Обзор эффективных методов охлаждения поверхностей обтекаемых высокоскоростными потоками газа

Современные энергетические установки работают при сверхкритических температурах и их эффективность во многом зависит от способов охлаждения наиболее теплонагруженных элементов, в связи с этим огромное значение начали уделять эффективности тепловой защиты. За последний век в результате экспериментальных и численных исследований, такими учёными как: Э.П. Вочков, С.С. Кукателадзе, А.И. Леонтьев и др., [1, 2, 3], образовалась огромная научная база, на основе которой созданы технологии, позволяющие нам эксплуатировать оборудование при сверхкритических параметрах рабочего тела. Из всех предложенных способов охлаждения поверхности наиболее перспективными являются системы, основанные на массообменном принципе поглощения тепла.

Массообменный принцип поглощения тепла может быть реализован тремя способами: в виде пленочного, пористого или заградительного охлаждения (рис. 1.21). Данные способы широко распространены и эффективно защищают поверхности от радиационного и конвективного нагрева. При вдуве охладителя на защищаемую поверхность, на последней образуется тонкая завеса. При этом происходит оттеснение горячего газа от теплонагруженной поверхности, что позволяет значительно снизить теплообмен между потоком и стенкой. Особое внимание уделяется заградительному и плёночному типу охлаждения.

Плёночное охлаждение, представленное на (рис. 1.21 а), рассматривали и исследовали во многих работах. Горячий газ движется вдоль стенки, покрытый пеленой охлаждающего воздуха, которая поступает на поверхность через ряд щелей или отверстий, выполненных на определённом расстоянии друг о друга вдоль поверхности.

Рис. 1.21. Схема тепловой защиты основанная на массообменном принципе поглощения тепла; а – пленочное охлаждение, б – заградительное охлаждение, в – пористое охлаждение

Эффективное охлаждение будет происходить до тех пор, пока будет существовать воздушная пленка на поверхности охлаждаемой стенки. Эффективность данного способа охлаждения значительна, но данный способ охлаждения вызывает сильные возмущения потока на охлаждаемой поверхности, способствуя турбулизации пограничного слоя и ускорению перемешивания охлаждаемого потока газа с рабочим и как следствие, происходит значительное сокращение эффективности тепловой защиты по длине охлаждаемого участка. Дополнительная турбулизация потока вблизи стенки приводит к повышению сопротивления трения на поверхности, тем самым снижая общую эффективность установок применяемых с данным типом охлаждения.

Заградительное охлаждение (одиночный щелевой вдув), изображённый на (рис. 1.21 б) способствует образованию изолирующего холодного потока, который поступает на поверхность стенки через щель или отверстие.

В случае подачи газа через щель, в целях снижения турбулентного перемешивания газовых потоков на охлаждаемой поверхности стенки, охладитель подводится по касательной, таким образом затягивая процесс перемешивания газов. Пример заградительного охлаждения представлен на (рис. 1.22). Экспериментальные исследования по газовой завесы, приводимые Лебедевым А. В. и Швайковским Ю. В. [4] показали, что профиль скоростей в пограничном слое быстро вырождается. Анализ экспериментальных данных об изменении пути смешения в зависимости от продольной оси х и поперечной оси у показывает, что непосредственно за сечением щели можно определить границу “верхнего” и “нижнего” течения, в “верхнем” течении путь перемешивания остаётся примерно постоянным по сечению, что характерно для турбулентных струй [2]. “Ниже” по течению путь смешения монотонно возрастает от стенки к внешней границе слоя, что характерно для пристенного турбулентного пограничного слоя. В ходе отдаления охлаждающего потока от начальной точки вдоль оси х , влияние вдува на гидродинамику быстро исчезает и устанавливается профиль развитого турбулентного пограничного слоя.

Данная система охлаждения позволяет значительно снизить температуру стенки, образуя направленный заградительный слой воздуха на поверхности за счёт равномерного распределения давления и скорости в пазах камеры сгорания, тем самым снижая турбулентное перемешивание на внутренней поверхности камеры. Кроме того, за счёт движения воздуха вдоль наружней части камеры сгорания, происходит конвективный теплообмен, дополнительно снижающий температуру стенки камеры сгорания.

Рис. 1.22. Камера сгорания ГТД с системой охлаждения заградительного типа;

1 – тангенциальный подвод воздуха через щель; 2 – наружный корпус камеры сгорания; 3 – внутренний корпус камеры сгорания

Одним из перспективных и эффективных способов тепловой защиты является пористое охлаждение поверхности, представленное на (рис. 1.21 в) [2]. Основным преимуществом данного способа является равномерная подача охладителя через пористую структуру поверхности. Проходя через пористую стенку, охлаждающая среда отбирает тепло, а выйдя на поверхность, образует завесу, снижая интенсивность тепломассообмена между горячим газом и стенкой. Эти факторы ведут к значительной эффективности тепловой защиты и в значительной степени снижают температуру поверхности. Охладителем может быть газ или жидкость, но предпочтение отдаётся газообразным веществам. Такой способ тепловой защиты нашел широкое применение даже в таких сложных устройствах, как сопло ракетного двигателя. Производство пористой поверхности довольно сложный технологический процесс. Пористое охлаждение применяется в ракетных, авиационных двигателях, теплообменных аппаратах, работающих с химически агрессивными средами, электродуговых подогревателях и т.д. Такая система охлаждения является наиболее эффективной среди представленных, но имеет ряд недостатков. Наиболее серьёзной сложностью в реализации данного типа охлаждения является предварительная очистка подаваемого газа на охлаждение. На многих установках воздух смешивается с уходящими газами от двигателя для повышения КПД установки, но уходящие газы несут в себе продукты сгорания, к примеру, в случае недожога топлива будет выделяться окись углерода CO, метан CH4 и водород H2, что может привести к повышению сопротивления подаваемого газа через поры. Охлаждение поверхности на примере (рис. 1.21 б) образует пограничный слой с ярко выраженным профилем скорости, который достаточно быстро вырождается в развитый степенной профиль пристенного турбулентного пограничного слоя.