Л-11 (Электронные лекции)

ЛЕКЦИЯ 11

СОПЛОВЫЕ БЛОКИ РДТТ

11.1. Механизм уноса массы сопловых вкладышей РДТТ

Основным механизмом уноса массы сопловых вкладышей из различных материалов является термохимический, т.е. химическое взаимодействие активных газообразных компонентов продуктов сгорания с поверхностью материала вкладыша, нагретой до высоких температур. Рассмотрим механизм уноса на примере вкладыша, выполненного из углепластика, т.е. материала, состоящего из угольной или графитовой ткани, пропитанной фенольной смолой.

При нагревании поверхности такого вкладыша вначале происходит поверхностное термическое разложение фенольной смолы на газообразные продукты и твердый углерод. Газообразные продукты улетучиваются, а углерод остается на поверхности. Таким образом, поверхность уноса такого вкладыша состоит из чистого углерода.

В случае квазистационарного режима уноса, что можно считать справедливым для области критического сечения сопла, поверхность линейного уноса углерода и поверхность разложения смолы (Т_{р. с}  300^оС) будут перемещаться с одной скоростью.

Для определения наиболее вероятных химических реакций продуктов сгорания топлива с углеродом поверхности материала может быть использован метод минимума свободной энергии, сущность которого заключается в следующем:

Выписываются все возможные реакции углерода с продуктами сгорания и для каждой реакции рассчитывается изменение свободной энергии в функции температуры поверхности Т_w.

Свободная энергия является частью внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу при постоянной температуре (F = J - TS).

Движущая сила химической реакции характеризуется изменением свободной энергии

F = J - TS.

Чем больше отрицательное значение F, тем полнее протекает химическая реакция. Нулевое значение F характеризует состояние химического равновесия. Наиболее вероятной является та реакция, у которой отрицательное значение свободной энергии больше. Если отрицательное значение F увеличивается слева направо, то реакция эндотермическая, т.е. идет с выделением тепла. Если F – положительна в данном диапазоне Т_w, то реакция идет в противоположном направлении.

Пример подсчета свободной энергии

Химическая реакция mM + nN → pP + qQ

Литература: «Термодинамические свойства индивидуальных веществ» под ред. В. П. Глушко. Том 2.

Для двух значений Т_w (T_w1  2000 К; T_w2  3000 К) находим по таблицам значения энтальпий и энтропий и вычисляем F.

Далее строим график F = f(T_w) для всех реакций

Исследование реакций углерода по этому методу показало, что наиболее вероятными являются реакции:

1. С_тв + Н₂О_г → СО_г + Н_2г

2. С_тв + СО_2г → 2СО_г

3. С_тв + ОН_г → СО_г + ½ Н_2г

4. 2С_тв + О_2г → 2СО_г

5. С_тв + О_г → СО_г

Т.е. твердый углерод исчезает с поверхности, превращаясь в окись углерода СО. В этом заключается сущность линейного уноса (разгара) материала!!

В случае квазистационарного режима уноса весь тепловой поток, подводимый к поверхности материала, расходуется на его термохимическое разрушение. Уравнение баланса энергии на поверхности в этом случае будет иметь вид:

Здесь: q_ – суммарный удельный тепловой поток, подводимый к поверхности со стороны продуктов сгорания (q_ = q_к + q_л);

– массовая скорость уноса материала;

Q^* – эффективная теплота уноса материала (эффективная энтальпия материала).

Q^* может быть определена, как количество тепла, необходимое для полного термохимического разрушения 1 кг материала.

В свою очередь Q^* можно представить как:

Первый член правой части уравнения представляет собой количество тепла, идущего на прогрев исходного материала от Т_н до Т_рс.

Второй член – количество тепла, идущего на полное разложение связующего при Т_рс.

– относительное содержание (массовая доля) связующего в материале;

Q_рс – теплота разложения связующего.

Третий член – количество тепла, идущего на нагрев ГПРС от Т_рс до Т_w.

k – коксовое число связующего (относительная доля углерода в связующем);

– теплоемкость газообразных продуктов разложения связующего.

Четвертый член – количество тепла, идущего на нагрев прококсованного слоя материала от Т_рс до Т_w.

с_кокс – теплоемкость прококсованного слоя.

В реальных случаях при Т_w = (2200…2600) К Q_внутр лежит в диапазоне (700…800) .

Имея в виду, что конвективный тепловой поток, подводимый к поверхности из-за наличия вдува массы в пограничный слой и используя зависимость В. П. Мугалева, уравнение (1) можно представить в виде:

q_ко – конвективный тепловой поток без учета вдува;

q_л – лучистый тепловой поток;

– член, учитывающий снижение теплового потока из-за вдува массы.

с_р – теплоемкость продуктов сгорания топлива;

Т_к – температура продуктов сгорания в камере сгорания;

М_е – молекулярная масса продуктов сгорания;

М_а – молекулярная масса продуктов разложения материала вкладыша, вдуваемых в пограничный слой;

b – коэффициент: 0,2 < < 1,0 b = 0.35

1 < < 10 b = 0.7

Q_с – тепло, затраченное на химические реакции углерода поверхности обугленного слоя с газообразными продуктами сгорания топлива (реакции 1-5).

