BADANIA IDENTYFIKACYJNE WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNYCH MATERIAŁU KONSTRUKCYJNEGO LOTNICZEGO SILNIKA TURBINOWEGO

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 53, ISSN X BADANIA IDENTYFIKACYJNE WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNYCH MATERIAŁU KONSTRUKCYJNEGO LOTNICZEGO SILNIKA TURBINOWEGO Ryszard Chachurski 1b, Łukasz Omen 1a, Piotr Zalewski 1c, Andrzej J. Panas 1,d 1 Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych a l.omen@wp.pl, b Ryszard.Chachurski@wat.edu.pl, c Piotr.Zalewski@wat.edu.pl, d Andrzej.Panas@wat.edu.pl, Andrzej.Panas@itwl.pl Streszczenie W pracy przedstawiono metodykę i wyniki kompleksowych badań właściwości cieplno-fizycznych materiału konstrukcyjnego lotniczego silnika turbinowego. W niniejszym przypadku program badań ukierunkowany został na opracowanie metodyki pomiarów umożliwiającej jej późniejszą modyfikację do wykonania badań nieniszczących. Dotyczy to w szczególności pomiarów dyfuzyjności cieplnej, które przeprowadzono metodą wymuszenia oscylacyjnego. Podczas badań określono również gęstość, rozszerzalność cieplną i ciepło właściwe. Badania wykonano dla próbki materiału łopatki sprężarki lotniczego silnika turbinowego AŁ-1 F3. Analiza otrzymanych wyników potwierdziła poprawność i skuteczność zastosowanych metod badań. Rezultaty badań są wykorzystywane do numerycznego modelowania obciążeń termomechanicznych badanego elementu konstrukcyjnego. Słowa kluczowe: dyfuzyjność cieplna, metoda Ångströma, rozszerzalność cieplna, ciepło właściwe, gęstość INVESTIGATION OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF THE TURBINE ENGINE CONSTRUCTION MATERIALS Summary The paper presents the methodology and results of thermophysical properties investigation performed for the construction material of aviation turbine engine. The investigation was focused on the development of the experimental methodology that could be easily accommodated for non-destructive testing. In particular it concerns the thermal diffusivity measurements performed by temperature oscillation technique. The other investigated properties were the heat capacity, thermal expansivity and density. The specimens for measurements were taken from a compressor blade of the AŁ-1 F3 turbine engine. The final analysis has proved correctness and effectiveness of the developed procedures. The obtained data will be used in numerical modeling of thermomechanical loads of the analyzed element. Keywords: thermal diffusivity, Ångström method, thermal expansion, specific heat, density 37

2 BADANIA IDENTYFIKACYJNE WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNYCH MATERIAŁU 1. WSTĘP Jednym z często występujących problemów eksploatacji sprzętu lotniczego jest brak danych dotyczących właściwości materiałowych zastosowanych materiałów w konstrukcji danego elementu czy obiektu. Brak ten jest szczególnie dotkliwie odczuwalny w przypadku konstrukcji narażonych na duże obciążenia cieplno-mechaniczne, co dotyczy na przykład silników turbinowych. Dane materiałowe wykorzystywane są między innymi do prowadzenia analiz związanych nie tylko z bieżącą oceną stanu technicznego konstrukcji, ale także i prognozowaniem tego stanu oraz ewentualnymi pracami modernizacyjnymi. Znajomość danych materiałowych potrzebna jest także do prowadzenia badań numerycznych dotyczących obciążeń cieplnomechanicznych konstrukcji. Konieczność wykonania właśnie takich badań i analiz z wykorzystaniem komercyjnych pakietów obliczeniowych wymusiła potrzebę identyfikacji i udokumentowania właściwości cieplno-fizycznych materiałów konstrukcyjnych silnika