Пассивная тепловая защита соплового блока

 

Пассивная теплозащита основана на подборе эрозионностойких и теплозащитных материалов разных для различных участков сопла. Обычно используются углерод-углеродные и углерод- керамические композиционные материалы, угле- и стеклопластики, графиты и силицированные графиты, тугоплавкие сплавы. Типичное расположение материалов приведено на рис. 5.4. а. Под действием теплового потока и окисляющих компонентов смеси газов материалы теплозащиты прогреваются и разрушаются.

Газовая смесь, протекающая через сопло, состоит из продуктов сгорания горючего и окислителя, окислителя и продуктов деструкции твердого горючего (прямая схема), горючего и продуктов деструкции окислителя (обратная схема), соотношения между которыми могут меняться в процессе работы двигателя.

 

Углерод-углеродные композиционные материалы и графиты, состоящие практически полностью из углерода, в высокотемпературной окислительной среде взаимодействуют на поверхности с такими компонентами продуктов сгорания, как H₂O, CO₂, О, О₂ и др. Эти компоненты, в известном соотношении содержатся в ядре потока и за счет диффузии через пограничный слой поступают к стенке. На поверхности сопла они реагируют с углеродом. Продукты взаимодействия (CO, H₂, и др.) за счет диффузии уходят от поверхности и в пограничном слое могут реагировать с окислющими компонентами газовой смеси. В результате образуются CO₂, H₂O, H₂ и др. Процессы диффузии, тепловые эффекты реакций, их скорость определяют состав газа вблизи стенки и количество унесенного материала. Реакции углерода с H₂O и CO₂ являются эндотермическими, с О и О₂ – экзотермическими, и количество поглощенного (выделившегося) тепла может быть определено на основании сопряженного решения задачи прогрева и термохимического разрушения материала.

Для описания механизма термохимического взаимодействия можно использовать подход, предложенный в работах [5.8, 5.14, 5.15]. На основании аналогии тепло- и массообмена, баланса массы отдельных компонентов на стенке и кинетики протекающих реакций массовый унос материала стенки можно описать следующими соотношениями (вывод дан в [5.14]):

                                                (5.17)

       .

 

Здесь M_e – молекулярный вес газовой смеси на внешней границе пограничного слоя;

M _C – молекулярный вес углерода;

B_m – окислительный потенциал газовой смеси на внешней границе пограничного слоя;

r_i – мольные доли окисляющих компонентов газовой смеси на внешней границе пограничного слоя.

Приведенные соотношения справедливы в предположении близости величин кинетических констант всех рассматриваемых реакций между активными компонентами газовой смеси и углеродом (или малости концентраций компонентов с иной кинетикой). Если такое предположение является недостаточно точным, необходимо решать исходную систему уравнений массообмена [5.6, 5.16].

 

Термохимическое разрушение углепластиков. При нагревании углепластика уже при температуре порядка 500 … 600 К начинается заметное разложение связующего. Этот процесс является сложным и многостадийным. В сопловом блоке реализуются очень высокие тепловые потоки в стенку и, соответственно, темпы нагрева поверхности. При низкой теплопроводности материала профили температуры внутри него очень крутые (рис. 5.11).

 

Рис. 5.11

 

В результате, все стадии процесса термодеструкции внутри материала происходят в достаточно узкой зоне (практически во фронте), что позволяет описывать протекающие процессы единой обобщенной реакцией.

На основе закона Аррениуса [5.16… 5.18] изменение плотности материала в процессе термодеструкции связующего можно описать уравнением:

 

.                                                    (5.18)

Вместо плотности можно определять пористость материала:

.                                                         (5.19)

Эти величины связаны между собой соотношением: .

На основании выражения (5.18) плотность тока продуктов деструкции вычисляется как:

,                                                      (5.20)

где

 – плотность исходного материала;

– текущая плотность материала подверженного термодеструкции;

- относительное содержание связки в исходном материале;

– доля связки, обращающаяся в газ при термодеструкции , k – коксовое число;

– пористость (массовая) материала;

– энергия активации процесса термодеструкции;

– предэкпоненциальный множитель этого процесса;

– плотность газообразных продуктов термодеструкции.

Решение уравнения (5.19) ищется совместно с задачей определения теплового состояния стенки, решение которой, как будет показано далее, выполняется численно и позволяет определить профиль температуры стенки в виде дискретной функции T_i. Для аналитического решения уравнения (5.19) в пределах шага сетки температура принимается постоянной равной, . Тогда   (t – шаг по времени), отсюда скорость изменения плотности материала и расход продуктов деструкции определяется по формулам (5.18) и (5.20). Взаимное влияние прогрева и термодеструкции материала устанавливается в процессе итерирования расчетов.

Плотность углепластика вблизи поверхности очень быстро (за доли секунды) достигает предельной величины . Слой материала вблизи поверхности (прококсованный слой) практически полностью состоит из углерода. На основании предыдущего раздела линейная скорость разрушения поверхности материала с учетом вдува продуктов термодеструкции связки и уменьшения плотности материала вблизи поверхности вычисляется как:

,                                                                                            (5.21)

,

где  – коэффициент тепломассообмена с учетом вдува продуктов поверхностных реакций и объемной термодеструкции материала. Кинетические константы для коксового слоя (k_*, E) отличаются от кинетических констант для термодеструкции (k_m, E ₀), M_g – молекулярный вес продуктов деструкции;  – окислительный потенциал продуктов сгорания рассчитывается с учетом вдува пиролизных газов.

При наличии в продуктах сгорания заметного количества кислорода (при отклонении соотношения компонентов от стехиометрического, что может иметь место в процессе выгорания заряда) может происходить взаимодействие (горение) продуктов деструкции материала с кислородом в пограничном слое. В результате возникает дополнительный подвод тепла к стенке.