Суммируя тепловые эффекты реакций (1-5) и приведя их к массовой доле углерода в обугленном слое, получаем:

Q_c =  {[( ) + ( ) ] –

­– [ (

+ ) ]}( )^-1.0 (4)

C_i – массовая доля i-го компонента продуктов сгорания;

J_i – теплота образования i-го компонента.

Задаваясь рядом произвольных значений Т_w по уравнению (3) можно найти . Таким образом, чтобы найти действительную скорость уноса , нужно знать температуру поверхности Т_w.

Как показывают расчеты, значение Q_с с ростом Т_w убывает. В диапазоне Т_w = 2200…2600 К, Q_с  2200…2100 .

Химический унос материала поверхности в общем случае может происходить в кинетическом и диффузионном режимах, что зависит от Т_w.

Анализ показывает, что в реальных случаях Т_w достаточно высока, поэтому, преобладает диффузионный режим, который можно представить в виде следующих основных стадий:

1. диффузия окисляющих компонентов продуктов сгорания через пограничный слой к поверхности материала;

2. химическая реакция на поверхности;

3. диффузия продуктов реакции от поверхности.

При выводе зависимости для массовой скорости уноса материала в диффузионном режиме используется уравнение диффузии.

Расход i-го окисляющего компонента продуктов сгорания через пограничный слой определяется как:

Суммируя окисляющие компоненты продуктов сгорания, принимая равными коэффициенты диффузии всех компонентов и учитывая снижение конвективного теплового потока из-за вдува массы в диффузионном режиме можно представить в виде:

– коэффициент теплоотдачи без учета вдува;

w, r_i – стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций углерода;

MW, MR_i – молекулярные массы материала стенки (в данном случае углерода) и соответствующих компонентов внешнего потока, вступающих с ним в реакцию;

С_i,e – концентрация компонентов (массовая доля) продуктов сгорания топлива, вступающих в реакцию с углеродом, на внешней границе пограничного слоя (известно из термодинамического расчета);

с_р – теплоемкость продуктов сгорания топлива.

В силу того, что _о слабо зависит от Т_w, также является функцией Т_w.

Совместное решение уравнений (3) и (5) дает нам искомую массовую скорость уноса и Т_w. Решать уравнения (3) и (5) удобно графически.

Линейная скорость уноса массы .

1.2. Элементы конструкций сопловых блоков

Сопловой вкладыш с системой отвода и поглощения тепла

1 – наружная стальная обечайка

2 – теплоизоляционный асбестовый слой

3 – графитовый теплопоглощающий элемент

4, 5 – теплоотводящие пластины из пирографита с направленным положением кристаллов

6, 8 – теплоизоляция из пирографита

7 – вкладыш (W, W + Ta, ВНДС).

Анизотропные свойства пирографита широко используются в конструкции сопловых блоков в целях отвода тепла от нагреваемой поверхности, перераспределение теплового потока вдоль продольной оси сопла и в целях теплоизоляции. В зависимости от направления расположения кристаллов пирографит может быть хорошим проводником тепла или превосходным теплоизолятором.

Сопловой блок с твердым охладителем

Горловина соплового блока состоит из набора плоских колец 6, изготовленных из жаростойкого металла. Между кольцами радиально прокладываются пластины 3, равномерно распределенные по окружности. Минимальный зазор _min между пластинами (на внутренней поверхности горловины сопла) определяет расход охладителя при работе двигателя. Твердый охладитель заполняет пространство между кольцами 6, образованное прокладкой пластин 3. Блок из колец с прокладками и охладителем, заполняющим зазоры , монтируется внутри обечайки 4, сваренной с фланцем 2, который крепится на болтах к заднему днищу 1 корпуса РДТТ. Расширяющаяся часть сопла образована графитовыми кольцами 7, имеющими составное покрытие из кольцевых элементов 5. В качестве твердого охладителя могут использоваться полиамидные смолы, в частности, нейлон, образующий при температуре разложения Т_р = 389 К газообразные продукты с низкой молекулярной массой, которые вытекают в зазор  между пластинами 3 и смешиваются с продуктами сгорания топлива, образуя пристеночный слой и охлаждая конструкцию сопла.

В качестве твердого охладителя может быть использовано твердое топливо с низкой температурой горения из-за значительного избытка горючего (на основе каучука и нитрата аммония).

Охлаждаемое сопло с пористым вкладышем

В системе охлаждения вкладыша в районе критического сечения сопла могут быть использованы пористые материалы. Вкладыш горловины сопла выполнен из жаростойкого пористого материала. Охладитель (жидкая или газообразная среда) размещается в специальном баллоне на борту с вытеснительной системой подачи. После запуска двигателя продукты сгорания, двигаясь по соплу, расплавляют пробку 2, при этом стержень 3 открывает отверстие 5, через которое охладитель поступает в полость 1. Из полости 1 через поры во вкладыше 4, отбирая у него тепло, охладитель попадает на омываемую потоком поверхность вкладыша, образуя пристеночный слой.

Утопленное сопло из материалов с нормированным уносом массы

1 – кварцевая ткань, пропитанная фенольной смолой;

2 – сталь;

3 – графитовая ткань, пропитанная фенольной смолой;

4 – угольная ткань, пропитанная фенольной смолой;

5 – плотный графит;

6 – угольная ткань, пропитанная фенольной смолой.