turbinowego. W przeprowadzonym cyklu kompleksowych badań eksperymentalnych uwagę skupiono na określeniu wiarygodnych charakterystyk temperaturowych takich właściwości jak: dyfuzyjność cieplna, ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, rozszerzalność cieplna i gęstość. W przypadku pomiarów dyfuzyjności zastosowano autorskie procedury badań polegające na wykorzystaniu zmodyfikowanej metody wymuszeń oscylacyjnych [1], [] z dodatkowo wprowadzoną liniowo zmienną podstawą oscylacji [5]. W badaniach dyfuzyjności zmiany temperatury rejestrowano bezstykowo za pomocą kamery termowizyjnej (por. [9]). Również w przypadku identyfikacji ciepła właściwego zastosowano autorską procedurę polegającą na analizie danych pomiarowych zarówno z etapu nagrzewania jak i chłodzenia próbki [8]. Rezultaty badań, wraz z ich komentarzem, przedstawia poniższe opracowanie.. BADANE PRÓBKI Obiektem, z którego pozyskano próbki do badań właściwości cieplno-fizycznych, była łopatka pierwszego stopnia sprężarki turbinowego silnika odrzutowego (TSO) AŁ-1 F3 (rys. 1a). Z danych instrukcji eksploatacji silnika wynika, że materiałem użytym do wykonania łopatki był stop tytanu. Informacji tej nie potwierdzono wynikami badań składu materiału ze względu na brak takich możliwości. Identyfikację dyfuzyjności cieplnej na podstawie zmodyfikowanej metody oscylacji temperatury [5], [6] przeprowadzono dla próbki wykonanej w formie graniastosłupa ściętego o trapezowej podstawie. Maksymalne wymiary części pomiarowej próbki wynoszą 40 x 17,5 x 6,3 mm (rys. 1b). Właściwość tę określono także w badaniach dodatkowych wykorzystujących metodę Parkera [11]. W tym wypadku badaniom poddano próbkę wykonaną w postaci walca o wysokości 3,15 mm oraz średnicy 1,5 mm (rys. 1c). Badania rozszerzalności wykonano dla próbki w kształcie prostopadłościanu o wysokości 3 mm, szerokości 5 mm i grubości mm (rys. 1d). Do określenia ciepła właściwego przygotowano próbki walcowe o wymiarach 1 x 5 mm (rys. 1e). Dwie próbki do badań ciepła właściwego oraz trzy próbki powstałe jako pozostałości materiału wyjściowego w procesie cięcia wykorzystano dodatkowo do pomiarów gęstości, wykonując po siedem pomiarów dla każdej z nich. Dodatkowo wykonano jeden pomiar gęstości dla próbki przygotowanej do badań dyfuzyjności metodą oscylacji temperatury. Końcowy wynik gęstości badanego materiału stanowiła średnia ważona wszystkich pomiarów o współczynnikach wagowych równych masie każdej pojedynczej próbki. Próbki wycięto przy użyciu elektroerozyjnej wycinarki drutowej, co pozwoliło na wydatne ograniczenie efektów nagrzewania się materiału oraz minimalizację nacisków występujących podczas cięcia. Dzięki temu uniknięto zmian struktury materiału, co jest związane z ryzykiem wprowadzenia nieodwracalnych zmian właściwości materiałowych, a w szczególności właściwości cieplno-fizycznych. d) b) c) e) Rys. 1. Łopatka pierwszego stopnia sprężarki silnika, AŁ-1 F3 (a), próbka do badań zmodyfikowaną metodą oscylacji temperatury (b), próbka do badań metodą Parkera (c), próbka do badań dylatometrycznych (d) i próbki do badań mikrokalorymetrycznych (e) a) 38

