Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

повышенных температурах, что позволило более наглядно оценить устойчивость к развитию усталостной трещины гранульного сплава, изготовленного из гранул с фракцией менее 70 мкм по сравнению

сизготовлением того же сплава на никелевой основе из гранул

сфракцией менее 100 мкм.

Рис. 3. Кинетическая диаграмма для температур 450 °С (а); 650 °С (б) и 750 °С (в), полученная путем испытаний стандартных образцов и последующей обработки сплава, изготовленного из гранул с разной фракцией

Выводы

Проведены испытания стандартных образцов на определение характеристик СРТУ из гранульного сплава. Испытания проводились при повышенных температурах, равных рабочим температу-

191

рам данного сплава. При обработке экспериментальных данных были применены два разных метода для определения границ устойчивого участка кинетической диаграммы каждого из образцов. Определены коэффициенты С и n уравнения Пэриса кинетической диаграммы для каждого образца.

Установлено, что для гранульных сплавов, изготовленных на никелевой основе, характеристика СРТУ зависит от фракции гранул заготовки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что гранульный сплав, изготовленный из фракции гранул менее 70 мкм, болееустойчивк развитиютрещины.

Список литературы

1.Потапов С.Д., Перепелица Д.Д. Способ обработки результатов испытаний образцов на трещиностойкость с целью определения коэффициентов уравнения Пэриса // Вестник МАИ. – 2010. –

Т. 17, № 6. – С. 49–54.

2.ОСТ 1 92127-90. Металлы. Метод определения скорости роста усталостной трещины при испытаниях с постоянной амплитудой нагрузки. – М., 1990.

3.Туманов Н.В., Лаврентьева М.А., Черкасова С.А. Реконструкция и прогнозирование развития усталостных трещин в дисках авиационных ГТД // Конверсия в машиностроении. – 2005. – № 4–5. –

С. 98–106.

4.Туманов Н.В., Механизм устойчивого роста усталостных трещин // Актуальные проблемы прочности: материалы XXXV конф.:

в2 т. – Т. 1. – Псков, 1999. – С. 307–314.

5.Туманов Н.В. Стадийность кинетики усталостных трещин

имеханизм периодического расслаивания-разрыва // Деформация

иразрушение материалов: тр. I Междунар. конф.: в 2 т. – Т. 1. – М., 2006. – С. 85–87.

6.Моделирование устойчивого роста трещин в дисках турбины авиадвигателей при простом и сложном циклах нагружения / Н.В. Туманов, М.А. Лаврентьева, С.А. Черкасова, А.Н. Серветник //

Вестн. СГАУ. – 2009. – №3(19). – С. 188–199.

192

7.Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 224 с.

8.Потапов С.Д., Перепелица Д.Д. Исследование циклической скорости роста трещин материалах основных деталей авиационных ГТД // Технология легких сплавов. – 2013. – № 2. – С. 5–19.

9.Потапов С.Д., Перепелица Д.Д. Способ обработки результатов испытаний образцов на скорость роста трещины при постоянной амплитуде нагружения // Вестник МАИ. – 2012. – Т. 19, № 2. –

С. 94–101.

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ НАНОЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОЛИГОДИЕНУРЕТАНОВОЙ КОМПОЗИЦИИ

К.О. Ухин1, Е.А. Лебедева1, С.А. Астафьева1, В.А. Вальцифер1, И.В. Бекетов2

1 Институт технической химии УрО РАН, Пермь, Россия 2 Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург, Россия e-mail: ukhin_k@mail.ru

Проведено исследование реологических свойств олигодиенуретановой композиции, наполненной нанодисперсным алюминием, покрытым перфторпеларгоновой кислотой и политриф- тор-хлорэтиленом Ф-32Л. Показано, что нанесение защитного покрытия на поверхность частиц наноразмерного алюминия способствует снижению вязкости наполненных композиций.

Использование порошков наноразмерного алюминия в качестве металлического горючего высокоэнергетических конденсированных систем представляется весьма перспективным, но из-за их высокой реакционной способности такие порошки без каких-либо покрытий, как правило, существенно окисляются непосредственно после получения в результате контакта с воздухом. Известно, что применение защитного покрытия на поверхности частиц алюминия способствует сохранению физико-химических свойств порошков.

