Глава XVIII. Тепловая защита летательных аппаратов и их энергетических у (1013646), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Здесь в качестве характерной скорости используется скорость струи на срезе сопла, а в качестве характерного размера — эквивалентный ДиаметР сопла о1, (ДлЯ плоского сопла б(а = 2Ь,), Соответственно, средние по периметру передней кромки лопатки коэффициенты теплоотдачи определяются критериальным уравнением Ми =- 0.36-ренее (18.60) Р,б б 0 1Р 7Р 1О М 5О Л1/Ое рис. !8.27.
Схема определении интеисиниосги теплообмена при струйном охлаждении передней кромки лопатки !6 Аадуеаскаа 4% где в качестве характерного размера — — — — используется длина дуги полости йт(, ~приап — — отсчитываемой от критической точки, дб — тпт)п — ' „„, ' а в качестве характерной скорости — скорость на оси струи перед ударом ~",цФ~п „)пвп" ее о поверхность, определяемую на основе закономерностей для свобод- 2' 1п' ~'д~ ', пп~ й ной затопленной струи.
, '',рт ~ ~ ) для расчета средних значений по ширине перфорированного канала У 4 щ тш коэффициентов теплоотдачи пРи струйном охлаждении одной из его Рис. 18.28. зависимость зффех. стенок (сь1 рис 18 3) предложено гззозых турбин от отиоситель- критериальное уравнение ного расхода охлаждающего г(ц/гт'ц = 1= воздуха: струзпсе. = 1 с (ат/(() т (Бу/пс/ и (/ь/е() (ппг/ив) плеиоиеое, пористое отлвжлес*ее (18.
61) соответственно где значения числа Нуссельта в зоне первого ряда струй определяются из критериального уравнения /,() — плм( /„() — олхзц о,тхтр пз В этих уравнениях з„, з„— продольный и поперечный шаги расположения струй (перфорации поверхности); и( — диаметр отверстия (нерп)юрации); й — ширина канала; тб т, — расходы охладителя в продольном и соответственно в поперечном струйном потоке; константа с и показатели степени и в данном критериальном уравнении зависят от схемы расположения струй: для коридорной схемы с ==. 0,596, п = — 0,103, и = — 0,36, и, = = 0,803, п = 0,561; для шахматной схемы с = 1 07, и„= — 0,198, пр — — - — 0,406, л, = 0.788, и .= 0,660. Определив в каждом конкретном случае коэффициенты тепло- отдачи на наружноч и внутренней поверхностях лопатки, а также распределение расхода воздуха по каналам охлаждения согласно зависимостям (18.52) можно определить и распределение температуры на наружной поверхности лопатки или для заданной максимально допустимой температуры материала лопатки определить потребный расход охлаждающего воздуха.
На рис. 18.28 приведены результаты приближенных оценок максимальной безразмерной температуры поверхности лопатки в зависимости от относительного расхода охлаждающего воздуха тт/ит (тх — расход охлаждающего воздуха; тт — расход газа через турбину) для конвективного, струйного, пленочного (заградительного) и пористого охлаждений. Из приведенной зависимости следует, что наиболее эффективное охлаждение с меньшими затратами охлаждающего воздуха реализуется при пористом охлаждении. Струйная система охлаждения занимает промежуточное положение между конвективным и заградительным.
488 !В.З. ТЕПЛОЗАЩИТПЫН ПОКРЫТИЯ Одним из распространенных методов предохранения конструкции от теплового и химического воздействия внешнего потока с высокой температурой является нанесение на поверхность теплозащитных покрытий. Рассмотрим особый класс таких покрытий — так называемые уносимые покрытия. Идея их применения заключается в том, что под воздействием внешнего потока материал, нз которого сделано покрытие, может частично разрушаться и уноситься потоком.
На унос материала затрачивается большое количество поступающего к поверхности тепла. Масса покрытия определяется количеством унесенного материала и количеством материала, которое должно оставаться на поверхности к концу работы и обеспечивать теплоизоляцию и необходимый перепад температур между поверхностью покрытия и поверхностью конструкции. Основной характеристикой уносимого покрытия является его способность отбирать тепло при разрушении, Изменение знтальпии 61 = ~ с НТ+ г .= О1+ г складывается из тепла, затрачиваемого на повышение теплосодержания материала покрытия, и тепла фазовых переходов и химических реакций, протекающих в материале при его нагреве. Количество 6 вещества, унесенного в единицу времени с единицы площади при подводе тепла к поверхности покрытия, и выделение тепла в процессе химического взаимодействия покрытия материала с газом, поступающим нз внешнего потока, определяется из условия теплового баланса: (18.64) откуда (18.66) где д — удельный тепловой поток; Н, — тепловой эффект реакций на поверхности покрытия, отнесенный к единице массы унесенного материала; д,„= д,„— (д„„)„— дополнительный тепловой поток, отводимый внутрь покрытия посредством теплопроводности; д, — поток, излучаемый поверхностью покрытия.