3 Ryszard Chachurski, Łukasz Omen, Piotr Zalewski, Andrzej J. Panas 3. BADANIA EKSPERYMENTALNE Badania eksperymentalne objęły swym zakresem wyznaczenie pełnego zestawu właściwości cieplnofizycznych (por. np. [4]), ale najwięcej uwagi poświęcono identyfikacji dyfuzyjności cieplnej. Do określenia dyfuzyjności cieplnej wykorzystano zmodyfikowaną metodę oscylacji temperatury zarówno z użyciem stykowej jak i bezstykowej metody pomiaru temperatury na powierzchni badanego obiektu. Poprawność uzyskiwanych wyników potwierdzono w badaniach LFA (ang. Laser Flash Apparatus) [3]. Badania te składały się z dwu jednokrotnych pomiarów dyfuzyjności dla temperatury 0 i 50 C. Kolejnymi określanymi właściwościami były: ciepło właściwe w pomiarach mikrokalorymetrycznych, a także gęstość wyznaczana w oparciu o serię pomiarów wykorzystujących prawo Archimedesa. Wszystkie te badania wykonano w Wojskowej Akademii Technicznej. Cykl badań swoim zakresem objął również, dylatometryczne badania rozszerzalności cieplnej. Pomiar rozszerzalności zrealizowany został w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych DYFUZYJNOŚĆ CIEPLNA Dyfuzyjność cieplna a jest to wielkość fizyczna określająca stosunek zdolności transportowych do zdolności akumulacyjnych ciepła danej substancji, co można przedstawić zależnością: λ a = ρ c p (1) gdzie λ jest przewodnością cieplną, ρ - gęstością, c p ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu [13], [4]. Zmodyfikowana metoda oscylacji temperatury którą zastosowano w badaniach dyfuzyjności cieplnej - bazuje na oryginalnym pomyśle Ångströma (1861 r. [1], []). Metoda ta zaliczana jest do grupy metod uporządkowanej wymiany ciepła III rodzaju [1]. Dokładny opis modelu matematycznego metody, opierający się na analizie rozwiązań równania Fouriera II rzędu zamieszczony jest w [5]. Wartość dyfuzyjności cieplnej można wyznaczyć niezależnie na podstawie bądź to zmniejszenia amplitudy oscylacji ψ, bądź to wzrostu opóźnienia/przesunięcia fazowego φ sygnału odpowiedzi temperaturowej (por. rys. ). Rys.. Modelowe zmiany temperatury w metodzie Ångströma: Θ ( l, τ) wymuszenie w x=l, Θ ( x, τ) odpowiedź w punkcie, τ czas, τ Ω okres oscylacji, ψ - stosunek amplitud, ϕ - przesunięcie fazowe Sygnałem pomiarowym jest sinusoidalnie zmienna temperatura oscylacji generowana przez układ elementów Peltiera. Modyfikacje klasycznej metody Ångströma polegają na zastosowaniu jej do obiektu o skończonej grubości [] i wprowadzeniu liniowej zmiany średniej temperatury oscylacji [7]. Dzięki temu możliwe jest bezpośrednie wyznaczenie charakterystyk temperaturowych dyfuzyjności cieplnej na podstawie danych pomiarowych zarejestrowanych w czasie trwania pojedynczego eksperymentu. Badania dyfuzyjności wykonane zostały w dwu niezależnych etapach na stanowisku zbudowanym w Zakładzie Aerodynamiki i Termodynamiki Wojskowej Akademii Technicznej. Dokładny opis stanowiska badawczego przedstawiony jest w [5]. W pierwszym etapie do pomiaru zmian temperatury na powierzchni badanej próbki wykorzystano termoelementy. Odległości pomiędzy czujnikami temperatury ustalono metodą fotogrametryczną. Rys. 3 przedstawia fragment zarejestrowanych w ten sposób sygnałów pomiarowych. W pomiarach zastosowano wymuszenie o okresie oscylacji równym 60 s. Wartości dyfuzyjności cieplnej wyznaczono dla kombinacji par sygnałów t, t3 i t4. Sygnał o wyższej amplitudzie był traktowany jako sygnał wymuszenia, a sygnał o niższej amplitudzie jako sygnał odpowiedzi. Obliczenia wykonywano dla fragmentów sygnałów odpowiadających kolejnym pojedynczym okresom. Dla każdego okresu uzyskano zatem dwa niezależne oszacowania w postaci odpowiednio amplitudowej i fazowej wartości dyfuzyjności cieplnej. 39

