2. Методы тепловой защиты огневых стенок камер сгорания энергоустановок

В ходе разработки водородосжигающих энергетических установок возникает задача уменьшения габаритов и массы при заданных суммарном тепловом потоке, гидравлических потерях, температурах и расходах теплоносителей.

Если способ теплообмена и конструкция такой энергоустановки выбрана, то заданные условия однозначно определят ее габариты и массу, а также и температуру огневой стенки.

Естественным следствием этого является стремление выбрать такой метод охлаждения огневой стенки, чтобы в единице объема поверхность теплообмена была максимальной. В каждом конкретном случае это стремление ограничено соображениями надежности, технологичности и удобства эксплуатации конструкции энергоустановки. В результате учета всех соображений и требований получается некоторое компромиссное решение.

Защита стенок камер сгорания энергоустановок от опасного перегрева – одна из самых важных и сложных проблем. Организация надежной защиты стенок современных высоконапряженных камер сгорания - одна из трудных задач, возникающих при создании новых конструкций [30]. Ее решение - реальный путь к уменьшению габаритов и массы водородосжигающего устройства и к снижению температуры огневой стенки.

Следовательно, выбор метода тепловой защиты стенок камер сгорания - один из важнейших моментов создания любой энергоустановки. Лучший будет тот, который, при прочих равных условиях, обеспечит наибольший тепловой поток с единицы поверхности, то есть наибольший коэффициент теплоотдачи.

Сложность проблемы защиты стенок современных камер сгорания водородосжигающих энергоустановок связана с тем, что продукты сгорания имеют высокие температуры - до К, давление МПа и выше и скорости движения м/с. Разность температур между поверхностями стенки, несмотря на малую ее толщину, может достигать огромных величин. Например, даже при умеренном тепловом потоке порядка Вт/м² получаем на толщину стенки мм из нержавеющей стали разность температур К. Между газом и стенкой возникает интенсивный теплообмен, способный при недостаточной защите быстро нагреть стенку камеры сгорания до температуры, близкой к температуре газа.

Если учесть, что подавляющее большинство материалов стенки допускают весьма умеренные нагревы (максимум К), то сложность проблемы защиты стенки камеры становится очевидной.

Известно несколько методов тепловой защиты стенок камер сгорания энергоустановок:

- наружное проточное;

- внутреннее;

- транспирационное (испарительное) охлаждение;

- наружное радиационное охлаждение;

- теплозащитные термостойкие покрытия;

- теплозащитные аблирующие покрытия;

- емкостное охлаждение.

Все перечисленные методы защиты огневых стенок энергоустановок могут применяться на практике, причем в большинстве случаев комплексно, дополняя друг друга.

Необходимо отметить, что при выборе для практического применения того или иного метода приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для одно и двухфазных теплоносителей, технологичность ее изготовления, технологичность сборки энергоустановки, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т.д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора способа охлаждения огневой стенки водородосжигающей энергоустановки.

Рассмотрим более подробно методы тепловой защиты стенок камер сгорания на основе опыта создания энергоустановок и ЖРД.

Защита стенки на основе емкостного охлаждения.

Происходит путем аккумулирования теплоты массой стенки (рис. 12). Схема защиты стенки имеет достаточно широкое распространение в технике, причем такие камеры сгорания часто называют «неохлаждаемыми», так как массивная стенка не имеет какой-либо другой специальной защиты или охлаждения. Увеличение толщины обшивки ведет к увеличению теплоемкости и веса конструкции и может применяться при условии кратковременного нагрева [31].

Рис. 12. Емкостное охлаждение

На рис. 12 б, приведено изменение температуры поверхности стенки по времени для мягкой стали 1, меди 2 и алюминиевого сплава 3. Вместе с этим увеличение теплоемкости и плотности материала стенки также способствует увеличению длительности надежной работы камеры сгорания из-за возрастания тепловой «емкости» материала.

Теплозащита термостойкими покрытиями.

Уменьшить тепловые потоки к стенкам энергоустановки или ЖРД можно с помощью теплозащитных покрытий [32]. Теплозащитный слой состоит из материала с малым коэффициентом теплопроводности и способного поглощать или отражать тепловую энергию. К таким материалам относятся керамика, графит, асбест, окись магния, стеклоткани, карбиды металлов, стекловата, а также ряд других материалов.

