содержание   ..  20  21  22  23  24 

5.5.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАКТА РДТТ

Отдельные элементы РДТТ — облицовки минимального сечения, насадки концевых частей сопел большой степени расширения, исполни­тельные и регулирующие расход газа элементы устройств создания управляющих усилий - выполняют из сплавов на основе тугоплавких металлов. Заметное окисление W и Мо наступает при температуре около 900 К с образованием различных окислов, наиболее устойчивыми из которых являются WO₂, WO₃, МоО₂, МоО₃ [20]. Но они имеют невысо­кие значения температуры плавления и не защищают поверхность от окисления при дальнейшем росте температуры поверхности.

По результатам анализа продуктов реакций Мо и W в потоках воздуха, СО₂ и Н₂О при значениях температуры до 2370 К для Мо и вплоть до температуры плавления для W установлено, что окисление идет до образования трехокисей МоО₃ и WO₃ в реакциях

Мо+1,5О₂WO₃+3CO;                    

Мо+ЗСО₂WO₃+ЗН₂;         (5.14)
        Мо+Н₂ОМоО₃+ ЗН₂;                                                         

Скорость окисления в кинетическом режиме

,                                                           (5.15)

где m — изменяется в кг/ (м²•с);  — кратность химического взаимодейтсвия.

В диффузионном режиме (T_w>2700 К) скорость окисления       

.                                                                                              (5.16)

Суммарная скорость уноса массы при обтекании смесью газов . При окислении металлов газовым потоком наличие продуктов реакций (5.14) смещает термодинамическое равновесие влево по температурной шкале, и скорость уноса может определять и кинетика окисления и диффузия конечных продуктов реакций. Поэтому за реальную скорость окисления принимают меньшее из рассчитанных значений по (5.15) и (5.16).

Реакции окисления металлов являются экзотермическими и ускоряют прогрев обтекаемого элемента.                                                                                                          |

Расчетные оценки дают небольшие значения скорости окисления сплавов на основе W для РДТТ, продукты сгорания топлива которого имеют В_т<0,05; скорость уноса и<0,001 мм/с в окрестности мини­мального сечения. Поэтому экспериментально унос металлических элементов после стендовых испытаний установить невозможно ввиду относительно небольшого времени работы РДТТ (t=60...70с). Кроме то­го, существуют усадочные явления при остывании элемента, искажаю­щие истинные размеры его в момент окончания работы двигателя.

При достижении поверхностью значения температуры плавления массовую скорость квазистационарного уноса оплавленного слоя можно оценить из баланса энергии на стенке:

.

5.6. ВОЗДЕЙСТВИЕ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ НА КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Инерционное выпадение частиц окиси алюминия происходит при резких поворотах потока в предсопловом объеме и в концевых частях сопел определенных профилей.

Обычно принимают аддитивными воздействия газовой и конденси­рованных фаз ввиду сложностей взаимодействия двухфазных потоков с материалами. Исходя из особенностей инерционного осаждения частиц в предсопловом объеме, на вершину утопленной части сопла и концевые части профилированных сопел взаимодействие с композиционными материалами можно условно разделить на два типа:

низкоскоростное, определяющим в котором являются химические реакции окиси алюминия с материалами;

высокоскоростное, определяющим в котором является механичес­кая эрозия поверхностного слоя при ударах частиц.

Турбулентное осаждение частиц в пограничном слое может существо­вать по всему тракту двигателя, но массовая скорость его незначитель­ная и не всегда приводит к уносу материалов.

Низкоскоростное взаимодействие происходит при их выпадении на элементы корпуса и вершину утопленной части сопла, причем, варьируя геометрией заряда, можно избежать осаждения конденсата в корпусе, но избежать воздействия окиси алюминия с материалами вершины утоп­ленной части сопла невозможно.

Химическое взаимодействие окиси алюминия с углеродом при вы­соких температурах представляет собой сложный многостадийный про­цесс, сопровождающийся образованием оксикарбидов и карбидов алю­миния. Идеализированную модель процесса можно представить в следую­щем виде [16, 20] (Т>800 К):

С+А1₂О₃А1₂ОСА1₄СА1.