4 BADANIA IDENTYFIKACYJNE WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNYCH MATERIAŁU t4 t3 t Rys. 3. Fragmenty sygnałów pomiarowych (a) i widok głowicy pomiarowej z zaznaczonymi termoelementami (b) a) b) W zależności od nasilenia konwekcyjnych strat ciepła wartości te mogą się od siebie różnić, niemniej podlegają one dwóm prawidłowościom [1]: po pierwsze wartość amplitudowa stanowi kres dolny, a fazowa kres górny poszukiwanej wartości parametru, a po drugie przy spełnieniu założeń modelowych ich średnia geometryczna jest równa wartości wyznaczanego parametru. Jako wynik pomiaru na rys. 4 przedstawiono wartości średnich geometrycznych każdego pojedynczego pomiaru obliczone według następującej zależności: a pom = a ψ a () ϕ Rys. 4. Wyniki dyfuzyjności cieplnej pomiaru termoelektrycznego. t-t3, t-t4, t3-t4 wyniki dla pary termoelementów odpowiednio: t-t3, t-t4, t3-t4 Analiza otrzymanych rezultatów wskazuje, iż dla pary termoelementów t3-t4 trend przebiegu otrzymanej charakterystyki temperaturowej odbiega od pozostałych dwu par termoelementów (t-t3 oraz t-t4). Wynika to prawdopodobnie z powodu niedotrzymania uwarunkowań metrologicznych pomiaru (porównaj z [5]). Prezentowane wyniki są obarczone pewnym błędem wynikającym ze stykowego pomiaru temperatury i związanymi z tym faktem dodatkowymi stratami ciepła. W związku z tym zdecydowano się na przeprowadzenie drugiego etapu badań, w którym zastosowano termowizyjną rejestrację zamian temperatury na powierzchni badanego obiektu. Rys. 5 przedstawia fragmenty danych pomiarowych wraz z termogramem badanej próbki. Na termogramie zaznaczono linie odczytu sygnałów pomiarowych. Sygnałem, w każdym przypadku, była zmienna w czasie wartość średnia rozkładu temperatury wzdłuż zaznaczonego odcinka t, t3 i t4. Ponadto dokonywano pomiaru temperatury w dodatkowych obszarach, ale sygnał odpowiedzi charakteryzował się zbyt niską amplitudą poniżej poziomu szumów pomiarowych. Ponieważ w badaniach termowizyjnych badany obiekt musi pozostać częściowo odsłonięty, straty ciepła do otoczenia są większe niż w badaniach z wykorzystaniem termoelementów. Straty ciepła z powierzchni bocznych powodują dodatkowe zmniejszenie amplitudy oscylacji sygnału odpowiedzi. Aby zapewnić właściwą rozdzielczość amplitudową sygnału w badaniach termowizyjnych, zastosowano wymuszenie o dwukrotnie większym okresie oscylacji wynoszącym 10 s. Wyniki opracowania sygnałów pomiarowych przedstawiono na rys

5 Ryszard Chachurski, Łukasz Omen, Piotr Zalewski, Andrzej J. Panas t4 t3 t a) Rys. 5. Fragmenty danych pomiarowych (a) i miejsca rejestracji temperatury na powierzchni próbki (b) b) Rys. 6. Wyniki pomiaru dyfuzyjności uzyskane w badaniach termowizyjnych. t-t3, t-t4, t3-t4 wyniki dla pary termoelementów odpowiednio: t-t3, t-t4, t3-t4, Analizując otrzymane rezultaty, zauważono, iż wszystkie wyniki pomiaru termowizyjnego są zawyżone w stosunku do odpowiadających im wyników pomiaru termoelektrycznego - maksymalna różnica względna dla 40 C wynosi ok. 40%. Jako potwierdzenie wiarygodności otrzymanych rezultatów badań z wykorzystaniem zmodyfikowanej metody oscylacji temperatury wykonano badania identyfikacyjne z wykorzystaniem dyfuzometru LFA (Laser Flash Apparatus) firmy Netzsch. Zasada działania LFA opiera się na metodzie Parkera opisanej w [3]. Wyniki pomiarów LFA, prezentowane w tabeli 1, ostatecznie potwierdziły zgodność wartości w stosunku do pomiarów termoelektrycznych oraz termowizyjnych dla temperatury pokojowej - maksymalna różnica względna dla temperatury 0 C nie przekracza 15%. a TC a IR a LFA =,90 10 t =, t =, t gdzie temperaturę t wyrażono w C. 6, , , m s 9 m s m s (3) (4) (5) Tabela 1. Wyniki dyfuzyjności dla LFA L.p. temperatura t, C a, ,88,946 Na rys. 7 przedstawiono zbiorcze zestawienie wyznaczonych charakterystyk aproksymacyjnych dyfuzyjności cieplnej. Równania aproksymacyjne wszystkich wyników pomiarów odpowiednio termoelektrycznego (rys. 4), termowizyjnego (rys. 6) oraz wyników LFA przedstawiają się następująco: Rys. 7. Temperaturowe charakterystyki aproksymacyjne dyfuzyjności cieplnej, TC pomiar termoelektryczny, IR - pomiar termowizyjny, LFA pomiar Laser Flash Apparatus 3.. CIEPŁO WŁAŚCIWE Wielkością wyznaczaną w badaniach mikrokalorymetrycznych jest ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu [13]. Pomiary ciepła właściwego wykonano za pomocą mikrokalorymetru skaningowego Pyris 1 firmy Perkin-Elmer w atmosferze azotu w przepływie 0 ml/min. z wykorzystaniem autorskiej 41

