Экспериментальные исследования температурного поля аппаратов с магнитоожиженным слоем, принцип действия которых основан на использовании двух потоков энергии (энергии постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля и энергии, передаваемой слою ферротел от приводного электродвигателя) [1, 2, 3, 4, 5], связано со значительными трудностями. Это вызвано тем, что для обеспечения заданных тепловых режимов необходимо измерять температуру на вращающихся частях устройств. С такими трудностями столкнулась техника при измерении температуры вращающихся лопаток паровых турбин, а также температуры ротора турбогенератора. В настоящее время измерение температуры наиболее удобно производить с помощью термопар, но для измерения на вращающихся деталях термо-э.д.с. приходится использовать токосъемник с вращающимися кольцами и неподвижными щетками. Такой токосъемник обладает тем недостатком, что между щеткой и кольцами появляется переходное сопротивление, а между материалом кольца и материалом щетки возникает дополнительная термо-э.д.с. При компенсационном методе измерения э.д.с. термопары возможны ошибки измерения из-за добавочного переходного сопротивления. Компенсационный метод неприменим при исследовании переходных процессов в ЭММА. Наличие добавочной термо-э.д.с. между кольцом и щеткой всегда является источником погрешности при измерении температуры на вращающихся деталях. Проведенные за последние годы исследования процессов в токосъемниках позволяет с достаточной точностью произвести замер температуры на вращающихся деталях аппаратов с магнитоожиженным слоем [6, 7, 8] с помощью термопар.
Целью исследования является выбор аппаратурно-технических решений для проведения экспериментального исследования тепловых режимов работы аппаратов с магнитоожиженным слоем.
Материалы и методы исследований
Объектом исследования является методическое и техническое оснащение экспериментальных стендов аппаратов с магнитоожиженным слоем нетрадиционной приборной базой, обусловленной особенностями эксплуатации аппаратов нового типа.
Результаты исследования и их обсуждение
Детальное исследование контактных поверхностей токосъемников показало, что в атмосфере чистые поверхности кольца и щетки мгновенно окисляются, покрываясь молекулярными окисными пленками, обладающими свойствами полупроводников. На рисунке 1 упрощенно представлена контактная зона, состоящая из четырех последовательно включенных элементов: материала щетки 1, окисла 2, образованного из материала кольца в виде поверхностной пленки на кольце и материала кольца 4. Толщина окисной пленки является результатом взаимодействия скорости непрерывного образования пленки и скорости износа пленочного материала в условиях трения. Сопротивление окисных пленок представляет собой основную составляющую переходного контактного сопротивления. Прогрев окисных пленок значительно снижает их электрическое сопротивление, так как они обладают полупроводниковыми свойствами и имеют весьма высокие отрицательные температурные коэффициенты сопротивления (рис. 1). Источниками термо-э.д.с. является поверхность раздела 7 между материалом щетки 1 и окисной пленкой 2, а также поверхность раздела 5 между материалом кольца 4 и окисной пленкой 3. Если окисные пленки 2 и 3 термоэлектрически различны, то контакт между ними на поверхности раздела 6, являющейся поверхностью трения, также представляет собой источник термо-э.д.с. В зависимости от термоэлектрических характеристик материалов щетки, кольца и их окислов направления термо-э.д.с., возникающих в местах соприкосновения 5, 6 и 7, могут быть как совпадающими, так и взаимно противоположными. В цепи будет иметь место результирующая термо-э.д.с. Даже при неизменной температуре на поверхности трения 6 и в зависимости от толщины пленок 2 и 3 на поверхностях разделов 7 и 5 могут иметь место различные температуры. При этом результирующая термо-э.д.с. может получать как различную величину, так и менять свою полярность.
Если режим скорости скольжения щетки по кольцу не изменяется, а температура контакта повышается, то график изменения термо-э.д.с. при повышении температуры контакта получает седлообразный вид, как это показано на рис. 2.
График построен для контактной пары из чугунного кольца и медной щетки. Однако, характеристика в других масштабах остается справедливой и для контактных пар из других материалов. Уменьшение термо-э.д.с. в зоне контакта достигается подбором соответствующих контактных материалов. Из большого числа сочетаний материалов колец и щеток наиболее эффективными являются серебряные кольца с серебрографитовыми щетками и медные кольца с медно-графитовыми щетками.