В процессе уноса материала происходит сложное взаимодействие поверхности покрытия и газа в пограничном слое. Из-за подачи массы разрушаемого покрытия в пограничный слой уменьшается конвективный тепловой поток в стенку (д ); при химических реакциях между продуктами разрушения и внешним потоком может дополнительно выделяться или поглощаться тепло и уноситься материал. ш» 467 Поэтому Л/ недостаточно характеризует эффективность тепло- защитного материала в каждом отдельном случае. Более общей характеристикой материала является так называемая эффективная энтальпия: /,ф — д„,/б, (18.66) где д — тепловой поток к непроницаемой и нереагирующей поверхности при температуре, равной температуре разрушения; 6 — секундный укос массы в реальных условиях.
Из уравнений (18.65) и (18.66) следует, что /эф что з/ — //х (18.67) чв чэн чт Таким образом, /,э является более общей характеристикой материала, учитывающей его теплофизические свойства и влияние всех процессов взаимодействия между поверхностью и внешним потоком. Согласно формуле Ньютона унос массы определяется соотношением а = д //„= (а/с,)0(/, — /.)// . (18.68) Значение /,э/Л/ должно в каждом случае определяться из совместного решения уравнения пограничного слоя и уравнений, описывающих механизм уноса массы. Во многих случаях, когда механизм унося массы материала недостаточно хорошо известен, /,э определяется экспериментально по измерению линейного уноса образца материала в газовом потоке, моделирующий внешний поток.
Если все условия моделирования тепло- и массообмена в пограничном слое выполнены достаточно точно, то унос массы б=р д" (18.69) (д,.)„=а1 с (т=ОИ, (18.70) т. е. в точности равно количеству тепла, необходимому для подо- грева унесенного материала от начальной температуры до тем- 468 будет зависеть от теплового потока, направленного внутрь материала (д,„), являющегося функцией времени. Следовательно, экспериментальные значения уноса материала О и эффективной энтальпии /,э будут зависеть от условий эксперимента и не будут пригодны для сравнительной оценки материалов.
Поэтому эффективную энтальпию /,э целесообразно определять при таком режиме, когда д,„постоянно. Такой режим называется квазистапионарным режимом уноса. Он возникает при истечении некоторого промежутка времени при постоянных условиях нагрева и характеризуется тем, что линейная скорость уноса о = бх/пч становится постоянной и количество тепла, отводимого вн1агрь, д,', = О, а Ркс. 1В.29. Зависимость времена устанонаенкк кане к- г„,г стацконарного режвма укоса длк однородного каарцеаого стекла Ю пературы разрушения.
При этом скорости гд перемещения границы поверхности и ско- и рости распространения температурной волны становятся равными, и распределение тем- 0 и гр 4~И") пературы в координатах, связанных с поверхностью, не зависит от времени откуда О„= (д — д,)Я67 — Н„). (18.73) При достаточно большой скорости уноса квазистационарный режим уноса наступает быстро. В качестве примера на рис. 18.29 представлена зависимость времени установления квазистационарного режима уноса массы для кварцевого стекла.
Для уменьшения потери материала и снижения массы теплозащиты летательного аппарата целесообразно увеличивать величину эффективной эитальпии (7„е). Это может быть достигнуто выбором соответствующего материала. Однако при этом необходимо иметь в виду, что при уменьшении скорости уноса увеличивается глубина прогрева теплозащиты. В условиях квазнстационарного режима в теплозащитном материале устанавливается распределение температуры по закону (18.71). Если допустимая температура защищаемой поверхности равна Т, то необходимая толщина теплозащиты (Ь) в конце нагрева согласно (18.71) — = 1п Те Те Вт тк — т, ' (18.74) С другой стороны, линейная скорость уноса покрытия о = ЧееПР7ее) Отсюда (18.76) оргве л = — )п т Чео (18.76) аез — е) ра/кар Т вЂ” Те —— (Те — Те) е е (1 8.71) Если физические свойства материала (плотность р, теплоемкость с и теплопроводность Х) не зависят от Т и у, то Т вЂ” Т,=(Тм — Т)е " т, где 6, = Х!(рсо) = а/о называется глубиной прогрева, характеризующей расстояние от поверхности, на котором перепад температур (Те — Т,) уменьшается в е раз.
Условие баланса тепла (18.64) будет иметь вид а„ь(= (.+О„77„- )„, (18.72) Общая масса теплозащитного покрытия, уносимого с единицы площади и прогреваемого до температуры Т„за время работы ч, определяется выражением ар31 (18.77) 1вф Чво Тд — То Отсюда видно, что при увеличении эффективной энтальпии, растет второй член уравнения (18.77), т. е. увеличивается глубина прогрева материала и в некоторых случаях может возрасти потребная масса материала, затрачиваемого на теплоизоляцию конструкции. Следует иметь в виду, что выражение (18.77) справедливо, если унос теплозащитного материала может приближенно считаться квазистапионарным, т.
е. при достаточно большом значении числа Фурье Ро = о'Ыа и для однослойного теплозащитного ' покрытия. Для уменьшения глубины прогрева могут применяться многослойные покрытия, выбираемые таким образом, чтобы верхний слой обладал большим значением (,е, а внутренние слои имели хорошие теплозащчтные свойства. Таким образом, для характеристики материала необходимо знать значения его эффективной энтальпяи (!,э), коэффициента температуропроводности (а), плотности (р) и температуры поверхности (7' ), при которой происходит разрушение и унос материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