6 BADANIA IDENTYFIKACYJNE WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNYCH MATERIAŁU procedury badań (por. np. [8]). Procedura uwzględnia podział przyjętego arbitralnie zakresu temperatury badań na 3 segmenty: -0 C 0 C, 0 C 90 C oraz 90 C 130 C. a badania są wykonywane zarówno podczas grzania jak i chłodzenia. Dzięki temu podziałowi możliwe jest uzyskanie większej dokładności pomiaru oraz identyfikacja ewentualnych efektów wartości ciepła histerezy cieplnej. Do określenia właściwego zastosowano standardową metodę trzech krzywych [4]. Jako wzorzec wykorzystano próbkę szafiru o masie 60,33 mg. Zgodnie z założeniami przyjętej metodyki badań do określenia reprezentatywnej zależności ciepła właściwego badanego materiału łopatki od temperatury wykorzystano wyniki segmentów pomiarowych z kolejnych powtórzonych cykli grzania i chłodzenia. Uzyskane w obliczeniach wartości ciepła właściwego, zobrazowane na rys. 8, poddano następnie aproksymacji wielomianem trzeciego stopnia, otrzymując następującą zależność końcową ciepła właściwego od temperatury t wyrażonej w C: t c p = 5, , t t 5, , J (6) g C Rys. 8. Zależność ciepła właściwego od temperatury punktami zaznaczono wyniki pomiaru, a linią wielomian aproksymacyjny 3.3. ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA Rozszerzalność cieplna α (por. [10]) w zależności (1) nie występuje w jawnej formie, ale jejj znajomość jest niezbędna zarówno do określenia aktualnych wartości gęstości, jak i do wyznaczenia niezbędnych poprawek rozszerzalnościowych przy obliczaniu dyfuzyjności cieplnej [3, [4]. W badaniach doświadczalnych wielkością wyznaczaną bezpośrednio najczęściej jest wydłużenie względne ε.. Wartości wydłużenia względnego są następnie przeliczane do wartości rozszerzalności cieplnej liniowej. Do pomiaru właściwości rozszerzalnościowych ciał stałych powszechnie stosowanymi przyrządami są dylatometry prętowe (ang. push-rod; [10]). W niniejszym przypadku badania dylatometryczne zostały wykonane przy użyciu dylatometru DIL 40C firmy NETZSCH. Przed przystąpieniem do pomiarów zasadniczych przeprowadzono tzw. pomiary kalibracyjne z zastosowaniem próbki walcowej AlO3 o długości 5,00 mm oraz średnicy 5,00 mm. Badania wykonano w atmosferze argonu o przepływie 40 ml/min. Szybkość zmian temperatury była równa 5 K/min. Wyniki badań zaprezentowano na rys. 9. Z kolei rys. 10 przedstawia wyniki opracowania bezpośrednich danych pomiarowych i wyznaczoną liniową zależność aproksymacyjną postaci: α 9,733+ t 5,3387 = C Komentując wyniki pomiaru i rezultaty opracowania danych pomiarowych, należy zwrócić uwagę na nieregularność charakterystyki doświadczalnej rozszerzalności liniowej w zakresie początkowym przedziału temperaturowego badań. Wyniki uzyskane z tego zakresu prezentują niefizyczne wartości (por. rys 9 wartości niefizyczne oznaczono kolorem jasnoniebieskim). Efekt ten spowodowany był niedotrzymaniem em warunków uporządkowanej wymiany ciepła II rodzaju. Warunek ten nie został spełniony z uwagi na ograniczenia metrologiczne pomiaru związane z możliwościami pomiarowymi wykorzystywanego dylatometru. Przewidując możliwość wystąpienia wspomnianych nieregularności przebiegu charakterystyki rozszerzalności, badania wykonano w rozszerzonym zakresie temperatury. Ponieważ wyznaczona charakterystyka aproksymacyjna prawidłowo odzwierciedla wyniki badań w zakresie od ok. 65 C do ok. 450 C (por. rys. 9 wartości te oznaczono kolorem ciemnoniebieskim), uznano, że jej przebieg w zakresie niskiej temperatury również można przyjąć jako reprezentatywny. 