Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 65
Текст из файла (страница 65)
д. Проведение исследований такого типа требует разработки специальных методик и целого комплекса измерений в условиях высокотемпературной среды. Итак, можно следующим образом сформулировать основные задачи экспериментальных исследований разрушающихся теплозащитных материалов: 1. Проведение сравнительных испытаний вариантов теплозащитных материалов при определенных «стандартных» режимных параметрах, обусловленных условиями их будущего применения.
2. Выяснение определяющего механизма разрушения прн изменении условий воздействия потока в широких пределах, в том числе и в нестационарных тепловых условиях, с последующим использованием этой модели для расчета теплозащитных свойств покрытия и выбора необходимой толщины теплозащитных материалов. 3. Определение теплофизических и кинетических характеристик разрушающихся теплозащитных материалов в условиях, моделирующих натурные. Проведенный в предыдущих главах анализ конвективного и радиационного теплового воздействия, а также исследование различных механизмов разрушения позволяют указать следующие основные параметры, воспроизведение которых важно при экспериментальной отработке теплозащнтных материалов: 1) энтальпия заторможенного потока газа 1' (для окрестности точки торможения затуплеиного тела!' =1,); 2) химический состав набегающего газового потока, в особенности концентрация химически активных компонент; 3) давление заторможенного потока газа р,' (в окрестности точки торможения затупленного тела р =-рс); 4) режим течения в пограничном слое — ламинарный или турбулентный; б) уровень сдвигающнх напряжений на разрушающейся поверхности — градиент давления, и силы трения, с(р,(ггх и т .
Указанный перечень, конечно, не может считаться достаточно полата ным для всех этапов отработки теплозащитных материалов. В нем ука- Экспериментальные устаю заны лишь те параметры, которые влияют на механизм разрушения в условиях конвективного нагрева. При анализе совместного конвективного де и лучистого г1н теплового воздействия на материал появляются дополнительные определяющие параметры, причем главные из них — отношение тепловых потоков дн/де и энтальпия торможения 7,, В задачах о разрушении стыков различных покрытий или об излучении продуктов разрушения становится существенной толщина пограничного слоя. Наконец, при экспериментальной отработке теплоизоляции важно воспроизвести абсолютную величину подведенного теплового потока.
Что касается габаритов модели, то онн должны быть достаточно большими, чтобы исключить неодномерность прогрева материала, а также зависимость результатов испытаний от соотношения между структурой материала и размером модели. Так как при лабораторной отработке тсплозащитных материалов обычно не удается смоделировать сразу все перечисленные особенности теплового и силового воздействия, то выбирают такую методику, которая позволяет воспроизводить наиболее важные параметры набегающей среды, т.е. ставится задача о частичном моделировании одного или нескольких параметров и о переносе результатов отдельных экспериментальных исследований на натурные условия с помощью теоретических моделей разрушения.
Это требует осуществления комплексных программ испытаний при высокой точности измерения всех важнейших параметров потока. Экспериментальные высокотемпературные установки для отработки теплозащитных покрытий Для экспериментального исследования разрушающихся теплозащитных материалов в настоящее время используются различные высокотемпературные установки, в их числе: стендовые ракетные двигатели; установки с электродуговым нагревом воздуха и других газов; ударные трубы; установки радиационного нагрева и др.
Рассмотрим основные требования, которые предъявляются к установкам для испытания разрушающихся теплозащитных материалов. 1. Температура набегающего газового потока должна быть выше температуры фазовых превращений материала. 2. Установка должна обеспечивать возможность нагрева различных газов и газовых смесей необходимого состава в определенном диапазоне температур, давлений и скоростей истечения. 3. Время стабильной работы установки должно изменяться от нескольких секунд (5 †-10 с) до минут. Методы экспериментального исследования теплозагнитнык материалов 4. Набегающий на модель поток должен быть однородным по температуре, давлению и скорости. В струях стендовых ракетных двигателей воспроизводятся величины энтальпий торможения /, до 6000 — 8000 кДж/кг и скорости потока порядка 3000 м/с.
В настоящее время эти установки являются по существу единственными, в которых при сравнительно высокой температуре можно в течение длительного периода времени получать турбулентный режим обтекания испытываемых моделей. Серьезным недостатком испытаний материалов в струях стендовых ракетных двигателей является то, что химический состав потока не соответствует, как правило, реальным условиям работы материалов. Это обстоятельство затрудняет изучение механизма разрушения материалов, для которых химические реакции при разрушении играют определяющую роль.
Кроме того, при испытаниях в струях ракетных двигателей материалов с высокой температурой разрушения, порядка 3000 К, вследствие малости перепадов энтальпий (У,— /„) поперек пограничного слоя неизбежно появляются большие погрешности в определении величины теплового потока к разрушающейся поверхности.
В настоящее время наилучшим средством получения высокотемпературных потоков в течение продолжительного времени является нагрев воздуха или других газов с помощью электрической дуги. Известные электродуговые подогреватели (плазмотроны) можно разделить на несколько типов (рнс.
