WALDEMAR ŚWIDERSKI, MACIEJ MISZCZAK, DARIUSZ SZABRA. Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Zielonka, ul. Prymasa Stefana Wyszyńskiego 7

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LVII, NR 3, 2008 Zastosowanie pomiarów termowizyjnych w badaniach dysz grafitowych stosowanych układach napędowych przeciwlotniczych pocisków rakietowych krótkiego zasięgu WALDEMAR ŚWIDERSKI, MACIEJ MISZCZAK, DARIUSZ SZABRA Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Zielonka, ul. Prymasa Stefana Wyszyńskiego 7 Streszczenie. W artykule przedstawiono zastosowanie pomiarów termowizyjnych do wykrywania defektów, zwłaszcza powierzchniowych i/lub podpowierzchniowych oraz do określania temperatury zewnętrznych powierzchni dysz grafitowych zbudowanych z wkładki pirografitowej oraz temperatury korpusu wykonanego opcjonalnie z pirografitu albo grafitu polikrystalicznego nasycanego węglem pirolitycznym. Dysze i korpus są przeznaczone do stosowania w układach napędowych przeciwlotniczych pocisków rakietowych krótkiego zasięgu GROM i STRZAŁA-2M. Rozkład temperatury na zewnętrznych powierzchniach dysz określano podczas stacjonarnych badań spalaniem z wykorzystaniem palnika acetylenowo-tlenowego oraz w ramach badań spalaniem ładunków marszowych ww. pocisków rakietowych w silnikach grubościennych. Termowizyjne pomiary temperatury były weryfikowane za pomocą pomiarów z użyciem termopar. Słowa kluczowe: termowizja, nieniszczące badania defektoskopowe, pomiar temperatury, dysze grafitowe pocisków rakietowych, stacjonarne badania spalaniem Symbole UKD: Wstęp Pomiary termowizyjne (termografia w podczerwieni, zobrazowanie termiczne) są dziedziną techniki zajmującą się detekcją, rejestracją, przetwarzaniem i wizualizacją promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty [1]. Pomiary termowizyjne mogą być skutecznym narzędziem diagnostycznym wszędzie tam, gdzie powstaje lub jest generowane ciepło. W wyniku pomiaru termowizyjnego

2 286 W. Świderski, M. Miszczak, D. Szabra otrzymujemy obraz (termogram), który jest odwzorowaniem rozkładu temperatury na powierzchni badanego obiektu. Dzięki swoim zaletom, takim jak: nieinwazyjność, wysoka efektywność, uniwersalny charakter, wykonywany pomiar bez bezpośredniego kontaktu z obiektem i ich realizacją w czasie rzeczywistym znalazły zastosowanie zarówno w pomiarach temperatury, jak i w badaniach nieniszczących do wykrywania m.in. defektów w różnego typu materiałach i wyrobach. W trakcie realizacji projektu badawczego, którego celem było opracowanie konstrukcji modeli tzw. dysz hybrydowych, czyli dysz zbudowanych z żaroodpornej wkładki pirografitowej, wklejonej do korpusu wykonanego z grafitu polikrystalicznego nasycanego węglem pirolitycznym, przeznaczonych do stosowania w układach napędowych przeciwlotniczych pocisków rakietowych krótkiego zasięgu GROM i STRZAŁA-2M, zaistniała konieczność opracowania metody badań nieniszczących dysz, jak również ich elementów celem wykrycia ewentualnych defektów, które mogłyby spowodować nieprawidłowe działanie układów napędowych. W ramach prac badawczych wykonano również pomiary temperatury na zewnętrznych powierzchniach korpusów dysz podczas badań stacjonarnych spalaniem z wykorzystaniem palnika acetylenowo-tlenowego oraz podczas badań stacjonarnych spalaniem ładunków marszowych ww. pocisków rakietowych w silnikach grubościennych. Do tych celów zastosowano pomiary termowizyjne opisane w dalszej części artykułu. Każdorazowo pomiary temperaturowe wykonywane za pomocą kamery termowizyjnej były weryfikowane pomiarami z wykorzystaniem termopar. 2. Nieniszczące badania defektoskopowe dysz i ich elementów W celu optymalnego doboru warunków defektoskopowych badań nieniszczących ww. materiałów i elementów grafitowych, z których zbudowane są dysze, przeprowadzono symulację komputerową wykrywania defektów w próbkach z grafitu polikrystalicznego i pirografitu za pomocą programu Thermo-Calc-6L TM [2, 3]. Niniejsza symulacja wykazała, że: możliwe jest wykrywanie defektów w ww. próbkach za pomocą termografii w podczerwieni, w celu wykrycia defektów strukturalnych, temperatura próbki powinna wzrosnąć o C powyżej temperatury otoczenia, zmiany pola temperaturowego na powierzchni próbki należy rejestrować za pomocą kamery termowizyjnej w trakcie wymiany ciepła z otoczeniem na drodze konwekcji i promieniowania, czas, w którym występuje największa wartość kontrastu umożliwiającego wykrycie defektu zależy od jego wymiarów geometrycznych (wielkości) oraz położenia defektu względem powierzchni czołowej próbki.

