13.3. Заградительное (плёночное) охлаждение

В этом случае меж­ду стенкой и потоком горячего газа создается заградительный защитный слой охладителя (холодного газа или жидкости); этот защитный слой называется завесой или плёнкой. Завеса может быть организована различными способами (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Способы организации заградительного (плёночного) охлаждения

Рассмотрим особенности процесса при заградительном ох­лаждении. На защищаемой стенке образуется пограничный слой охладителя, а на границе между охладителем и горячим га­зом — зона смешения АОВ (рис. 13.6), ширина которой растет вдоль потока. По ходу движения можно выделить два характер­ных участка: начальный и основной. На начальном участке (от плоскости входа до точки В — точки соприкосновения границы зоны смешения со стенкой) стенка омывается охладителем. По­этому на начальном участке температура стенки равна темпера­туре охладителя на выходе из щели t_ох . На основном участке (за точкой В по ходу движения) в зону смешения вовлечен и п ристенный слой, температура его увеличивается, вследствие чего растёт и температура стенки (см. рис. 13.6).

Рис. 13.6. Характер изменения температуры охлаждаемой стенки от способа ввода охладителя

При “чисто” заградительном охлаждении теплоотдача между газом и стенкой на стационарном режиме отсутствует. Поэтому в данном случае стенку называют адиабатной, а ее температуру обозначают t_{ст ад}.

Эффективность заградительного охлаждения характеризует безразмерная температура стенки, равная:

(13.10)

Величина θ зависит, главным образом, от безразмерного расстояния от места обдува (здесь b — ширина щели) и параметра вдува, равного отношению плотностей тока охладителя и га­за:

где c_ох, ρ_ох - скорость и плотность охладителя на выходе из щели.

Для расчета в можно использовать приближенную формулу, предложенную С. С. Кутателадзе и А, И. Леонтьевым,

(13.11)

где

Н а рис. 13.6 видно, что требуемое условие (t_ст < t_доп) обеспечивается лишь на определенной длине охлаждаемого уча­стка x_доп. Если длина стенки l > x_доп, то необходимо организо­вать дополнительный ввод охладителя. Температура стенки мо­жет быть понижена (и соответственно увеличена длина x_доп), если заградительное охлаждение применить совместно с конвек­тивным. Такое комбинированное охлаждение (рис. 13.7), кото­рое часто называют конвективно-пленочным, широко использу­ется для защиты камер сгорания, выходных сопел, лопаток га­зовых турбин и др.

Рис. 13.7. Физическая картина конвективно-плёночного охлаждения

Выше мы рассмотрели заградительное охлаждение, в котором завеса создается газом. Если для этой цели используется жид­кость, то на процесс накладывается испарение охладителя, кото­рое должно быть учтено в расчётах.

13.4. Тугоплавкие теплозащитные покрытия

К тугоплавким отно­сят покрытия, которые не разрушаются газовым потоком, и по­этому их размеры не меняются в процессе работы. Покрытие на­носится на поверхность защищаемой детали со стороны газового потока (или другого источника тепла) и представляет, таким об­разом, тепловое сопротивление между стенкой и источником теп­ла.

Рис. 13.8. Применение теплозащитного покрытия совместно с конвективным охлаждением

На стационарном режиме теплозащитное покрытие позволя­ет понизить температуру защищаемой стенки лишь при наличии теплового потока через стенку, т. е. при наличии отвода тепла от неё, например, конвективным охлаждением. Проанализируем этот случай (рис. 13.8). Плотности теплового потока при нали­чии покрытия (q_п) и без него (q) равны:

Из уравнения Ньютона следует

(13.12)

Тогда, считая стенку плоской, имеем

(13.13)

так как q_п < q, то температуры стенки (t_{cт ох} и t_{ст г}) при наличии покрытия будут меньше, чем без него. Эта разница возрастает с увеличением теплового сопротивления покрытия . Вместе с тем температура поверхности покрытия со стороны газа (t_п) будет выше температуры стенки, которую она имела бы без покрытия (t_ст^’ _ох). Это следует из уравнения следующих выражений:

и (13.14)

Профиль температур при наличии покрытия (сплошная линия) и без него (пунктир) показан на рис. 13. 8

Из проведённого анализа вытекают важные требования к теплозащитным тугоплавким покрытиям: они должны иметь низ­кий коэффициент теплопроводности (λ_п) и обладать высокой до­пустимой температурой нагрева (t_доп > t_п). Вместе с тем они должны быть стойкими к эрозионному воздействию со стороны газового потока.

Если защищаемая стенка работает в нестационарном тепло­вом режиме и температура меняется в процессе, то основная за­дача теплозащитного покрытия - замедлить процесс нагрева стенки. В этом случае важно, чтобы материал покрытия наряду с низким значением, а обладал значительной тепловой инерци­ей, т. е. имел малый коэффициент температуропроводности λ.

В качестве материалов для покрытий используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам и др.), металлокерамика (окиси, карбиды, интриды металлов), графит. Температура плавления или разложения этих материалов 2300…3800 К. Тугоплавкие покрытия применятся для защиты таких элементов конструкции, которые в процессе работы не должны изменять своей формы и размеров. К таким элементам относится, например, горловина сопла реактивного двигателя.

Важным качеством таких покрытий являются высокая температура плавления, способность противостоять термическим напряжениям, которые возникают при больших температурных градиентах, хорошая сцепляемость (адгезия) с материалами защищаемой стенки.