3-6 (7) Rys. 9. Bezpośrednie wyniki pomiarów rozszerzalności cieplnej. Linią zieloną zaznaczono wydłużenie względne (odniesienie do prawej osi pionowej), na niebiesko zaznaczono wyniki obliczeń rozszerzalności cieplnej liniowej (oś lewa) 4

7 Ryszard Chachurski, Łukasz Omen, Piotr Zalewski, Andrzej J. Panas 4. PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA Po wyznaczeniu zależności dyfuzyjności cieplnej, ciepła właściwego i gęstości od temperatury możliwe jest obliczenie przewodności cieplnej. Wykorzystuje się do tego celu zależność: λ = ρ c ( t ) a p (11) Rys. 10. Zależność rozszerzalności cieplnej liniowej badanej próbki materiału łopatki od temperatury: punktami zaznaczono bezpośrednie wyniki pomiaru, linią charakterystykę aproksymacyjną 3.4. GĘSTOŚĆ Pomiary gęstości przeprowadzone zostały w temperaturze otoczenia wynoszącej,5 C metodą wypornościową. Do wykonania badań wykorzystano wagę analityczną Mettler-Toledo AT 6. Dwa spośród 36 wszystkich wykonanych pomiarów należało odrzucić z uwagi na ich nierzeczywiste wartości. Wartość gęstości dla wzmiankowanej temperatury odniesienia określono jako średnią arytmetyczną 34 wyników ważeń sześciu wykorzystywanych próbek. ρ o (,5 C) 4470,6 ± 9,4 kg m = 3 Na podstawie wcześniej określonych danych rozszerzalnościowych wyznaczono także, na drodze analitycznej, charakterystykę temperaturową gęstości. Niezbędne do przeliczeń wartości wydłużenia względnego zostały obliczone jako: ε t = 1+ α ( t, 5,5 o C gdzie wykorzystano wartości średnie charakterystyki rozszerzalności (7) w stosownych przedziałach temperatury. W wyniku obliczeń uzyskano następującą zależność: ρ ρ(,5 C) 1 kg = = 4473,411 t 1, (10) m [ 1+ ε( t) ] Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 11. o C) (8) (9) Rys. 11. Wyznaczona z wykorzystaniem wyników badań dylatometrycznych - zależność gęstości badanego materiału od temperatury Przed przystąpieniem do obliczeń należy jednak zwrócić uwagę na to, że otrzymane w pomiarach wartości doświadczalne dyfuzyjności cieplnej, przedstawione zależnościami (3), (4) i (5) nie uwzględniają poprawki rozszerzalnościowej. Jej uwzględnienie prowadzi do uzyskania następującej j zależności: = a [1 i ostatecznie otrzymuje się: a pom + ε (1) λ ρ0 c p a pom t = (13) 1+ ε(t W niniejszym przypadku jako gęstość odniesienia przyjęto wynik pomiaru w temperaturze pokojowej (8). Natomiast zbiorczą charakterystykę doświadczalną a pom (t) otrzymano, stosując aproksymację średniokwadratową danych charakterystyk (3), (4), i (5) a pom =, t 7,, Wyznaczona w drodze obliczeń zależność przewodności cieplnej od temperatury przedstawia się następująco: λ t = 6, t, , PODSUMOWANIE ] W m K Bezpośrednim wynikiem przeprowadzonych badań jest pełne udokumentowanie właściwości cieplnołopatki sprężarki lotniczego silnika fizycznych materiału turbinowego AŁ-1 F3. W pomiarach określono wartości i ich zależność od temperatury takich parametrów jak dyfuzyjność cieplna w zakresie od 15 C do 55 C, ciepło właściwe od -0 C do 10 C, rozszerzalność cieplna i gęstość od 0 C do 50 C. Podstawowym przedziałem temperaturowym prowadzonych analiz był zakres temperaturowy badań dyfuzyjności cieplnej. Pozostałe badania, tj. ciepła właściwego i rozszerzalności cieplnej, wykonano dla szerszego zakresu temperatury, które pokrywały przedział podstawowy. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczono charakterystykę termiczną przewodności cieplnej. Uzyskano w ten sposób komplet danych umożliwiających przeprowadzenie numerycznych symulacji obciążeń cieplnych badanego elementu konstrukcyjnego. W ocenie jakościowej zgodność otrzymanych rezultatów badań z danymi ) ( ) 9 m s + (14) (15) 43