3 Zastosowanie pomiarów termowizyjnych w badaniach dysz grafitowych Na podstawie ww. wniosków opracowano metodykę badań nieniszczących metodą termografii w podczerwieni elementów i dysz wykonanych z pirografitu i grafitu polikrystalicznego. Na rysunku 1 przedstawiono stanowisko do badań, w skład którego wchodzi zestaw kamery termalnej AGEMA 900 LW. Przed rejestracją obiekty badań są umieszczane w komorze klimatycznej, w której temperatura wynosi 50 C. Czas kondycjonowania (przechowywania) obiektów badań w komorze uzależniony jest od ich masy. Im większą masę ma badany obiekt, tym dłuższy jest czas jego kondycjonowania. Po kondycjonowaniu badanej próbki materiałowej, czyli natychmiast po jej wyjęciu z komory klimatycznej, następuje rejestracja zmian temperatury na jego powierzchni. Zapis realizowany jest w postaci sekwencji termogramów rejestrowanych z częstotliwością 1 Hz do momentu, kiedy temperatura na powierzchni obiektu obniży się o około 15 C. Zapisane sekwencje termogramów poddawane są analizie, której celem jest wykrycie ewentualnych defektów, zwłaszcza powierzchniowych i podpowierzchniowych, a następnie określenie ich położenia w obiekcie badań, a także określenie ich wymiarów geometrycznych (wielkości). Rys. 1. Stanowisko do badań nieniszczących z wykorzystaniem termografii w podczerwieni Przed badaniami niszczącymi w postaci spalania w warunkach stacjonarnych z wykorzystaniem palnika acetylenowo-tlenowego oraz w warunkach pracy silnika rakietowego, elementy składowe dysz i zespoły dyszowe zostały poddane badaniom nieniszczącym z zastosowaniem termografii w podczerwieni. W celu pokazania możliwości wykrywania defektów za pomocą technik termograficznych w podczerwieni, przedstawione zostały termogramy przebadanych, wadliwych półfabrykatów płytek pirografitowych, przeznaczonych do wytwarzania stosu krążków tworzących żaroodporną wkładkę dyszy (rys. 2, 3) oraz termogram wadliwego egzemplarza zespołu dyszowego pocisku GROM (rys. 4).

4 288 W. Świderski, M. Miszczak, D. Szabra Rys. 2. Termogram płytki pirografitowej z widocznymi pęknięciami Rys. 3. Termogram płytki pirografitowej z widocznymi defektami jej powierzchni Rys. 4. Termogram zespołu dyszowego do pocisku GROM 3. Pomiary rozkładu temperatury na zewnętrznych powierzchniach dysz w warunkach spalania z wykorzystaniem palnika acetylenowo-tlenowego Badania termo-mechanicznej wytrzymałości elementów układów napędowych pocisków rakietowych, a zwłaszcza zespołów dyszowych, narażonych na działanie produktów spalania posiadających wysoką temperaturę, przepływających z dużą szybkością, ma istotne znaczenie w zakresie zapewnienia prawidłowego, zgodnego z wymaganiami, działania silnika rakietowego i bezpieczeństwa podczas jego eks-