193

Наиболее распространенным способом модификации металлического горючего является метод капсулирования частиц посредством нанесения на их поверхность покрытий из различных органических или неорганических веществ [1]. Ранее была показана перспективность применения фторсодержащих соединений в качестве покрытий наноразмерных порошков алюминия, применяемых в качестве металлического горючего в составах энергетических конденсированных систем (ЭКС), что позволило снизить размер агломератов продуктов сгорания в десять раз [2].

Целью данной работы являлось исследование влияния поверхностной модификации частиц алюминия на реологические свойства алюминийсодержащих наполненных композиций.

Эксперимент

Для решения поставленной задачи использовали композицию на основе смеси олигодиенуретанэпоксида и диоктилсебацината (PDI) с наполнением 15 мас. %. В качестве наполнителя использовали нанодисперсный алюминий, в том числе с фторсодержащими покрытиями. При экспериментальных исследованиях зависимости реологических свойств наполненных композиций от вида поверхностной модификации наполнителя были подготовлены композиции, различающиеся вариантом поверхностной модификации наполнителя. Составы исследуемых композиций представлены в таблице.

Наноразмерный алюминий А-486 с удельной поверхностью Ss=17,1 м2/г был получен в Институте электрофизики УрО РАН (Екатеринбург), электровзрывным методом в атмосфере аргона. В качестве фторсодержащих соединений для покрытия порошков выбраны перфторпеларгоновая кислота (FA) и политрифторхлорэ-

тилен Ф-32Л (FP)).

Составы исследуемых композиций

194

Реологические свойства композиций определяли на ротационном вискозиметре Rheotest 2.1 (Германия) с измерительным модулем «конус-плита» в режиме контролируемой скорости сдвига. Скорость сдвига изменяли в пределах 648 – 3000 с–1. Температура измерений варьировалась от 40 до 60 °С.

Результаты и обсуждения

Зависимость вязкости от скорости сдвига композиций с модифицированным алюминием в температурном интервале 40–60 °C представлена на рис. 1–3, из которых следует, что наличие фторсодержащих покрытий на поверхности алюминия приводит к снижению вязкости наполненных полимерных композиций в указанном диапазоне температур на 3–11 %. Стоит отметить, что вне зависимости от вида поверхностной модификации композиции проявляют ньютоновский характер течения, т.е. их вязкость не изменяется при увеличении скорости сдвига.

Рис. 1. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига для полимерных композиций с наноразмерным алюминием, модифицированным фторсодержащими покрытиями. Температура 40 °С

195

Рис. 2. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига для полимерных композиций с наноразмерным алюминием, модифицированным фторсодержащими покрытиями. Температура 50 °С

Рис. 3. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига для полимерных композиций с наноразмерным алюминием, модифицированным фторсодержащими покрытиями. Температура 60 °С

196

Выводы

Показано, что нанесение защитного покрытия на поверхность частиц наноразмерного алюминия способствует снижению вязкости композиций в диапазоне температур 40–60 °С, при этом применение в качестве защитного покрытия перфторпеларгоновой кислоты позволяет снизить вязкость композиции на 4–11 % по сравнению с непокрытым алюминием.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (11-03- 96030-р-урал-а), проекта УрО РАН 12-П-23-2011.

Cписок литературы

1.Солодовник В.Д. Микрокапсулирование. – М.: Химия, 1980. –

216 с.

2.Агломерация конденсированной фазы энергетических конденсированных систем, содержащих модифицированный алюминий / Е.А. Лебедева, И.Л. Тутубалина, В.А. Вальцифер, В.Н. Стрельников, С.А. Астафьева, И.В. Бекетов // Физика горения и взрыва. – 2012. –

№6. – С. 41–46.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Д.И. Федоровцев, Б.Ф. Потапов, П.В. Писарев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: d.fedorovtcev@gmail.com, pisarev85@live.ru

В рамках исследований был предложен альтернативный вариант генератора электрической энергии для элетрохимзащиты трубопроводов ОАО «Газпром» с минимальной стоимостью обслуживания при неизменных выходных характеристиках. В работе были затронуты следующие вопросы: конструирование корпуса камеры термопреобразования и элементов конструкции; разработка методики численного расчета и численное

197

моделирование отвода тепла в термоэлектрическом преобразователе энергии в связанной постановке. Численный эксперимент проводился с использованием многопроцессорного программного комплекса ANSYS CFX.