На рис. 13. приведена схема распределения температуры поперек стенки камеры сгорания, которая кроме теплозащитного покрытия имеет еще и нормальное наружное охлаждение.

Рис. 13. Распределение температуры поперек стенки при использовании теплозащитного покрытия

Теплозащитные аблирующие покрытия.

Отметим, что важное место в классе теплозащитных покрытий принадлежит абляционным материалам. Особенность этого способа тепловой защиты заключается в том, что за счет уноса материала, нанесенного на защищаемую поверхность, обеспечивается поглощение и рассеивание тепловой энергии. Причем эти материалы могут использоваться как в качестве покрытий огневой стенки, так и в качестве самой огневой стенки (рис. 14). В качестве аблирующих покрытий используются такие материалы, как пористый тефлон, фенольный нейлон, покрытия на базе графитовых и угольных тканей, пропитанные фенольными смолами, композиционные материалы на основе вольфрама и керамических огнеупорных оксидов [33]. Наиболее полный обзор различных технологий защиты аблирующими покрытиями приведен в [34].

Рис. 14. Защита стенки с помощью аблирующего покрытия: - температура газа; - температура разложения аблирующего покрытия; - температура металлической поверхности

К недостаткам аблирующих покрытий следует отнести изменение формы камеры сгорания. Кроме того, при длительной работе энергоустановки или ЖРД вес теплозащитного материала получается весьма значительным.

Наружное радиационное охлаждение.

Осуществляется излучением теплоты стенкой в пространство. Причем, тепловое излучение стенки будет тем интенсивнее, чем выше ее температура. На рис. 15 приведена примерная зависимость излучаемого стенкой теплового потока в пространство от ее температуры. Как видно из рисунка, при температуре стенки К тепловой поток, «сбрасываемый» в пространство, лежит в пределах Вт/м².

Учитывая, что в камерах сгорания, и особенно в области критического сечения, тепловые потоки во много раз выше, то, очевидно, здесь эта система охлаждения непригодна.

Транспирационное охлаждение.

Основано на использовании специальных пористых материалов и осуществляется путем фильтрации охлаждающей жидкости 2 (рис. 16) на огневую поверхность сквозь пористую стенку 3 (1 – наружная стенка). Тепловой

Рис. 15. Условия радиационного охлаждения стенки камеры сгорания

Рис.16. Транспирационное охлаждение с помощью пористой стенки: - температура кипения или разложения охлаждающей жидкости

поток, отдаваемый газом в стенкурасходуется частично или полностью на подогрев и испарение жидкости 4, проходящей через пористый материал 3. Сам тепловой поток на стенке 3 мал, так как возле нее образуется пограничный слой 5, насыщенный парами жидкости с низкой температурой. Преимущества этого вида охлаждения состоят в большой эффективности при высокой экономичности.

Проточное охлаждение.

Наиболее традиционным способом теплозащитной системы энергоустановок является конвективное охлаждение [35]. При проточном охлаждении стенки камеры сгорания омываются охлаждающей жидкостью, которая протекает с большой скоростью в зазоре между внутренней и наружной оболочками (рис. 17). Основа работы схемы — стационарный тепловой режим стенки: весь, передаваемый со стороны газов тепловой поток, проходит сквозь стенку и полностью воспринимается охлаждающей жидкостью, текущей в межрубашечном зазоре.

а)	б)
Рис. 17. Схема проточного охлаждении стенки камеры сгорания ЖРД: а) подвод охладителя к рубашке камеры ЖРД; б) схема щелевого охлаждающего тракта: - расход горючего, используемого в качестве охладителя; - расход окислителя; - скорость течения охлаждающей жидкости.

Особенность распределения температур поперек стенки камеры сгорания — непрерывное изменение температуры от самой высокой температуры торможения в пристеночном слое газа до самой низкой температуры жидкости (рис. 18).

