ЗАГРАДИТЕЛЬНОЕ И КОМБИНИРОВАННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

При заградительном охлаждении стенка защищается от горячего потока слоем холодного газа, который подводится к поверхности через щель или через пористую вставку в поверхности теплообмена. Слой холодного газа может быть также создан путем интенсивного охлаждения основного потока на участке стенки, предшествующем защищаемой поверхности. Эту разновидность заградительного охлаждения часто называют тепловой завесой.

Газ-охладитель желательно вдувать по касательной к охлаждаемой поверхности, хотя подвод газа под углом до 30° практически не ухудшает качества заградительной системы охлаждения.

Рассмотрим характер изменения скорости около охлаждаемой стенки на различном расстоянии от места подачи холодного газа через тангенциальную щель (рис.17.4). В выходном сечении (х=0) охладитель имеет равномерное поле скоростей. Выходящий из щели газ-охладитель взаимодействует со стенкой, на которой образуется гидродинамический пограничный слой, и с потоком горячего газа, скорость которого отличается от скорости и_в охладителя на выходе из щели. На границе раздела охладителя и горячего газа возникает область турбулентного перемешивания.

В зависимости от формы скоростного поля можно выделить две характерные области течения начальный участок, на котором в потоке охладителя сохраняется ядро с постоянной скоростью (зона ОАВ), и основной участок, где распределение скоростей определяется турбулентным смешением ивзаимодействием потока со стенкой (в пристенной области).

Гидродинамические условия течения охладителя около защищаемой стенки определяют характер температурного поля в различных сечениях потока. Для теплоизолированной стенки на начальном участке сохраняется ядро охладителя с постоянной температурой. Так как стенка теплоизолирована, то температура по толщине пристенной области не изменяется. Если пренебречь распространением теплоты теплопроводностью вдоль защищаемой стенки, то на начальном участке температуру стенки можно считать постоянной и равной начальной температуре охладителя. В действительности температура стенки при удалении от щели несколько возрастает. На основном участке температура стенки увеличивается по мере удаления от места подачи охладителя, причем ее значение определяется температурой зоны смешения в пристенной области.

Заградительное охлаждение может использоваться одновременно с конвективным. При этом стенка омывается охлаждаемым газом с обеих сторон. Такое охлаждение называют комбинированным. В этом случае на основном участке смешения температура стенки со стороны горячего газа выше температуры охладителя. Поэтому через охлаждаемую стенку передается теплота и температура стенки ниже, чем в случае использования только заградительного охлаждения.

Разновидностью комбинированного охлаждения является система заградительного охлаждения, выполненная с использованием проницаемых вафельных материалов, в которой газ-охладитель сначала используется для конвективного охлаждения стенки, а затем поступает на поверхность, взаимодействующую с горячим газом. В этом случае защищаемая стенка выполняется из нескольких пластин (обычно двух-трех), в которых до сборки с помощью перфораций, выштамповок или электрохимической обработки создается система каналов и отверстий, обеспечивающая высокую интенсивность теплообмена охладителя со стенкой с последующим выходом его на защищаемую поверхность. При этом легко создать конструкцию, в которой угол выхода газа-охладителя на защищаемую поверхность будет меньше 30°.

Заградительное и комбинированное охлаждение широко используется для защиты стенок камер сгорания и реактивных сопл воздушно-реактивных двигателей. Эту систему охлаждения можно также использовать и в газотурбинных двигателях для защиты лопаток и в ракетных двигателях твердого топлива для защиты внутренних поверхностей реактивного сопла. В последнем случае необходимый для защиты газ получается при горении специального топлива с низкой температурой сгорания, небольшое количество которого размещается перед входом в сопло.