Эксплуатация современных подземных сооружений и конструкций, связана с интенсивными динамическими нагрузками и неблагоприятными условиями их эксплуатации. К современным средствам защиты от коррозии относятся следующие изоляционные материалы: экструдированный полиэтилен, пенополиуретан, внутреннее цемент- но-песчаное покрытие. Вместе с тем данной защиты недостаточно в связи с тем, что с течением времени они изнашиваются, на них появляются разрушения. В тех местах, которые подверглись деформации, начинается электрохимическая коррозия. Поиск способов снижения рисков масштабных разрушений данных конструкций и разработка технических решений позволяет сэкономить средства на ремонт и обслуживаниеподземных коммуникаций.

Данную задачу возможно решить путем разработки инновационных высокотехнологичных средств защиты на базе электрохимзащиты (ЭХЗ). Разработка комплекса мер существенно продлит сроки эксплуатации и снизит расходы на проведение обслуживания и ремонтных мероприятий.

Все подземные коммуникации и сооружения имеютэлектродный потенциал 0,5–0,7 В. Используя катодный ток, это значение можно существенно снизить. Скорость коррозии в этом случае значительно уменьшается. Таким образом, ЭХЗ трубопроводов значительно продлевает срок их службы и устраняет самую главную опасность – внеплановые ремонты. В частности, в настоящее время на предприятии ОАО «Газпром» для предотвращения в рамках указанного метода используются дизельные генераторы и паротурбогенераторы ORMAT с замкнутым циклом. Однако стоимость обслуживания неоправданно высока, что обусловливает актуальность разработок более экономичных технологий выработки электрическойэнергии.

Предлагаемое решение основано на понятии Пельтье-элемента. Элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, прин-

198

цип действия которого заключается в появлении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой цепи из спая полупроводников при условии наличия разности температур в местах контактов. Между свободными сторонами термоэлемента (одна из сторон поглощает тепло, а вторая – выделяет) возникает разность потенциалов. В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку в цепи возникает постоянный электрический ток. Таким образом, происходит преобразование тепла, полученного отсжиганиятоплива, вэлектрическуюэнергию.

Термоэлектрический модуль (элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, состоящих из двух разнородных элементов с p и n типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена. Полупроводники электрически соединены, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских металлических или керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любоймощности – отдесятых долей до сотен ватт.

При обеспечении разности температур на сторонах модуля – одна сторона холодная.

Корпус конструкции (рис. 1) представляет собой полую призму, на передней стенке расположено отверстие для крепления горелки, на задней поверхности отверстие для выхода продуктов сгорания. Диаметр входного отверстия значительно больше диаметра выходного отверстия. Это условие является необходим условием оптимального нагрева корпуса.

Ширина каждой грани и длина корпуса пропорциональны габаритам термоэлектрического генераторного модуля. При использовании среднетемпературного ТГМ серии MARS с габаритами 260 92 30,0 мм рационально использовать горячий корпус с десятью крепежными гранями. Длина корпуса 2000 мм, диаметр 880 мм, ширина каждой грани 280 мм.

199

На гранях корпуса расположены резьбовые шпильки для крепления ТГМ и радиаторов охлаждения.

Данная конструкция обоснована простотой изготовления. Заготовкой служит стальной лист 2000 6000 мм, толщиной 5 мм. Одного листа достаточно для изготовления двух корпусов. В процессеизготовленияприменяются

сварочные, гибочные, сверлильные работы. Шпильки из нержавеющей стали вворачиваются в отверстия, расположенные на гранях корпуса.

Рассматривается следующая задача. Имеется твердотельная полая конструкция с входным и выходным отверстиями. На гранях конструкции расположены термоэлектрические модули и радиаторы охлаждения. Во входное отверстие подаются продукты сгорания газа. Охлаждение радиаторов пассивное, без нагнетания холодного воздуха.

Для проведения численного моделирования отвода тепла в термоэлектрическом преобразователе энергии использовались следующие исходные данные: материал полой конструкции – сталь 20; материал термоэлектрических модулей – висмут; материал радиаторов охлаждения – алюминий; температура окружающей среды – 293 К; температура продуктов сгорания – 1073 К; скорость вдува продуктов сгорания – 2 м/с.

Ввиду симметрии геометрии расчет проводился на отдельном сегменте (рис. 2), что позволило сократить время расчета и сэкономить вычислительные ресурсы. Задача решалась в связанной постановке, поэтому сегмент необходимо разбить на три области: область газодинамического расчета (истечение продуктов сгорания), и область расчета конвективного охлаждения радиаторов, расчет теплопроводности в термоэлетропреобразователерадиаторе – твердотельная конструкция.

200