Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 64
Текст из файла (страница 64)
При этом стремятся к тому, чтобы микроотверстия в материале располагались равномерно, а их количество на единицу площади было большим. Защитное действие транспирационного охлаждения аналогично завесному. Если используется жидкий охладитель, то он по порам подается с небольшой скоростью иа огневую поверхность стенки, создается защитная завеса, плотность теплового потока в стенку снижается. При некотором критическом значении расхода жидкого охладителя температура стенки становится равной температуре кипения жидкости при данном давлении.
На режиме критического расхода внутренняя стенка защищается сплошной завесой жидкости. При снижении расхода жндкость частично испаряется, а завеса становится в основном газовой. Предпочтительнее, особенно при использовании в качестве охладителей Нз и ИНз, испарять жидкий охладитель у наружной по- верхности стенки и вдувать в пограничный слой у внутренней стенки холодный пар. Это обеспечивает большую равномерность охлаждения поверхности. Количественные соотношения между расходом охладителя н снижением плотности теплового потока зависят от свойств охладителя, материала стенки и параметров газового потока. В общем случае расход охладителя при транспирационном охлаждении в 3 — б раз меньше, чем при завесном, что обусловлено небольшими скоростями ввода охладителя и равномерным охлаждением поверхности.
Преимущества транспирационного охлаждения увеличиваются при больших температурных перепадах (Т,— Т„;). Применение транспирационного охлаждения сдерживается рядом трудностей материаловедческого и технологического характера. При условии преодоления этих трудностей транспирационное охлаждение можно считать перспективным и почти единственно пригодным для охлаждения камер с очень высокими плотностями теплового потока в стенку (ЯРД на высокоэнергетических топливах с большим давлением ре„газофаэные ядерные ракетные двигатели). У 70"; и/лте ге„,п 075 475 рис. уу.й. Изменение температуры стенки и плепнмтн теплеиете перека ты иреиенн тп -тепе Виям' ° кх стиле) 220.
емкОЕТИОе Охллждение Особенностью теплоотдачи при емкостном охлаждении, ранее охарактеризованном в табл. 22.!, является нестационарность процесса. После запуска двигателя элементы конструкции камеры нагреваются вследствие аккуммуляции тепла (теплоотвод в окружающую среду пренебрежимо мал). Температура стенки, вначале одинаковая по ее толщине и равная Те„, быстроповышаегся навнутренО75 0, — 1 — — ней'стороне и медленнее — на внеш- )075 0„0 0=0"'"~ ней. С ростом температуры огневой поверхности плотность теплового 075 7„0 потока, зависящая от разности темултлт ператур (Т,— Т„,), уменьшается„ — поэтому температура стенки растет .
глтлт ' сначала быстро, а затем медленно, 77 50 асимптотически приближаясь к тем- 075 4,0 пературе газа и выравниваясь по толщине стенки. При достижении 575 д0 ...!™~ равенства Т„, =Т, передача тепла прекратится. Йа рнс. 22.14 показано 7,0 — изменение температуры стенки на различных расстояниях от огневой гпип поверхности у и изменение плотно0к сти теплового потока д по времени. й0 гт0 50 "0 '0 0 КаК ВИДНО, ПОВЫШЕИИЕ тЕМПЕратурЫ материала стенки в слоях, удаленных от огневой поверхности, замедленное. При расчете нагрева стенок ка[неры процесс теплопередачи для упрощения обычно принимают одномерным; тепловым потоком в окружающую среду пренебрегают.
При таких допущенняхдля расчета нестационарного теплообмена можно использовать уравнение дТ)дт = а (д.т'/дут) (22. 23) при следующих граничных условиях: я=О, Т(у, О)=Т„о=сопя[; у=О, у= — Ъ,(дТ)ду)а у=в, Л„(дт[ду) а=а, (22. 24) (22. 25) (22. 26) Е г 4 Х Ксс где Ь вЂ” толщина стенки; а=Лет/ссай„— коэффициент температуропроводностн; у — расстояние от огневой поверхности в направлении, перпендикулярном стенке. Уравнение (22.23) вместе с граничными условиями справедливо как для однослойной, так и для многослойной стенки, при этом для многослойной стенки коэффициенты а и Лет будут иметь различные значения.
Точное решение урвввення [22.23) с учетом яамененяя во времена значения о н наменення от температуры величин а н Л„ представляет известные трудностн. Обычно прнменяют либо приближенный метод элементарных балансов, разработанный А. П. Ваннчевым, лнбо чнсленный метод ннтегрнровання в конечных ревностях. Решенне уравнений нестапнснарного теплообмена приводятся, например, в учебнике[64[. Очевидно, что время безопасной работы камеры с емкостным охлаждением будет ограничено временем, за которое температура стенки Т„, достигнет предельно допустимого значения. При емкостном охлаждении эта температура близка к температуре плавления материала, если глубинные слои стенки обеспечивают при этом необходимую прочность.
