Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В данной работе предложены методики исследований теплопроводности, электронной эмиссии образцов деталей и нестационарного теплового состояния деталей при воздействия высокочастотных (ВЧ) ультразвуковых механических колебаний. В работе [1] был обнаружен электрический сигнал (переменная ЭДС) в полупроводниковом материале (германии) при воздействии ультразвуковых (УЗ) колебаний (волн). Это одно из проявлений акустоэлектронного взаимодействия. Появление тока или ЭДС связано с передачей импульса (и соответственно энергии) от УЗ-волн (от фононов) к электронам проводимости. Это приводит к направленному движению носителей (увеличению скорости дрейфа электронов) — электрическому току в направлении распространения звука. В данной работе зарегистрированы электрические сигналы (переменные ЭДС, возникающие при действии УЗ-колебаний (волн) на перемещение свободных электронов) в металлических образцах и деталях из разных сплавов при воздействии ВЧ-механических колебаний. Указанные факторы влияют на теплопроводность и эмиссию электронов. Ранее проводилось исследование влияния низкочастотных механических колебаний на теплопроводность проводников из никелевого сплава [2]. Известно несколько эмиссионных физических явлений, заключающихся в испускании электронов телами под воздействием различных внутренних и внешних факторов: термоэмиссионная, фотоэлектронная, вторичная электронная, автоэлектронная, взрывная электронная эмиссии [3, 4]. В данной работе обнаружен и исследован новый вид электронной эмиссии деталей при воздействии механических колебаний.
В работе предложен метод нестационарного определения температуропроводности материалов в поле действия ультразвуковых ВЧ-механических колебаний. С его помощью проведены исследования. Разработано устройство для определения указанных характеристик, которое представляет собой конструкцию с ультразвуковым преобразователем и образцом (моделью лопатки турбины) в виде стержня (волновода) с электронагревателем. Внутри средней части корпуса устройства расположен магнитострикционный преобразователь, работающий на частоте 20 кГц с интенсивностью 50 Вт и на конце конструкции — стержень.
Методика исследований предусматривала закрепление на середине стержня переменного сечения (в виде конуса) электронагревателя с теплоизоляцией, состоящего из нескольких витков хромелевого провода. Кончик стержня выполнен в виде плоской расширяющейся части. В точке кончика стержня исследовалась температура и передача тепла от электронагревателя. Для исследования теплового состояния конусного стержня и бесконтактных измерений температур его поверхности использовался термограф Flir. Контроль за температурным состоянием стержня с электронагревателем, производился компьютерной системой, связанной с термографом с чувствительностью 0,05 °С в широком диапазоне температур. Спектральный диапазон камеры 3...5 мкм. Обработка результатов осуществлялась по разработанной программе. Для питания электронагревателя использовался стабилизированный источник питания.
Проводились исследования кривых температуры кончика конусного стержня в зависимости от времени при передаче тепла от электронагревателя в экспериментах с включенным ультразвуковым преобразователем и без него до температуры 130 °С. Эти кривые приведены на рис. 1 и 2.
Анализ скоростей нагрева и времени передачи тепла проводился по кривым температуры кончика конического стержня (см. рис. 1) в начале нагрева. По результатам указанных исследований было получено, что температуропроводность металлического стержня из углеродистой стали с учетом влияния ультразвуковых колебаний, увеличивается в 2 раза.
На этом же устройстве, работающем на частоте 20 кГц, проведены исследования эмиссии электронов, которая возникала также под воздействием высокочастотных механических колебаний. Для этого на конце кончика стержня была установлена первая медная пластина (эмиттер) и параллельно ей вторая медная пластина (коллектор). Воздушный зазор между пластинами изменялся при исследованиях. Для измерения ЭДС и тока электронной эмиссии вторая пластина через соединительный кабель подключалась к чувствительному анализатору сигналов и спектра MIC-200. Получены значения тока электронной эмиссии (рассчитанные по измеренным значениям ЭДС) при увеличении зазора между пластинами от 0,1 до 1,0 мм при воздействии механических ультразвуковых колебаний, которые показаны на рис. 3. В целом получены результаты по исследованиям изменения теплопроводности и возникающей эмиссии электронов под воздействием механических колебаний на частоте 20 кГц. При этом теплопроводность и эмиссия электронов металлических образцов увеличивается.
При воздействии эмиссии электронов температура кончика стержня снижалась на 20...30 °С в связи с тем, что испускаемые свободные электроны уносили часть теплоты. Кроме того, зарегистрированы электрические сигналы (переменные ЭДС, возникающие при действии УЗ-механических колебаний (волн) на перемещение свободных электронов) с использованием анализатора спектра в указанных стержнях и других образцах из разных сплавов при воздействии высокочастотных механических колебаний, что свидетельствует об увеличении скорости дрейфа электронов в металле.
Разработаны методы и устройства для исследования теплопроводности, эмиссии электронов и нестационарного теплового состояния образцов деталей (лопаток турбин) — стержней переменного сечения, в средней части которых установлен электронагреватель, при ВЧ-механических колебаниях. С использованием разработанных методов проводились исследования нестационарного теплового состояния стержней с применением термографа. Эмиссия электронов исследовалась на устройстве со стержнем и пластинами (между которыми изменялся зазор) с использованием чувствительного анализатора спектра. При воздействии эмиссии электронов температура кончика стержня несколько снижалась. По результатам исследований были определены характеристики теплопроводности и электронной эмиссии в зависимости от зазора. Полученные результаты имеют актуальное значение для учета эмиссии свободных электронов (переносящих порции теплоты) с вращающихся рабочих лопаток турбин двигателей и других турбомашин при воздействии механических колебаний для более точного расчета теплового состояния лопаток турбин в условиях эксплуатации.
