Глава XVIII. Тепловая защита летательных аппаратов и их энергетических у (1013646)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

глАБА ХУП1 ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 18.1. СПОСОБЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ При полете летательных аппаратов с большой скоростью в результате преобразования кинетической энергии внешнего потока вследствие трения в тепло температура поверхности может значительно превышать допустимую, при которой происходит разрушение современных конструкционных материалов. Например, при гиперзвуковых скоростях полета М = 10...15 температура неохлаждаемой поверхности летательного аппарата может достигать 5 000...10 000 К. В энергетических установках летательных аппаратов, например в реактивных двигателях, также осуществляется разогрев рабочего тела до температуры 2 000...5 000 К, превышающей допустимую для современных конструкционных материалов.

В плазменных установках температура рабочего тела может достигать 50 000 К и более. Во всех этих случаях необходимо обеспечить тепловую защиту элементов конструкции летательных аппаратов и их энергоустановок, подвергающихся воздействию высокотемпературного потока газа и большим тепловым нагрузкам. Рассмотрим основные способы тепловой защиты поверхности и методы их расчета. Наиболее простым способом тепловой защиты теплонапряженных конструкций летательных аппаратов и эпергоустановок является использование теплоемкости материала, т. е. способности материалов поглощать тепло. Такой способ тепловой защиты используется при кратковременных тепловых нагрузках, например в неохлаждаемых ракетных двигателях на твердом топливе, Если в начальный момент времени (в момент запуска двигателя) стенки камеры сгорания и сопел реактивного двигателя подвергаются тепловой нагрузке определенной интенсивности, то прн нестационарном процессе его прогрева (теплопроводности) подводимое тепло будет расходоваться иа разогрев материала стенок и температура достигнет допустимого значения только по истечению определенного промежутка времени (т,„), Время воздействия тепловой нагрузки (время работы двигателя) выбирается из условия не превышения допустимых (из соображений прочности) значений температуры поверхности при нестационарном прогреве конструкции.

Если в качестве допустимой принять температуру плавления материала конструкции Т... 427 то максимальное количество тепла, которое она может поглотить 0 = рпс (Тпп — То) (18.!) где уп — масса материала конструкции; с — ее теплоемкость; Т, — наг чальная температура материала конРис. 18.1. Схеиз коивектии. стпукции. ного оклажд ип; Следовательно, эффективность дан! — впсокотавпаратурвпи газо. НОГО СПОСОба тЕПЛОВой Защнтм (Отвода тепла) тем выше, чем больше теплоемкость материала с и температура его плавления Т, .

Из теории теплопроводности следует, что чем меньше значение критерия Вио В1 =- ябггХи, тем более равномерная температура по сечению стенки и тепло без существенного запаздывания распространяется по ее сечению. Следовательно, при малых значениях критерия В1 максимально допустимого значения температуры (например температуры плавления) достигает одновременно как наружная, так и внутренняя поверхности стенки. По этой причине для данного способа тепловой защиты целесообразно использовать материалы с высоким значением коэффициента теплопроводности, что обеспечивает поглощение ими тепла равномерно по всей массе материала. Недостатком этого способа тепловой защиты является ограничение по времени воздействия тепловой нагрузки, которое с увеличением температуры газового потока и интенсивности теплообмена уменьшается.

Наиболее распространенным способом тепловой защиты является конвективное охлаждение теплонапряженнон поверхности. В этом случае поверхность омывается с одной стороны высокотемпературным потоком газа и охлаждается жидкостью илн газом с другой стороны (рис. 18,1). Конвективное охлаждение широко используется для тепловой защиты камер сгорания и сопел жидкостных ракетных двигателей, лопаток и дисков турбин газотурбинных реактивных двигателей, оптических систем лазерных установок. В случае конвективного охлаждения плоской пластины с коэффициентом теплопроводности Х и толщиной 6 (см.