Время достижения опасной в этом смысле температуры зависит от величины температуры плавления (или сублимации) данного материала, его теплоемкости и тепло- )руу ' ф пров одности. '2 [ Чем выше теплоемкость материала, 1 ! тем большее количество тепла может аккумулироваться в массе стенки, тем мед- !~ леннее будет расти температура стенки со стороны газа. Увеличение теплопроводности материала позволяет быстрее [ отводить тепло от огневой поверхности и ! замедляет рост Т„,. о 1 Различные материалы имеют равные сочета- ння аначеннй теплоемкосгн н теплопроводностн вгв, вела. вонга беаеаасвеа вапоэтому в одннаковых условиях время беаопас- боты стенаю ной работы д я х неодинаков На рнс. 22.15 г из,в.а, влн; т- ал- показано изменение температуры стенки со сторо- навесного сплава: а — ва мех» ны газа в условиях, характерных для ракетных двигателей (начальная разность температур между газом и понерхностью ЗЗООК; п=!6.10' Вт/ме, а,= 5600 Вт/(ие ° К)1, для трех различных материалов.
Кривые доведены до точек плавления. Как видно, время безопасной работы медной стенки сушестеенно больше, чем стальной, несмотря на ее более низкую температуру плавления и примерно одинаковую теплоемкость. Причина — в значительно большей теплопроводности МОДИ. Основной недостаток емкостного охлаждения — массивность конструкции. Вследствие этого емкостное охлаждение применяется лишь в небольших двигателях (часто модельных) с ограниченным временем работы. 227. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ ЗАЩИТА Для тепловой защиты материала стенки со стороны огневой поверхности часто применяются теплоизоляционные покрытия.
Если покрытия не разрушаются во время работы и не реагируют с газовым потоком (инертные покрытия), то их защитное действие состо- ит в создании на пути теплового потока Тпа слоя с высоким термическим сопротивлением (рис. 22.16). Согласно уравнению п=(у'„,— т,) Ар, наиболее высокая температура основного Тгг г материала составляет т,=т„,-пй,Р, Тг Очевидны основные требования к свойстгу сг I г вам материала покрытия: высокая температура плавления, необходимая для того, чтобы противостоять высокотемпературнотемеератрры е стевее с му газовому потоку, и низкая теплопроводвеермтвем ность. Дополнительно требуются хорошая сцепляемость (адгезия) покрытия с основным материалом, высокая стойкость по отношению к вибрационным нагрузкам, механическим и тепловым ударам.
Не существует материалов, одинаково хорошо удовлетворяющих этим требованиям в разнообразных условиях. Поэтому выбор материала теплоизоляционных покрытий производится из довольно широкого перечня химических элементов, их окислов, нитридов и карбидов. Распределение температур в стенке с теплоизоляционным покрытием может быть найдено решением уравнения (22.23) с соответствующим изменением граничных условий [641 В практике ЖРД довольно широко применяется нанесение на огневую поверхность камеры теплоизоляционных покрытий толщиной 0,02 — 0,15 мм'. Обычно используются окислы циркония, ниобия, колумбия и другие материалы.
Необходимо отметить, что защитный теплоизоляционный слой на огневой поверхности камеры ЯРД иногда может быть создан без вмешательства в конструкцию камеры. Если в качестве одного из компонентов жидкого ракетного топлива используется углеводородное горючее типа керосина, то образующийся в продуктах сгорания углерод может тонким слоем осаждаться на стенках камеры. Это уменьшает тепловой поток в стенки. По данным зарубежной печати, добавкой к жидкому горючему силиконовых соединений можно вызвать появление в продуктах сгорания двуокиси кремния 810м твердый налет которой осаждается на стенках камеры и уменьшает тепловой поток в стенки. По опытным данным, такое покрытие имеет толщину 0,1 — 0,2 мм, является «динамическим», т.
е. во время работы постоянно уносится и возобновляется. Добавка в горючее 1 — 2»» силиконовых соединений может приводить к снижению плотности теплового потока на величину, достигающую 40%. 22.8. АБЛЯЦИОННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ Термин «абляция» обобщает совокупность различных явлений, возникающих при нагреве, термическом разложении и последующем уносе массы твердого тела, омываемого горячим газовым потоком. При этом тепло расходуется на фазовые превращения (плавление, испарение, сублимация) и эндотермические реакции пиролиза (для органических веществ) в поверхностном слое покрытия. Кроме того, защитное действие оказывают газообразные продукты, выделяющиеся при абляции, так как их температура ниже температуры в ядре потока Поэтому, в отличие от инертных тугоплавких покрытий, применение аблирующих покрытий возможно при любой температуре продуктов сгорания.
Ниже приводятся основные требования, которым должны удовлетворять теплозащитные материалы, подвергающиеся абляции. Малая теплопроводность Х, при которой преобразование и унос вещества будут происходить лишь в поверхностном слое, что предупредит перегрев и потерю прочности основного материала. Высокая теплота абляции, т. е. большое количество тепла, затрачиваемого в процессах нагрева и преобразования уносимого поверхностного слои.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