Рис. 1. Исследуемая контактная зонааппаратов
Рис. 2. График изменения термо-э.д.с.
Рис. 3. Схема стенда для исследования температурных режимов работы аппаратов с магнитоожиженным слоем
Сложность замера температур посредством термопар на вращающихся деталях связана не только с наличием термо-э.д.с. в скользящих контактах токосъемника, но и с наличием термо-э.д.с. в местах соединений отводящих проводов со щеткой, кольцом и измерительной аппаратурой. С целью компенсации этих термо-э.д.с. в цепь включается дополнительная термопара, расположенная на вращающейся детали и в непосредственной близости к ней, а также находящаяся в таких же тепловых условиях неподвижная термопара. Схема стенда для исследования температурных режимов работы аппаратов с магнитоожиженным слоем представлена на рис. 3.
Для измерения температуры использована медно-константановая термопара 1, присоединенная к серебряным кольцам 2 и 3, по которым скользят серебряно-графитные щетки 4 и 5. Медный провод 6 непосредственно соединен с кольцом 3. Константановый провод 7 вместе с медным проводом 8, присоединенным к кольцу 2, образует термопару 9, расположенную на наружной поверхности вала ротора. В непосредственной близости в термопаре 9 располагается неподвижная термопара 10, медный провод 11, который присоединен к щетке 4. Обе термопары 9 и 10 находятся в одинаковых тепловых условиях. Эти термопары обдуваются одной и той же струей воздуха, циркулирующей вокруг вращающегося вала. Константановый провод 12 термопары 10 образует вместе с медным проводом 13 термопару 14, помещенную в термос 15, температура в котором измеряется с помощью термометра 16. Медные провода 13 и 17, присоединенные к потенциометру 18, измеряют результирующую ЭДС в цепи. Термо-э.д.с. в контакте между медным проводом 8 и кольцом 2 компенсируют друг друга в цепи, т.к. эти э.д.с. равны (оба кольца находятся в одинаковых тепловых условиях и направлены в цепи противоположно). По тем же причинам компенсируют друг друга термо-э.д.с. в контакте между кольцом 2 и щеткой 4 и термо-э.д.с. в контакте между кольцом 3 и щеткой 5. Также компенсируют друг друга термо-э.д.с. в контакте между щеткой 4 и медным приводом 13 и термо-э.д.с. в контакте между щеткой 5 и медным проводом 17. Наконец, компенсируют друг друга и термо-э.д.с., создаваемые термопарами 8 и 9. В результате в цепи действует только термо-э.д.с. горячего спая термопары 1 и термо-э.д.с. холодного спая термопары 14. Потенциометр 18 измеряет разность э.д.с., создаваемых этими термопарами, что при известном значении температуры холодного спая дает возможность определить температуру в точке расположения термопары 1. При температуре термостатированного холодного спая t = 0 °С результаты измерений дают температуру в месте термопары 1.
Лабораторные испытания показали, что величина сопротивления скользящего контакта, как в неподвижном состоянии, так и при длительной работе при скорости вращения 3000 об/мин практически не изменяется, а уровень термо-э.д.с. мал и не превышает 0,02 мв. Для термопар медь-константан это соответствует погрешности 0,5 °С. Специальная проверка по определению полной погрешности, вносимой устройством при измерениях температуры вращающихся частей при 3000 об/мин, подтвердила, что суммарная погрешность вместе с погрешностью схемы компенсации термо-э.д.с. промежуточных спаев не превосходит 0,7–1 °С, т.е. находится в пределах точности проводимых такого рода измерений. Такая точность вполне допустима при измерении температур на вращающихся частях ЭММА.
Диаметр контактных колец токосъемника составлял 12,5 мм. Окружная скорость скользящего контакта при 3000 об/мин не превосходила 2 м/сек. Установившаяся рабочая температура контактных колец имела значение 50–60 °С. Аналогичное устройство токосъемника может быть использовано при экспериментальном исследовании тепловых режимов работы аппаратов с магнитоожиженным слоем различных конструктивных модификаций [9, 10].
Заключение
Предложенные технические решения использованы при проведении экспериментальных исследований тепловых режимов работы аппаратов с магнитоожиженным слоем (электромагнитных механоактиваторов – ЭММА, электромагнитных смесителей – ЭМС, электромагнитных плотномеров – ЭМЛ и др.) [11, 12].