рис. 18.1) Т11 — ТУ2 ТУ1 — Т, (!а8. 2) 1!, +81х+1,, 1!, где Тр„Т»2 — температуры газового потока и ахладителя; Т „ Т, — температуры поверхности с внешней н внутренней стооон пластины; а„ат — коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего потока газа н охладителя. Из данного соотношения следует, что эффективность конвективного охлаждения будет определяться относительной температурой 11 пт 18. 3) ту --ту, 1+ 8122+ ~1га, ' 428 Рис. 18.2. Способы интенси4тккации процесса теплообмена в каналах охла- ждаемых лопаток газовых турбин. а — ребрж б — цилиндрические интенсифик арм Из данного соотношения следует, что чем больше коэффициент теплоотдачи от внУтРенней повеРхности к охладителю 1сха1 и меньше его темпеРатУРа 1Тга), тем меныпе темпеРатУРа наРУжной поверхности, т.

е, больше эффективность конвективного охлаждения. Поэтому для повышения эффективности конвектнвного охлаждения целесообразно использовать охладители, обладающие большим значением теплоемкости, что обеспечивает цебольпюй нх подогрев, и применять различные способы интенсификации процесса теплообмена между вкутренней поверхностью и охладителем, что обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи аа Для интенсификации процесса теплообмена на внутренней поверхности устанавливаются различного типа интенсификаторы: ребра, продольно нли нормально расположенные по отношению к основному течению охладителя; различного типа турбулнзаторы в ниде изолированных элементов. В этом случае интенсификация теплообмена достигается как за счет увеличения теплообменной поверхности, так и вследствие перемешивания жидкости вблизи поверхности посредством индуцирования вторичных вихревых течений.

На рис. 18.2 приведены схемы интенсификации процесса тепло- обмена в охлаждающих лопатках газовых турбин как посредством продольно ориентированных ребер, так и цилиндрических интенсификаторов. 1.1аиболее эффективным способом конвективного охлаждения теплонапряженной поверхности является струйное охлажде- 429 а) т Рис. |8.3. Струйное охлаждение поверхности.' е — схема струйного охлажденна; б — струйное охлаждеиие лопатки таловой турбииыс т — высокотемпературный гааовый поток; й — окладителв: й — иаружиаи оболоскв; Š— дефлектор ние. В этом случае охладитель в виде системы струй подаетсн по нормали к охлаждаемой поверхности 1рис. 18.3) и эффект увеличения коэффициента теплоотдачи (ай) достигается в результате уменьшения толщины пограничного слоя вследствие повышенного значения градиента скорости в зоне натекания струи на поверхность и высокой степени турбулентности.

Интенсивность процесса теплообмена при взаимодействии струй с поверхностями примерно на порядок выше, чем интенсивность теплообмена при других способах его интенсификации. Струйная система охлаждения находит широкое применение в различных областях техники и, в частности, для охлаждения оптических систем лазерных установок и лопаток газовых турбин. На рис. 18.3, б приведена схема струйного охлаждения лопатки газовой турбины.

Охлаждающий воздух поступает во внутренний дефлектор, а затем через систему предусмотренных в нем отверстий подается в виде струй на охлаждаемую поверхность. Такой способ охлаждения позволяет существенно повысить эффективность тепловой защиты лопатки газовой турбины, особенно, в наиболее тепло- напряженном ее участке — на внутренней поверхности передней кромки лопатки, где реализуется максимальная ее теплонапряженность.

Однако конвективное охлаждение теплонапряженных поверхностей при высоких температурах и больших тепловых потоках является неэффективным способом тепловой защиты. В самом деле согласно соотношению (18.1) даже при достаточно высоких значениях коэффициентов теплоотдачи охладителя схв — со при больших тепловых нагрузках температура наружной поверхности может существенно превышать допустимое значение Т т - Туй.

В этих случаях необходимо вблизи поверхности понизить температуру горячего потока газа и уменьшить тепловые потоки. Для этой цели используют заградительное и пористое охлаждения. Заградительное охлаждение организуется посредством подачи охладителя на внешнюю поверхность (рис. 18.4). Охладитель в этом случае может подаваться самыми различными способами (через плоскую щель, через систему щелей или систему отверстий, через пористую вставку и т. д.). При подаче газового охладителя 430 через плоскую щель вблизи защищаемой поверхности образуется пристенная струя охладителя, температура которой меньше, чем температура высокотемпературного потока газа. С увеличением расстояния от места вдува струя холодного газа постепенно перемешивается с горячим газом, вследствие чего температура поверхности увеличивается.

Характеристики

Тип файла DJVU

Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.

Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.

Список файлов книги