В ходе взаимодействия возможны различные реакции, зависящие от температуры (например, устойчивый карбид А1₄С образуется при Т=1973...2073 К) и доступа компонентов газовой фазы продуктов сгорания в пограничном слое.

Расчетные методы определения массовой скорости уноса углеграфитовых материалов вершины утопленной части сопла при взаимодействии с осаждающейся окисью алюминия в условиях отсутствия сплошности жидкой пленки на смачиваемой (углепластик) и несмачиваемой (гра­фит, углерод-углеродный композит) поверхностях еще далеки от за­вершения.

В инженерных расчетах приемлемыми оказались эмпирические со­отношения  в которых значения опытных коэффициентов получают экспериментальна
но на модельных двигателях с предварительным получением массовом
скорости осаждения конденсата т_р.

При выполнении расчетных оценок массовой скорости уноса необходимо учитывать возможное содержание в конденсированной фазе неокисленного алюминия, что может быть в начальные моменты времени работы двигателя при малых расстояниях от вершины сопла до поверхности заряда. Согласно работе [16] жидкий алюминий начинает смачивать графит при Т=1473 К, при этой же температуре начинается унос графита, и умеренное исчезновение графита происходит при Т=1973...2073 К. При более высоких температурах возможен катастрофический унос углерода при взаимодействии с жидким алюминием.

На скорость эрозии композиционных материалов при многократном соударении влияют следующие факторы [30, 39]:

условия соударения (скорость частиц, их форма, угол соударения, концентрация частиц, их распределение по размерам);                                                        

характеристики материала частиц (плотность, скорость волны сжатия, вязкость, поверхностное натяжение) ;

характеристики материала конструкции (плотность, скорость волны сжатия, скорость волны сдвига, модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел усталости, динамические пределы прочности на растяжение, сжатие и сдвиг, шероховатость поверхности, ее поверхности, толщина слоя материала).

Для концевой части сопла характерно воздействие не одиночными
соударениями частиц, а многократное потоком близко расположенных
частиц ввиду большого значения массовой доли конденсата в продуктах сгорания современных топлив (z=0,3...0,4). В этом случае возникает
экранирующий эффект падающим частицам вследствие отраженных от стенки осколков ранее ударившихся частиц и осколков разрушаемого материала, а также ввиду возможного течения жидкой пленки осевших частиц.

При воздействии частиц со скоростью v_p700 м/с на пластики с наполнителями из углеродных волокон и стекловолокон установлены три главные зоны разрушения:  

поверхностное разрушение, при котором повреждения концентрируются на неоднородностях композитов (поры, пересечение волокон с поверхностью трещин вдоль волокон); 

разрушение сжатия, связанное с концентрацией напряжений из-за различий деформации матрицы и волокон наполнителей;

расслоение и скол по слоям, вызываемое рядом механизмов — касательными напряжениями при изгибе и при распространении волны напряжения, через волокна, а также растягивающими напряжениями; из-за расхождения волны сжатия при движении ее по толщине материала и отражении на неоднородностях.

Анализ известных данных по эрозии упругих материалов при воздействии дождевых капель без нагрева мишени привел к созданию эм­пирических методов расчета уноса массы [30].

Многократное взаимодействие капель с материалами оценено двумя параметрами:

параметром "прочности"

,

где -предел прочности на изгиб; -эмпирическая константа; v-коэффициент Пуассона;

напряжением на поверхности

,

где а - скорость звука;  — угол соударения; индекс L относится к жид­кости частиц, индекс s — к твердому телу.

Зависимости для расчета времени скрытого периода и скорости уноса массы определены как эмпирические функции от величины P/S по обширным опытным данным. Такой подход распространен и на ма­териалы с расположением волокон наполнителя перпендикулярно по­верхности с модификацией выражения для параметра S.