5 Zastosowanie pomiarów termowizyjnych w badaniach dysz grafitowych ploatacji. Granicznymi temperaturami decydującymi o termiczno-mechanicznej odporności materiału konstrukcyjnego dysz są: temperatura topnienia i/lub temperatura jego sublimacji. Dlatego też, podczas procesu projektowania zespołu dysz, należy dobrać takie materiały, aby podczas pracy silnika rakietowego nie osiągały one temperatury zbyt bliskiej temperaturze topnienia i/lub sublimacji. Stanowisko badawcze do pomiarów temperatury zewnętrznej powierzchni dysz (rys. 5) do układu napędowego pocisku GROM, zawierało palnik acetylenowo-tlenowy usytuowany współosiowo względem dyszy od strony jej stożka wlotowego. Po jednej stronie dyszy, na jej zewnętrznej powierzchni, na wysokości kanału przelotowego o przekroju krytycznym, prostopadle do osi dyszy, zamontowano termoparę, zaś po drugiej stronie dyszy, naprzeciw termopary, prostopadle do osi dyszy skierowano obiektyw kamery termowizyjnej tak, aby kąt pola widzenia obiektywu obejmował zewnętrzną powierzchnię kanału o przekroju krytycznym. Aby uzyskać powtarzalne wyniki pomiarów zachowano stały skład i parametry przepływu gazów wylotowych palnika acetylenowo-tlenowego oraz sztywną, niezmienną konfigurację stanowiska badawczego, przez zapewnienie sztywnego mocowania i przylegania elementu pomiarowego termopary do korpusu dyszy, ustalonego położenia króćca palnika, stałego położenia dyszy oraz obiektywu kamery termowizyjnej. Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego: 1 system sterujący kamerą termowizyjną; 2 kamera termowizyjna; 3 strumień gorących gazów; 4 króciec palnika acetylenowo-tlenowego; 5 dysza pocisku rakietowego; 6 termopara; 7 komputer rejestrujący pomiary termoparą Wewnętrzny, przelotowy kanał modeli dysz poddany został przez 15 s działaniu płomienia, tj. gazowych produktów spalania o temperaturze ok C, wypływających z króćca palnika acetylenowo-tlenowego. Zastosowanie palnika wynikało ze względów oszczędnościowych, co jest uzasadnione na wstępnym etapie badań

6 290 W. Świderski, M. Miszczak, D. Szabra eksperymentalnych, ponieważ przy stosunkowo niewielkich kosztach tych badań w porównaniu z analogicznymi badaniami z udziałem silników rakietowych, zapewnia uzyskanie w pewnym stopniu warunków zbliżonych do rzeczywistych warunków występujących podczas pracy silnika rakietowego. Zastosowanie kamery termowizyjnej w tych badaniach umożliwiło przeprowadzenie pomiarów rozkładu temperatury na całej powierzchni dyszy, a nie tylko punktowo, jak ma to miejsce przy zastosowaniu termopar. Na podstawie tych pomiarów stwierdzono, że w wyniku grzania przez 15 s zewnętrzna powierzchnia ścianki dyszy na wysokości kanału przelotowego o przekroju krytycznym nagrzewała się do temperatury przekraczającej 1000 C, zaś dla górnej, umownej wartości czasu pracy silnika małogabarytowych pocisków rakietowych, wynoszącego ok. 10 s [4] temperatura zewnętrznej powierzchni wynosiła ok. 750 C. Dla średniego czasu pracy silnika marszowego pocisku GROM wynoszącego 7 8 s, średnia temperatura zewnętrznej ścianki korpusu dyszy mieściła się w przedziale od 650 C do 700 C. Pomiary temperatury zewnętrznych powierzchni korpusów wszystkich badanych dysz, mierzone za pomocą termopar i kamery termowizyjnej, wykazały bardzo podobne przebiegi zmian temperatury. Ich różnice mieściły się w przedziale od kilku do kilkunastu stopni. 4. Pomiary rozkładu temperatury na zewnętrznych powierzchniach dysz w ramach stacjonarnych badań spalaniem w silnikach grubościennych Analogicznie, jak podczas stacjonarnych badań spalaniem dysz z wykorzystaniem palnika acetylenowo-tlenowego, zastosowano układ pomiarowy składający się z kamery termowizyjnej i termopar do pomiaru temperatury na powierzchniach zewnętrznych konstrukcji nośnych zespołów dyszowych do pocisku GROM i STRZAŁA-2M. Pomiary temperatury zewnętrznych powierzchni korpusów wszystkich badanych zespołów dyszowych na wysokości kanału przelotowego o przekroju krytycznym, mierzone za pomocą termopar i kamery termowizyjnej, wykazały bardzo podobne przebiegi zmian temperatury podczas ich grzania i stygnięcia. Uśredniony, charakterystyczny przebieg tych zmian w funkcji czasu nagrzewania się i stygnięcia zespołu dyszowego do pocisku GROM mieszczący się w przedziale 72 s przedstawiono na rysunku 6. Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono przykładowe termogramy wykonane podczas badania zespołów dysz do pocisków GROM i STRZAŁA 2M. Na podstawie otrzymanych danych eksperymentalnych stwierdzono, że w wyniku spalania ładunku marszowego do pocisku GROM, zewnętrzna powierzchnia

7 Zastosowanie pomiarów termowizyjnych w badaniach dysz grafitowych Rys. 6. Przebieg zmian temperatury na zewnętrznej powierzchni zespołu dyszowego pocisku GROM, na wysokości kanału o przekroju krytycznym, otrzymany podczas badań stacjonarnych spalaniem w silniku grubościennym, rejestrowany kamerą termowizyjną i za pomocą termopary. Rys. 7. Termogram zespołu dyszowego pocisku GROM, otrzymany podczas końcowej fazy spalania ładunku marszowego w komorze grubościennej Rys. 8. Termogram zespołu dyszowego pocisku STRZAŁA 2M, otrzymany podczas końcowej fazy spalania ładunku marszowego w komorze grubościennej

