей температуры и скорости по высоте канала при различных значениях параметров физического процесса.
Указанные модули включают в себя численные решения уравнений массопереноса и теплопереноса. При этом учитывается разнообразие базовых конструктивных решений и возможность варьирования параметрами термостатирования. Последнее требование служит основой для классификации библиотечных элементов, включаемых в информационное обеспечение, при следующих конструктивных реализациях: параллельном перемещении сублимирующей плоской стенки; фильтрации паров через пористую стенку; вращение сублимирующей стенки; отсосе сублимирующих паров через пористую дисковую стенку; однослойной сублимирующей стенке; переменной высоте щелевого зазора.
Структурная схема подсистемы автоматизированного моделирования, разработанная нами в [105]. учитывающая все перечисленные модули и библиотечные элементы, приведена на рис. 3.2.
В рамках этой схемы обоснованы основные компоненты информационной модели библиотечных элементов.
Показано, что системы уравнений массопереноса и теплопереноса имеют общую покомпонентную структуру для различных конструктивных вариантов: уравнения для скорости массопереноса по каждой координате, указанной на схеме физического процесса; уравнения баланса.
Предложены процедуры формирования математического описания в рамках покомпонентной структуры на основе библиотеки элементов для базовых конструктивных реализаций. Рассмотрим характер и особенности этих процедур для процесса тепломассопереноса в канале при вращении сублимирующей стенки.
Покомпонентная структура управлений формируется в цилиндрической системе координат. Ось z направлена по оси дисков, а ось г - радиусу щели с высотой зазора Н. Начало координат расположено в центре нижнего диска.
Поскольку по данной постановке рассматривается вращательно -симметричная задача, то для описания течения в канале воспользуемся уравнениями массообмена в следующей безразмерной форме
Для построения процедур САПР рационального выбора конструкции и параметров теплообменных устройств используется визуальное представление температурных профилей, т.е. зависимость температуры в канале от физических способов охлаждения и геометрических параметров. Последние рассматриваются в соответствии с профилем компонент скорости паров. На основе этих соотношений формируются процедурные правила, которые затем используются для выбора эффективного способа и режима охлаждения. Процедурные правила строятся либо на основе предварительных модельных исследований теплообменных устройств с использованием подсистемы автоматизированного моделирования, либо по данным, полученным на экспериментальных установках. В ходе автоматизированного проектирования могут быть внесены новые процедурные правила для организации автоматической проверки на непротиворечивость принятого решения или высказаны экспертные оценки визуального сравнения профилей проектируемого устройства и эталонных профилей.
Анализ результатов экспериментального исследования и эффективности применения средств САПР
В качества материала для электродов, работающих в кислородосодержащих средах, используется цирконий, так как его соединения обладают высокими эмиссионными свойствами, термически устойчивы к колебаниям токового и газового режимов, а также условий охлаждения. Теплофизические константы циркония и его соединений существенно ниже соответствующих теплофизических констант вольфрама—теплопроводность в три-четыре раза, и температура плавления — в два раза. В связи с этим, для улучшения теплоотвода от активной катодной вставки из циркония, ее помешают заподлицо в медную державку. От возможности обеспечения требуемого теплоотвода от циркониевой активной вставки зависит ресурс работы катода. Исходя из необходимости обеспечения максимального ресурса работы таких катодов, создаётся и ее конструкция: в частности, диаметр торцовой части медной державки на может быть меньше определенной величины для заданного тока дуги. Объясняется это тем, что величина допустимого теплового потока, проходящего через материал активной вставки, завит от радиуса медной державки. Стабилизация дуги— вихревая.
Технология изготовления электрода должна обеспечивать гарантированный тепловой и электрический контакт между медью и цирконием по всей поверхности активной вставки в течение всего времени ее работы. Наиболее полно этим требованиям отвечает метод совместной холодной штамповки активной вставки медной державки.
Для предотвращения расплавления стенок медной державки под воздействием теплового потока столба дуги и для повышения ресурса работы электрода между активной циркониевой вставной и медной державкой делается алюминиевая прокладка толщиной 0,05—0,15 мм. Необходимость введения прокладки определена в результате исследований механизма функционирования электрода. Они показали, что окислы, образующиеся на рабочей поверхности циркониевой вставки, плохо смачивают стенки эрозионного кратера и не защищают их от воздействия теплового потока столба дуги. В результате наступает момент, когда падающий на стенки кратера тепловой поток от столба дуги вызывает расплавление части медного держателя. Образующаяся при этом жидкая медь окисляется и может попасть в эмитирующий материал в виде окислов. Температуры кипения окислов меди значительно ниже, чем гафния, вследствие чего они интенсивно кипят, унося окислы гафния и разрушая защитную пленку на его поверхности. Вследствие этого ресурс работы электрода исчерпывается после использования циркониевой вставки по высоте всего на 25 %. Чтобы повысить ресурс электрода, осуществлено коронирование стенок кратера тугоплавким материалом, обладающим плохой смачиваемостью и низкими эмиссионными свойствами (в частности, алюминиевой фольгой, которая наиболее полно отвечает указанным требованиям).
Ресурс электрода при силе тока 200—300 А и диаметре сопла 3 мм составляет 1,5—3 ч суммарного времени горения дуги. Для плазмотронов, предназначенных для использования инертных и нейтральных плазмообразующих сред, применяются электроды из вольфрама.
В настоящее время промышленностью освоен выпуск вольфрама, легированного окислами лантана и иттрия (вольфрам марок В Л и СВИ). Эти добавки существенно улучшают эмиссионные свойства вольфрама, повышая ресурс работы катода и надежность плазмотрона.
Применение в качестве плазмообразующей среды кислорода и кислородсодержащих веществ для резки стали ведет к значительному уменьшению экономических затрат на резку и значительно повышает ее скорость. В таблице приведена зависимость скорости резки от концентрации кислорода в смеси.
Из таблицы видно, что применение воздуха в качестве плазмообразующеи среды оптимально при резке сталей. Увеличение концентрации кислорода в определенном диапазоне дает незначительное сличение скорости резки. Кроме этого, увеличение концентрации кислорода приводит к значительному сокращению срока службы катода.
Как видно из предыдущего описания, наиболее теплонапряженными элементами плазмотрона являются катод и сопло. В [101] показано, что постепенное выгорание циркониевого электрода приводит к смещению максимума вглубь катода. Моделирование стационарного температурного поля циркониевого электрода, запрессованного в медный катододержатель, показало, что на расстоянии 0,3 мм от нижнего среза температура в центре циркониевого электрода примерна равна температуре плавления нитрида циркония. На рис. 4.13 показано распределение температуры в циркониевом электроде и медном катододержателе.