Методологию работы [30] не всегда можно распространить на слу­чай эрозии композиционных материалов концевых частей сопел ввиду неупругости прококсованного слоя, большой эрозии при малых _а и малых углов соударения частиц с шероховатой поверхностью, что может вызвать большие тангенциальные напряжения. Те частицы, которые пройдут барьерный слой из осколков продуктов взаимодействия, могут ударяться с элементом шероховатости под любым случайным углом, так как диаметр частиц d_p5 мкм, а высота элемента шероховатости =40...150 мкм.

Массовая скорость уноса под воздействием капель одинакового диа­метра d определена зависимостью

,

где т измеряется в кг/(м²*с); q — число капель на единичный объем Дождя, капли/м³.

Из формулы следует, что т~u, и это указывает на еще невысокие значения скоростей взаимодействия.

При больших скоростях соударения наступает участок линейной зависимости скорости уноса от квадрата скорости соударения, т.е. от
кинетической энергии частиц*.    

Таким образом, унос массы отсутствует при низких скоростям
соударения, затем наступает сильно нелинейный участок взаимодействия, а при дальнейшем росте скорости соударения наступает участок линейной зависимости (рис. 5.28).

Обобщенная зависимость относительной скорости уноса имеет вид

,

где  — критическая скорость соударения, определяющая начало унося
массы; К — эмпирический коэффициент для класса материала и его
свойств;  — эмпирическая константа материала, аналог эффективной энтальпии при взаимодействии с чисто газовыми потоками, определяемая экспериментально.

__________________

*Полежаев Ю.В. Процесс установления эрозионного разрушения материал
преграды при многократном соударении с частицами t ИФЖ, 1979. Т. 37, № 1
С 389-394.

Для расчета разрушения материалов концевых частей сопел, подверженных высокоскоростному соударению с частицами, такой подход является оправданным, но существуют значительные трудности при анализе опытных данных по уносу для определения эмпирических констант К и Н_эр. Основной входной параметр U, а также массовая скорость осаждения частиц т_р могут быть приближенно определены только расчетным путем из решения систем уравнений газодинамики многофазном среды. Истинные значения U_p и т_р в стендовых работах определить расчетным путем не всегда возможно из-за наличия толстого пограничного слоя на выходных участках сопел, ряда допущений о дисперсности конденсированной фазы и погрешностей численного интегрирования.

Поэтому в инженерных расчетах находят эмпирические зависимости,
связывающие скорость уноса массы материалов при высокоскоростном
взаимодействии с энергетическими и геометрическими характеристика
ми профилированных сопел. Для сопел с угловой точкой, материалы выходных участков которых могут быть подвержены выпадению конденсированной фазы, важной геометрической характеристикой определения координаты начала выноса конденсата на стенку служит величина , т.е. разность значений начального угла профиля за угловой точкой и углов  и в j-х сечениях концевой части.

Многократность соударения частиц со стенкой сопла и возникающий
при этом экранирующий эффект уменьшают скорость уноса и коэффициент аккомодации кинетической энергии по сравнению со случаем
удара одиночной частицей.

Рис. 5.28. Зависимость массовой скорости уноса стеклопластика от скорости соударёния с частицами:

1 - диаметр частиц 5000 мкм; 2 - диаметр частиц 500 мкм; 3 - .

Рис. 5.29. Экранирующий эф­фект многократного соударе­ния (по данным В.Н. Шебеко):

1 - алюминий; 2, 3 - стекло­пластики;  — масса частиц в единице объема

По мере увеличения массовой скорости осаждения происходит су­щественное снижение относительной скорости уноса (рис. 5.29).

Кроме определения скорости уноса при высокоскоростном соуда­рении частиц с материалами концевых частей сопел необходимо вычис­лить и нестационарное температурное поле конструкции. В граничном условии краевой задачи теплопроводности появляется член, учитываю­щий переход кинетической энергии частиц в тепловую:

.