11-1). Простейшее устройство для подогрева газа — это свободно горящая в воздухе электрическая дуга (рнс. 11-1,а), на оси которой может достигаться температура до 7000 К. Если через такую дугу вдоль ее оси принудительно продуватьгаз, то мы получим схему простейшего устройства для электродугового нагрева газа (рис. !1-1, б). В разрядной камере происходит переход электрической энергии в тепловую энергию газа, н затем газ в виде струи вытекает через сопло с большой скоростью.
,Температура газа, нагретого в таком устройстве, намного превышает температуру фазовых превращений теплозащитных материалов; химический состав газа практически может быть любым. Тепло от дуги распространяется теплопроводностью, излучением и конвекцией. Излучение играет существенную роль только при высоком давлении. В балансе энергии в дуговом столбе важную роль играет диссоциация газа, а также диффузия ионов.и молекул.
Теплопроводность обусловливает теплообмен с холодными частями подогревателя. За счет конвекции осуществляется в основном передача тепла от дугового столба к обтекающему его газу. Из различных вариантов электродуговых подогревателей можно выделить плазмотроны, характерной особенностью которых является нахождение на одной оси дугового разряда и истекающей струи (рис.
11-1, б — д), При такой схеме не происходит смешения подогретого газа в сопле и за счет этого достигается максимальная температура з12 в струе. Максимально возможные температуры газа, получаемые на Экспериментальные~ таких электродуговых подогревателях, в зависимости от выбора схе нагрева, вида рабочего газа и уровня подводимой мощности, ра1 (3 — . '15) ° 10В К, В схеме на рис.
11-1, б, г и д в качестве материала катода испс1 зуется вольфрам или торированный вольфрам. В большинстве устано электроды, сопла и другие элементы разрядной камеры выполня из охлаждаемой водой меди. В электродуговых подогревателях с межэлектродной вставкой (~ ма на рис. 11-1,д) при увеличении тока увеличивается также и плотность, что связано с ограничением диаметра дуги внутренней верхностью межэлектродной вставки. Это приводит к повышению тен Рис. и-!. Схемы электродуговмх подогревателей газа. а — свободно горящая дуга; б — подогреватель со стержневым ьлектродоьг и полым ох- лаждаемым анодом; в — элект. родуговой подогреватель линей- нога типа с вихревой стабилизацией луги; г — подогреватель с зашитой катода инертным газом; д — подогреватель с сенционированными межэлектродными нейтральными вставками; е — подогреватель, с боковым выходом струи, работающий без примесей продуктов разрушения электродов; ж— электродуговой подогреватель на переменном токе с тремя электродами; а — коаксиальный плазмотрон высокого давления; 1 — катод; 2 — анод;  — вход рабочего газа; 4 — дуга; В— струя; 6 — электрически нейтральная вставка; У вЂ” дополнительный подвод инертного газа;  — межэлеитродная вставка; 9 — магнитная катушка.
ратуры нагрева газа. Так, если максимальный уровень среднемассо~ температуры газа в подогревателях типа, указанных на рис. 11-1, б составляет 7000 К, то в подогревателях с межэлектродной встав достигаются температуры 10000 К и выше. Кроме того, вольт-амперй характеристики у них также различны, У подогревателей линейной 1 ды экспериментального исследования теплозащитных материалов мы рис. 11-!,б и в вольт-амперная характеристика носит падающий характер, а у подогревателя с межэлектродной вставкой — возрастающий. Для уменьшения эрозии электродов в местах соприкосновения опорных пятен дуги с поверхностью электрода дуга быстро перемещается по его поверхности с помощью газодинамических сил (схемы на рис.
11-1,6 — д), внешнего магнитного поля (схема на рис. 11-!,з) или их совместного воздействия (схема на рис. 11-1, е). Вихревая и магнитная стабилизация дуги уменьшает диаметр разряда и позволяет повысить температуру в струе. Для того чтобы уменьшить вредное влияние закрутки потока, связанной с вихревой или магнитной стабилизацией дуги, выход газа устраивают сбоку или по касательной к линиям тока (схема на рис. 11-1,е). Эта же схема позволяет уменьшить долю примесей, попадающих в поток при разрушении электродов, путем отсоса газа из приэлектродных зон.
Для повышения мощности подогревателя предусматривают питание ресивера горячим газом от нескольких дуг. Обычно в одну дугу удается «вложить» ограниченную полезную мощность, что связано с выделением тепла в катодном и анодном пятнах на электродах и трудностями охлаждения последних. Эффективным способом повышения температуры нагрева газов является стабилизация дуги сжиженными газами или водой (сильное обжатие дуги). Рассмотрим подогрев газа в коаксиальном подогревателе (схема на рис.
11-!,з). Дуга горит в зазоре между электродами и под действием внешнего магнитного поля перемещается с большой скоростью (200 м(с) по поверхности электродов. Центральный электрод может служить как катодом, так и анодом. Вращаясь с большой скоростью, электрическая дуга постоянно взаимодействует с новыми порциями газа, текущего в осевом направлении в зазоре между электродами, и нагревает его.
Электродуговые подогреватели, работающие по коаксиальной схеме, находят широкое применение для получения нагретого газа повышенного давления. В настоящее время мощность характерных современных электродуговых подогревателей составляет от 100 кВт до !О МВт и даже более. Продолжительность стабильной непрерывной работы колеблется от 30 с до нескольких десятков минут.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
