Весна 16 курс 3 ОрТОР / Теория АД / Термодинамика и теплопередача Никифоров А.И.-3

141

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 характер - ных 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

142

стенки равна температуре охладителя на выходе из щели tох . На основном участке (за точкой В по ходу движения) в зону смешения вовлечен и пристенный 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 tст ад.

Эффективность заградительного охлаждения характеризует безразмерная температура стенки, равная:

x

места обдува b (здесь b — ширина щели) и параметра вдува, равного отношению плотностей тока охладителя и газа:

N cох ох , cт г

143

где cох, ρох - скорость и плотность охладителя на выходе из щели.

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

где

Re cох b .

ох

На рис. 13.6 видно, что требуемое условие (tст < tдоп) обеспечивается лишь на определенной длине охлаждаемого участка xдоп. Если длина стенки l > xдоп,

то необходимо организовать дополнительный ввод охладителя. Температура стенки может быть понижена (и соответственно увеличена длина xдоп), 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.

144

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 (qп) и без него (q) равны:

Тогда, считая стенку плоской, имеем

145

так как qп < q, то температуры стенки (tcт ох и tст 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 (tп) будет выше температуры стенки, которую она имела бы без покрытия (tст’ ох). Это следует из уравнения следующих выражений:

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 (λп) и обладать высокой допустимой температурой нагрева (tдоп > tп). 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

146

возникают при больших температурных градиентах, хорошая сцепляемость (адгезия) с материалами защищаемой стенки.

13.5. Уносимые теплозащитные покрытия

В отличие от тугоплавких эти покрытия в процессе работы разрушаются. В уносимых покрытиях при их нагреве до определенной температуры происходят фазовые (сублимация, плавление, испарение) или химические превращения с последующим уносом продуктов этих превращений газовым потоком. Тепло, подводимое от газа к стенке, в основном расходуется на эндотермические превращения и поэтому тепловой поток, идущий в глубь материала, невелик.

Газообразные продукты разрушения покрытия вдуваются в пограничный слой внешнего потока и уменьшают теплоотдачу в стенку подобно тому, как это происходит при пористом охлаждении.

Совокупность процессов, протекающих на поверхности уносимого покрытия, называется абляцией. Важной характеристикой уносимого покрытия является теплота абляции (rабл) — тепло, которое расходуется на разрушение 1 кг покрытия. Оно складывается из тепла, расходуемого на нагрев материала, и тепла, поглощаемого при фазовом переходе или химической реакции (r):

основную долю в этой сумме составляет r. Чем больше величина rабл, тем,

при прочих равных условиях, медленнее разрушается покрытие и, следовательно, будет меньше потребная его толщина.

В качестве оплавляющихся покрытий могут использоваться стекловидные материалы, которые имеют хорошие термоупругие характеристики, небольшую теплопроводность в жидком состоянии, большую вязкость и теплоту испарения (cкрытой теплоты плавления эти материалы не имеют), а также пластмассы, армированные стекловолокном или стеклотканью.

147

Защитный эффект может быть также основан на обугливании поверхностного слоя материала покрытия. Обугленный слой выполняет роль теплоизолятора, через который в пограничный слой горячего газа вдуваются газообразные продукты химических реакций, протекающих на внутренней стороне обугленного слоя. Обугленный слой состоит в основном из углерода,

который при низких давлениях может сублимировать. Таким образом, кроме теплоизолирующего эффекта самого слоя, происходит уменьшение теплоподвода к поверхности вследствие вдувания газа в пограничный слой. Покрытие, которое обугливается в процессе работы, выполняют из смол и других органических веществ.

Очевидно что уносимые покрытия – покрытия одноразового применения. Они используются для тепловой защиты ракет и космических аппаратов;

они могут быть применены и для тепловой защиты внутренних повер хностей ракетных двигателей в тех местах где допустимо изменение их размеров.

148

13.6. Применение методов тепловой защиты в охлаждении лопаток турбин ГТД

рис 13.9. Схемы лопаток с конвективно-пленочным (а) и пленочным (б) охлаждением: 1 — горячий газ; 2 — охлаждающий воздух

Рис 13.10. Схема лопатки с пористым охлаждением:

1 — несущий стержень; 2 — пористая (проницаемая) оболочка; 3 — охлаждающий воздух; А — А — сечение лопатки

150

рис 13.13. Схемы охлаждения лопаток а – петлевая схема; б – лопатка с внутреннем дефлектором и поперечными

рёбрами на внутренней поверхности; в – Схема лопаток турбины ТРДД JT 9D 1-отверстие для удаление пыли