Определение значения коэффициента аккомодации является крайне сложной задачей, так как оно зависит от плотности потока частиц, ве­личины ,  угла соударения и ряда других параметров. Из физичес­ких соображений ясно, что по мере нарастания плотности потока частиц и массовой скорости эрозии значение К должно уменьшаться. При взаимодействии частиц диаметром 100...200 мкм, летящих по нормали к титановой преграде со скоростью 900...2500 м/с, значение К=0,7, в условиях РДТТ [2] К=0,3. Значение К=0,7 соответствует ма­лым значениям массовой скорости уноса и его можно принять как на­чальное значение при т_у0. По мере увеличения т_у значение коэффи­циента аккомодации должно уменьшаться.

Задача создания модели процесса эрозионного разрушения композиционных материалов при высокоскоростном многократном соударении с частицами и нагреве газовой фазой еще не решена, и определяющим в ряде случаев является стендовая обработка двигателей.

5.7. ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ РДТТ          

Обычно задачи теплопроводности стараются упростить понижением их размерности при разумной потере точности. Элементы тепловой защиты корпусов и сверхзвуковых частей сопел представляют собой осесимметричные тонкостенные многослойные составные оболочки; толщины их малы по сравнению с длиной. Для упрощения численный процедур температурные поля таких элементов моделируют с помощью одномерного уравнения теплопроводности

.                                                                             (5.17)

Начальным условием служит равномерное распределение температуры по толщине многослойной стенки . Граничным условием является баланс энергии на перемещаемой стенке

;

.

На стыках слоев выполняют условия сопряжения

.

Граничным условием на внешней поверхности последнего слоя (слоя защищаемой конструкции) принимают  либо условие изоляции

,

либо условие теплообмена с окружающей средой без разрушения поверхностного слоя

.

Это условие отвечает условию испытания двигателя на стенде, а в полете ракеты необходимо учитывать аэродинамический нагрев конвекции,

Переизлучение стенки в окружающее пространство и возможное разру­шение внешней защиты корпуса двигателя или элемента соплового бло­ка Области применения краевых задач теплопроводности при модели­ровании процессов в РДТТ представлены в табл. 5.4.

Для тонких концевых насадок сопел большой степени расширения, выполненных из тугоплавких металлов (Mo, Nb), характерен прогрев практически без перепада температур по толщине. Пренебрегая энергией, пошедшей на нагрев насадка до искомой температуры T_w, установив­шееся значение этой температуры можно вычислить из баланса энергии (поступающие конвективные и радиационные потоки равны отводимому излучением в окружающее пространство):

.

Учет поглощения тепла при фильтрации газов пиролиза выполняют при допущении о температурном равновесии газовой фазы и твердого кокса с помощью конвективного члена [24], где  - теплоемкость и массовая скорость продуктов пиролиза. Такой подход  исключает решение очень сложной задачи тепломассообмена в пористом теле в полной постановке, включающей уравнение движения и энергии газовой фазы совместно с уравнением теплопроводности в твердом кар­касе прококсованного слоя.

Тепловой эффект разложения связующего в концепции фронта пи­ролиза [24] (пиролиз происходит в очень узкой области при достиже­нии значения некоторой характерной изотермы Т*) связан со скоростью потери массы выражением

,

где — тепловой эффект фазового превращения.

Массовую скорость продукта пиролиза можно оценить по соот­ношению

,

где Г — доля связующего, перешедшего в газообразное состояние; R*— положение характерной изотермы.

Тогда уравнение (5.17) примет вид

,                                                    (5.18)

где  - доля связующего в материале; ₀ — начальная плотность до пиролиза.

Таблица 5.14

Области применения краевых задач теплопроводности

Потерю массы при пиролизе коксующихся материалов представляет
моделью Аррениуса

,

где _к — плотность кокса; п — порядок реакции.

Угле- и стеклопластиковые материалы тепловой защиты сопел РДТТ имеют незначительное содержание связующего (0,4), и при высоком уровне теплового нагружения учет тепловых эффектов пиролиза не приведет к существенному изменению в перемещении изотермы начала пиролиза и соответственно температуры защищаемой конструкции.

