Задача № 3: Температурное состояние тонкостенного насадка сопла.

 

Для увеличения тяги сопла ракетных двигателей снабжают выдвижными насадками. Конструктивно такие насадки могут состоять из нескольких секций, представляющих собой усеченные конические оболочки. Поскольку применение регенеративного охлаждения системы таких насадков затруднительно, они должны быть выполнены из термостойкого материала. Применяют конструктивно-технические решения с использованием термостойких металлов: углерод - углеродных, углерод – керамических композитов. Поскольку термостойкость металлических сплавов недостаточно высока, на огневую поверхность насадка наносят защитное покрытие, которое представляет собой барьерный слой, состоящий из скрепленных между собой керамических частиц малого размера. Чаще всего из оксида алюминия с добавками других термостойких оксидов.

x

Tw2

Tw1

0

Рис. 7.4 Элемент насадка с защитным покрытием на огневой поверхности

К;

К.

Большой перепад в защитном слое, обусловлен низким значением коэффициента теплопроводности.

Tw1

Tw2

x

0

Рис. 7.5

K;

K.

Далее будут рассмотренны задачи в которых пренебрежимо малы.

1. Геометрическая модель.

Геометрической моделью данной задачи является насадок сопла.

D1

D2

α г, ТГ*, ε г

Tf, α f, ε I, F, Fк

qпад

qэф

H

Рис. 7.6

Обозначения:

F– площадь профилированной оболочки;

F_{k –} площадь вписанногоусеченного конуса;

α _f– коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности насадка к окружающей среде;

Т_f– температура окружающей среды;

Т_Г^*– температура торможения продуктов сгорания.

Эта температура отображает совокупную температуру:

1)Термодинамическую температуру потока;

2)температура, вызванная торможением высокоскоростного потока у поверхности датчика (это результат преобразования кинетической энергии в тепловую);

α _Г–коэфициент теплоотдачи от продуктов сгорания к внутренней поверхности стенки;

ε _Г– излучательная способность продуктов сгорания или степень черноты;

ε ^I– излучательная способность продуктов сгорания наружной поверхности;

q_эф– эффективный поток теплового излучения;

q_пад– падающий поток теплового излучения;

q_{Г, рез}– результирующий поток теплового излучения.

Насадок представляет собой профилированный вид (это сделано для того, чтобы увеличить тягу).

Соплу предают плавный контур для того, чтобы продукты сгорания смогли истекать (проходить срез сопла) под возможно меньшими углами (около 10^о).

 

2. Физическая модель

Сделаем следующие допущения:

1)процесс теплообмена стационарный;

2)температура насадка постоянна по всей длине и по толщине(термически тонкое тело);

3)Коэффициенты теплоотдачи:

α _f=const,

α _Г=const.

4)Излучательная способность:

ε ^I=const,

ε _Г=const.

5)Излучательная способность газов приближенно равна поглащательной способности газов

.

6)Форма и размеры насадка не меняются.

 

Цели исследования: определение зависимости равновесной температуры насадка от основных параметров потока, геометрических размеров обтекания.

 

3. Математическое моделирование

Вычисление равновесной температуры выполняется на основе уравнения баланса конвективных и излучательных тепловых потоков.

 

(1)

 

Рассмотрим смысл отдельных составляющих:

– характеризует количество теплоты, которое передается от горячего газа к внутренней поверхности насадка с помощью конвекции;

– отражает баланс падающих, отражаемых и излученных потоков теплового излучения;

– отображает количество теплоты, которое отводится от внешней поверхности насадка с помощью конвекции;

– количество теплоты, которое передается от внешней поверхности насадка с помощью теплового излучения.

;

Наибольшую сложность при решении уравнения (1) вызывает определение

; (2)

; (3)

Излучательная способность внутренней поверхности стенки насадка равна её поглощательной способности:

(А+R+D=1, D=0 => A=1–R )

R- отражательная способность.

qпад

qp

qотр

qэф

Рис. 7.7

 

– коэффициент самооблучения насадка;

Он показывает, какая доля эффективного излучения с внутренней поверхности попадает на эту поверхность в результате многократных переотражений, если поглащательный газ на пути движения излучения отсутсвует. Газообразная среда, которая не взаимодействует с тепловым излучением называется диатермической. При этом следует помнить, что если имеются открытые участки, т.е. излучательная поверхность не замкнута, то неузбежны потери теплоты.

Результирующий тепловой поток равен разнице между падающим и эффективным.

; (4)

.

Если насадок выполнен в виде усеченого конуса, то:

(5)

.

Понятие об угловом коэффициенте введено в рамках лучистой алгебры(метода натянутых нитей (Г.Л.Поляк)). Угловой коэффициент зависит исключительно от геометрии оболочки и поэтому они считаются известными и к этим данным может быть организованно обращение.

 

 

1)

Рис. 7.8

.

 

2)

l2

l1

δ

l2

Рис. 7.9.

Поскольку насадок представляет собой поверхность вращения с криволинейной образующей, то вычисление углового коэффициента для этой поверхности может быть выполненно с учетом свойства взаимности.

 

(6)

4. Метод решения.

Уравнение (1) может быть преобразованно к виду

(7) где

;

,

где ε _ПГ – приведенная излучательная способность газа.

.

N– радиационно–конвективный параметр, который состоит из величин: излучательной способности газов, поглощательной способности, излучательной способности стенки и двух параметров, ответственных за отвод/подвод теплоты конвекцией.

В аналитической физике решение уравнения (7) может быть найдено приблеженно, следовательно, метод его решения численный.

Если при определении равновесной температуры считать, что газовый объем полностью охватывается оболочкой, то , то в этом случае K.

Отвод теплоты излучением с внешней поверхности, с одной стороны, обеспечивается снижением температуры насадка, что благоприятно сказывается на термостойкости его материала, а с другой стороны:

· тепловые потери с внешней поверхности насадка способствуют охлаждению пограничного слоя продуктов сгорания топлива и тем самым ведут к снижению вектора тяги;

· потоки теплового излучения могут вывести из строя агрегаты, приборы, кабельные сети, а также вызвать перегрев конструктивных элементов данного среза ракеты;

· нагретый насадок демоскирует ракетную ступень, что не желательно.

Для преодоления перечисленных недостатков насадки снабжают слоем легкой теплоизоляции (погонная масса менее1 кг/м²).

⇐ Предыдущая123456789

Поделиться:

Популярное:

1. IV. Выезд из Путивля. – Состояние дорог. – Севск. – Воевода. – Угощение им патриарха. – Дальнейший путь. – Земледельческие орудия. – Посевы.
2. Ведомственный и административно-общественный контроль за состоянием охраны труда
3. Влияние неблагоприятных условий труда на работоспособность и состояние здоровья рабочих.
4. Глава 10. Еще раз, что такое состояние
5. Готовность к деятельности и психическое состояние тренера
6. Иногда глаголы состояния употребляются в Present Continuous для придания эмоциональной окраски или для того, чтобы подчеркнуть, что это состояние временное.
7. Исследование влияния условий эксплуатации на состояние дизельных форсунок
8. Истечение газов через суживающиеся сопла.
9. История и нынешнее состояние экуменического движения
10. Каково состояние французского здравоохранения?
11. Какое влияние на космическое состояние человека оказывают так называемые общечеловеческие ценности?