Рис. 18. Схема распределения температуры при наружном охлаждении: 1 – внутренняя оболочка; 2 – охлаждающая жидкость, протекающая в межрубашечном канале;

3 – наружная силовая оболочка или рубашка

Широкое распространение получили следующие типы охлаждающих трактов:

а) щелевые тракты – образуются между внутренней и наружной оболочками и располагаются относительно друг друга с концентрическим зазором. Охлаждающая жидкость движется вдоль нагреваемой поверхности;

б) многоканальные тракты – образуются при продольных или спиральных ребрах

в) смешанные тракты – образуются сочетанием щелевых и многоканальных трактов.

Значительный прогресс в развитии конструкции энергоустановок произошел после перехода к связанным оболочкам (рис. 19). Интенсификацию теплообмена при проточном охлаждении дает изменение геометрии канала, применение искусственных турбулизаторов (накатка труб, искусственная шероховатость). Подробное описание этих методов, методы расчета систем приведены в [36-39].

Постоянная температура стенки может быть достигнута путем увеличения скорости охладителя или изменения площади соприкосновения охладителя с нагретой стенкой (создание оребренной поверхности). Интересным вариантом является вихревая система охлаждения ЖРД или использование компланарных каналов. Большим разнообразием отличается конструктивное выполнение охлаждающего тракта системы охлаждения. Внутреннее охлаждение. Осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа или даже жидкой пленки на отдельных участках внутренней поверхности стенки камеры сгорания. Внутреннее охлаждение в ЖРД можно организовать соответствующим расположением и подбором расходных характеристик

Рис. 19. Схемы различных охлаждающих трактов со связанными оболочками

форсунок на периферии головки камеры сгорания (при этом в пристеночном слое создается избыток какого-либо компонента, как правило, горючего). После выгорания топлива образуются продукты сгорания с более низкой температурой, чем в основном потоке (рис. 20). В камерах сгорания ЖРД, работающих по схеме с дожиганием генераторного газа, пристеночный слой может создаваться низкотемпературным генераторным газом, подаваемым через периферийный ряд форсунок.

Рис. 20. Организация внутреннего охлаждения от головки КС: 1 – пограничный слой; 2 – пристеночный слой; 3 – зона перемешивания или промежуточный слой

Внутреннее охлаждение можно осуществить подачей жидкого компонента (как правило, горючего) с небольшой скоростью на внутреннюю поверхность стенки камеры сгорания и через отверстия (рис. 21) или щели в специальном поясе завесы охлаждения.

В результате взаимодействия с основным потоком струи жидкости прижимаются к стенке, образуя на ней сплошную жидкую пленку. Жидкая пленка, двигаясь по стенке, прогревается, испаряется (или разлагается) и, перемешиваясь с ближайшими слоями газа, постепенно выгорает, образуя низкотемпературный слой газа.

Ввиду сравнительно слабого поперечного перемешивания продуктов сгорания при их движении вдоль камеры сгорания пристеночный слой, созданный головкой или поясом завесы охлаждения, достаточно устойчив и может сохраняться на значительном протяжении.

Рис. 21. Защита стенки с помощью завесы

Наиболее экономичным в этом отношении будет пристеночный слой, толщина которого не превышает пограничного слоя на всем протяжении камеры сгорания. Организовать такой слой можно, если вдоль поверхности камеры поставить несколько малорасходных поясов завесы или подавать охладитель с необходимым расходом по тангенциальным каналам, где он, контактируя с продуктами сгорания, придет в интенсивное вращательное движение, образуя завесную пленку.

Способ внутреннего вихревого завесного охлаждения стенки камеры сгорания высокотемпературной парогенерирующей энергоустановки, на которую воздействуют внешние тепловые конвективные или лучистые потоки высокой плотности, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с описанными выше видами тепловой защиты:

1) высокой эффективностью использования охладителя, с учетом его дальнейшего парообразования;

2) контролируемым уменьшением внешнего конвективного теплового потока, достигающего поверхности за счет регулируемого впрыска охладителя;

3) отсутствием ограничения по величине внешнего теплового потока при сохранении неизменности формы и целостности охлаждаемой поверхности.

Указанные преимущества подвинули к исследованию возможности реализации этого метода при создании высокотемпературных парогенерирующих агрегатов различной мощности. При этом были созданы экспериментальные образцы и проведены циклы испытаний, подтвердившие работоспособность конструкции.