Расчетные значения перемещения изотермы 573 К в углепластике на фенолформальдегидном связующем и температуры защищаемой
металлической стенки, полученные численным решением (5.18), с
учетом и без учета пиролиза представлены на рис. 5.30. Полученные
данные показывают несущественную роль теплового эффекта пиролиза
в балансе по толщине углепластика.

Однако при невысоком уровне тепловых нагрузок и большом времени работы двигателя роль пиролиза начинает возрастать (рис. 5.31),
и отличие в положении характерной изотермы может достигать 20% несмотря на невысокое содержание связующего.

Рис. 5.30. Перемещение изо­термы 573К в углепластике при высоком уровне теплово­го нагружения:

1 - углепластик; 2 — конст­рукция; 3 - перемещение изотермы без учета пиролиза связующего; 4 - с учетом пиролиза; 5 - температура конструкции без учета пиро­лиза связующего; 6 - темпе­ратура конструкции с учетом пиролиза

Рис. 5.31. Перемещение изотермы 573К в углепластике при невысоком уровне теплового нагружения и большом времени работы двигателя:

1 - углепластик; 2 - конструкция; 3 - перемещение изотермы без учета пиро­лиза; 4 - с учетом пиролиза

Рис. 5.32. Расчетные и экспериментальные значения температуры внешней поверх­ности углепластика:

1 - изолятор датчика; 2 - термометр сопротивления; 3 - клеевая прослойка; 4 -
углепластик;---                  - расчетные значения;     , о - экспериментальные данные

Теплозащитные материалы корпусов имеют большие значения доли связующего и газовыделения при пиролизе, но математические модели пиролиза существенно сложнее.

В элементах сверхзвуковых частей сопел — тонкостенных осесимметричных оболочках — применение одномерной краевой задачи теплопроводности (5.18) обеспечивает приемлемую точность. Расчетные и экспериментальные значения температуры внешней поверхности углепластиковой стенки сопла модельного РДТТ представлены на рис. 5.32.

Численные оценки показывают слабое влияние теплопроводности при Т>2000 К на перемещение изотермы 573 К.

В сложных элементах области горла сопла необходимо учитывать пространственный характер растекания тепла и анизотропию свойств материалов. Обычно используют модели двухмерной нестационарной теплопроводности в системе координат R-z. Типичная конструкция трансзвуковой области сопла, выполненная из углерод-углеродных композиций, графита и углепластика, подверженная осесимметричному тепловому нагружению, представлена на рис. 5.33.

Рис. 5.33. Анизотропия проводимостей композиционных материалов утопленной части сопла РДТТ:

1 - неориентированный углепластик; 2 — ориентированный углепластик; 3 - пирографит; 4 - графит; 5, 6 - ориентированный углепластик; 7 - несущая металлическая конструкция; 8 - ориентация наполнителя (оси прессования, осаждения) в материалах

Для ортотропных тел, имеющих только теплопроводности  в направлениях осей координат R и z, уравнение принимает наиболее простую форму:

.

При отказе от гипотезы ортотропности твердых тел необходимо рассматривать коэффициенты теплопроводности компонентами тензора 2-го ранга, и тепловой поток в теле будет линейной функцией компонентов градиента температур [12]:

;

.

Для составного тела сложной формы (см. рис. 5.33) уравнение теплопроводности будет иметь вид

с граничным условием, учитывающим перемещение рабочей поверхности, тепловой эффект уноса, подвод тепла конвекцией и изучением

;

.

Рис. 5.34. Температурное поле в ма­териалах тепловой, защиты горлови­ны сопла:

1 _ углепластик; 2 – металлическая конструкция; 3 - углерод-углеродный композиционный материал; 4 - изотерма 3000 К; 5 -2400 К; 6 - 1100 К; 7 - 500 К; 8 -углерод-углеродный композицион­ный материал.

Температурное поле элементов горловины сопла РДТТ рассчитано в работе* по модели двухмерной анизотропной теплопроводности (рис. 5.34) с граничными условиями

.

Отмечено, что учет осевого перетока тепла приводит к отличию от результатов расчетов по одномерной задаче в окрестности минимально­го сечения.

содержание   ..  20  21  22  23  24