8 292 W. Świderski, M. Miszczak, D. Szabra ścianki zespołu dyszowego na wysokości kanału przelotowego o przekroju krytycznym nagrzewała się do temperatury ok. 475 C (rys. 6). Dla pocisku STRZAŁA 2M maksymalna temperatura zewnętrznej, grubościennej osłony zespołu dyszowego osiągała wartość ok. 350 C. Temperatury te można odpowiednio z dobrym przybliżeniem uznać jako średnie temperatury (równowagi) metalowej konstrukcji nośnej [5, 6] zespołu dyszowego pocisku GROM i pocisku STRZAŁA 2M. Osiągnięcie takiej temperatury przez stopowe stale konstrukcyjne nie powoduje wyraźnego obniżenia ich charakterystyk wytrzymałościowych [7]. 5. Wnioski Zastosowanie w badaniach nieniszczących dysz i ich elementów termografii w podczerwieni wykorzystującej rejestracje zmian rozkładu pól temperaturowych na powierzchni badanych obiektów wykazało, że niektóre wady podpowierzchniowe i powierzchniowe w ww. obiektach są bardzo dobrze wizualizowane. Pomiar rozkładu temperatury na zewnętrznych powierzchniach dysz i zespołów dyszowych podczas badań stacjonarnych spalaniem, obejmujący etap ich nagrzewania i stygnięcia, umożliwia określenie w przybliżeniu tzw. maksymalnej- -średniej/równowagowej temperatury warstwy materiałowej w funkcji jej grubości. Temperatura ta stanowi podstawowe wymaganie w zakresie właściwego wyboru materiału konstrukcyjnego dyszy lub zespołu dyszowego. Niniejszy artykuł powstał podczas realizacji pracy naukowej finansowanej ze środków na naukę w latach w ramach Projektu Badawczego Nr 0 T00B pt. Badanie dysz hybrydowych, przyznanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w czerwcu 2008 r. LITERATURA [1] Praca zbiorowa, Pomiary termowizyjne w praktyce, PAK, Warszawa, [2] W. Świderski, M. Miszczak, Z. Pierechod, D. Szabra, Non-destructive testing of solid rocket motor composite nozzles by infrared thermography, Proceedings of 28 th International Conference of the Society for the Advancement of Materials and Process Engineering, editor: SAMPE Europe International Conference, Paris, [3] W. Świderski, Posibility of defect detection in pyrolitic graphite substrates by IR thermography, SAMPE 06, Conference Proceedings, vol. 51 on CD. [4] G. S. Sutton, O. Biblarz, Rocket propulsion elements, 7 th Edition, New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, John Wiley and Sons Inc., [5] B. W. Orłow, G. J. Mazing, Termodinamiczeskoje i balisticzeskoje osnowy projektirowania rakietnych dwigatielej na twiordom topliwie, Izdanie 2, Izdatelstwo Maszinostrojenie, Moskwa, 1968.

9 Zastosowanie pomiarów termowizyjnych w badaniach dysz grafitowych [6] R. N. Wimpress, Internal ballistics of solid-fuel rockets. Military rockets using dry-processed double-base propellant as fuel, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1950, [7] B. Mikułowski, Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe nadstopy, Wydawnictwa AGH, Kraków, 1997, 8. W. ŚWIDERSKI, M. MISZCZAK, D. SZABRA Applications of IR thermography measurements in tests of graphite nozzles used in propulsion systems of antiaircraft short-range missiles Abstract. The paper presents applications of IR thermography measurements for detection of defects, particularly surface and/or subsurface ones and in order to determine a temperature field on external surfaces of graphite nozzles composed of pyrographite insert and a body optionally made of pyrographite or polycrystalline graphite saturated by pyrolytic carbon. These nozzles were designated to use in propulsion systems of antiaircraft short-range missiles GROM and STRZAŁA-2M. Temperature distributions (temperature fields) on external surfaces of tested nozzles were determined during static firing tests with the use of oxy-acetylene blow-pipe in the initial stage of investigations and in a final stage of tests, the temperature fields were measured during static firing of solid sustaining rocket propellants in thick-walled rocket motor chambers. IR thermography measurements of a temperature were verified using thermocouples. Keywords: IR thermography, non-destructive (defectoscopy) tests (NDT methods), temperature measurements, graphite nozzles of missiles, static firing tests Universal Decimal Classification: 536.5

10