8 BADANIA IDENTYFIKACYJNE WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNYCH MATERIAŁU zamieszczonymi w bazie Material Property Data Base potwierdza zbieżność właściwości badanego materiału ze stopami tytanu z grupy WT (WT-3, WT-9). Podkreślić jednak należy, że wybór materiału łopatki sprężarki silnika AŁ-1 F3 podyktowany był głównie potrzebą pozyskania próbki materiału reprezentatywnego dla lotniczych silników turbinowych. Celem prowadzonych badań jest bowiem także opracowanie procedur badań nieniszczących elementów konstrukcyjnych silników turbinowych. Uwagę przykuwa w tym przypadku metodyka wyznaczania dyfuzyjności cieplnej jako parametru pozwalającego charakteryzować właściwości transportowe ciepła. Przedstawione w niniejszym opracowaniu wyniki badań dyfuzyjności cieplnej zmodyfikowaną metodą wymuszeń okresowych potwierdziły poprawność zastosowanych procedur badawczych. Potwierdzenie to uzyskano poprzez porównanie otrzymanych rezultatów badań z wynikami LFA. Opisywane w pracy badania wykonano w ramach realizacji pracy DOBR 0065/R/ID1/01/03 pt. Odrzutowe cele powietrzne z programowaną trasą lotu. Literatura 1. Ångström, A. J.: Neue Methode, das Warmeleitungsvermogen der Korper zu Bestimmen. Annalen der Physic und Chemie 1861, Vol. 114, p Belling, J.M. & Unsworth, J.: Modified Ångström s method for measurement of thermal diffusivity of materials with low conductivity. Review of Scientific Instruments 1987, Vol. 58, No. 6, p Blumm J., Lindemann A., Min S.: A new laser flash system for measurement of the thermophysical properties. Thermochimica Acta 455, 007, p Maglić, K. D.; Cezairliyan, A. & Peletsky, V. E. (Eds.).: Compendium of thermophysical property measurement methods. Vol. 1: Survey of Measurement Techniques. New York: Plenum Press, Panas A. J., Nowakowski M., Jakielaszek Z., Tkaczyk P.: Badania dyfuzyjności cieplnej past termoprzewodzących metodą wymuszenia okresowego. Modelowanie inżynierskie 011, nr 41, s Panas A. J, Panas J. J., Nowakowski M., Rećko K.: Effect of approximation on the results of modified Ångström s procedure for the thermal diffusivity measurement. Technical News (Technitshni Visti), Lviv, Ukraine, 011, Vol. 33/34, No1/, p Panas A. J., Nowakowski M.: Numerical validation of the scanning mode procedure of thermal diffusivity investigation applying temperature oscillation. Thermophysics, Brno University of Technology, Faculty of Chemistry, 009, p Panas A. J., Panas D.: DSC investigation of binary iron-nickel alloys. High Temp. High Press 009, Vol. 38, No 1, p Panas A.J.: IR support of thermophysical property investigation (Medical and Advanced Technology Materials Study) in Infrared Thermography, Raghu V. Prakash ed., Intech, 01, p Panas A. J.: Pomiary rozszerzalności cieplnej ciał stałych. ZN Pol. Łódz. Cieplne maszyny przepływowe 1991, s Parker W.J., Butler C. P., Abbott G. L.: Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity. Journal of Applied Physics 1960, Vol. 3, No 9, p Phylippov L.P.: Temperature wave techniques. In: Maglić K. D., Cezairliyan A. and Peletsky V. E., eds.: Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods. New York :Plenum Press, 1984, p Wiśniewski S.: Termodynamika techniczna. Warszawa: WNT,