ТЕПЛОЗАЩИТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК F01D5/18 

Настоящее изобретение касается теплозащитных конструкций.

В частном, но не единственном варианте такая теплозащитная конструкция может применяться при изготовлении элементов, подвергающихся воздействию сверхвысоких температур, например, при изготовлении камер сгорания, в частности, прямоточных воздушно-реактивных двигателей или внешних теплозащитных пластин летательных аппаратов, развивающих сверхвысокие скорости, например Max > 10 или Max > 12.

Для применения в вышеуказанных случаях такая конструкция должна обладать определенными признаками, а именно:
- иметь небольшую массу и толщину;
- при использовании охлаждающей текучей среды иметь минимально возможное гидравлическое сопротивление и использовать минимально возможное количество такой текучей среды.

Из уровня техники известны различные решения для выполнения теплозащитной конструкции, отвечающей данным требованиям.

Первое известное решение заключается в использовании абляционного материала, тонкие поверхностные слои которого подвергаются абляции во время использования в качестве защитной конструкции. Однако данное известное решение имеет, в частности, следующие недостатки:
- поверхность материала и, следовательно, форма конструкции во время использования видоизменяются, что может являться существенным недостатком, в частности, когда форма влияет на работу аппарата или устройства, оснащенного такой конструкцией;
- такая конструкция не может использоваться многократно;
- покрытие из абляционного материала должно иметь повышенную толщину, что влечет за собой значительное увеличение массы.

Второе известное решение заключается в использовании средств охлаждения путем конвекции. Такие средства содержат охлаждающее вещество, например водород, циркулирующий в закрытом канале.

Стенка такого канала, соприкасающаяся с теплой окружающей средой, выполнена из материала, являющегося хорошим теплопроводником, и имеет небольшую толщину с возможностью проводить тепло к указанной охлаждающей среде, которая должна постоянно регенерироваться. Такое решение требует значительного количества охлаждающей текучей среды и приводит к ее большему расходу. Для этого чаще всего увеличивают давление охлаждающей среды, для чего необходимо усиливать стенки канала, что влечет за собой повышение стоимости, увеличение толщины и/или массы. Кроме того, в силу значительной разницы в линейном расширении между указанной теплопроводной стенкой и остальной частью конструкции существует опасность возникновения трещин и, следовательно, повреждения самой конструкции.

Третье известное решение основано на использовании охлаждающих средств путем инжекции, которые содержат пористую проницаемую для текучей среды стенку и текучую среду, нагнетаемую через пористую стенку во внешнее горячее пространство. Такое нагнетание позволяет создать снаружи конструкции тонкий слой газа с пониженной температурой и защищает ее от перегрева. Однако эффективность данного решения носит локальный характер. Кроме того, нагнетаемое охлаждающее вещество расходуется, что является недостатком, когда количество имеющейся текучей среды ограничено и особенно когда данная текучая среда является одновременно топливом, например водородом, для летательного аппарата, оборудованного указанной конструкцией, что приводит к ограничению или к падению тяги летательного аппарата.

Известно также четвертое решение для тепловой защиты элемента, при котором используется тепловой барьер. Это решение основано на применении пассивной защиты с использованием непроницаемого термоизоляционного материала. Однако это решение может быть эффективным только в течение ограниченного времени.

Из ближайшего аналога US 5348446, МПК F 01 D 5/18, 1994, известна теплозащитная конструкция, включающая в себя средства охлаждения инжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу от указанной конструкции, тепловой барьер, образующий, по меньшей мере, часть внешней стенки конструкции, причем тепловой барьер имеет отверстия для нагнетания первой охлаждающей среды.

Кроме уже упомянутых недостатков, ни одно из перечисленных решений не позволяет эффективно и достаточно осуществить тепловую защиту камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя для полетов на скорости с числом Маха, превышающим 12.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков. Оно касается различных теплозащитных конструкций, отличающихся простотой и дешевизной изготовления и исключительной эффективностью, при этом они могут применяться в камере сгорания или реакторе с высокими температурами, в частности в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя на высоких полетных скоростях или в качестве средства тепловой защиты внешних поверхностей летательных или космических аппаратов.

В соответствии с настоящим изобретением первая конструкция отличается тем, что для этого она включает в себя:
- средства охлаждения инжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу от указанной конструкции, и
- тепловой барьер, образующий, по меньшей мере, часть внешней стенки указанной конструкции, при этом в тепловом барьере выполнены отверстия для нагнетания первой охлаждающей текучей среды.

Таким образом, благодаря комбинированному применению указанных средств охлаждения инжекцией и указанного теплового барьера, позволяющему создать комбинированный теплозащитный эффект, достигают исключительно эффективную тепловую защиту.

Следует отметить, что тепловой барьер, обычно выполненный непроницаемым, имеет отверстия в конструкции в соответствии с настоящим изобретением. Несмотря на то, что такое применение имеет похожие известные аналоги, достигаемый благодаря тепловому барьеру теплозащитный эффект не снижается благодаря его применению в сочетании с указанными средствами охлаждения инжекцией, нагнетающими холодную текучую среду через отверстия указанного теплового барьера и препятствующими таким образом выходу тепла через эти отверстия.

Вторая теплозащитная конструкция в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что включает в себя:
- средства охлаждения инжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу от конструкции, и
- средства конвективного охлаждения, включающие вторую охлаждающую текучую среду, циркулирующую внутри конструкции, при этом первая и вторая охлаждающие текучие среды состоят из одной и той же текучей среды.

Таким образом, благодаря комбинированному применению средств охлаждения инжекцией и конвективного охлаждения, создающих двойной эффект теплозащиты, достигают исключительно эффективную тепловую защиту.

Движение газа таким образом разделяется на продольный поток указанной второй охлаждающей текучей среды (внутри конструкции) и на поперечный поток первой охлаждающей текучей среды (наружу от конструкции).

Благодаря использованию одной и той же текучей среды
- обеспечивают простоту конструкции;
- путем одной операции регулирования давления и/или расхода достигают регулирования обеих частей текучей среды, как будет показано ниже; и
- обеспечивают оптимальный поток текучей среды.

Кроме того, третья теплозащитная конструкция в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что она включает
- тепловой барьер, образующий, по меньшей мере, часть внешней стенки указанной конструкции, и
- средства конвективного охлаждения, включающие в себя вторую охлаждающую текучую среду, циркулирующую внутри конструкции по отношению к указанному тепловому барьеру.

Таким образом, благодаря такому комбинированному применению теплового барьера и средств конвекционного охлаждения создают объединенный эффект тепловой защиты и достигают также эффективной тепловой защиты.

Кроме того, следует отметить, что при этом используется известный уровень техники, при котором средства конвективного охлаждения должны включать в себя внешнюю стенку с хорошей теплопроводностью. Однако в вышеуказанной конструкции внешняя стенка образована тепловым барьером, обеспечивающим понижение температуры.

Следовательно, уменьшается значение дополнительного понижения температуры, которое должно обеспечиваться указанными средствами конвективного охлаждения. Это позволяет, в частности, снизить требования к параметрам и эффективности указанных средств охлаждения и, в частности, используемой охлаждающей текучей среды.

Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения теплозащитная конструкция включает в себя одновременно все три перечисленных элемента, а именно: средства охлаждения инжекцией, средства конвективного охлаждения и тепловой барьер, что позволяет одновременно обеспечить все вышеперечисленные преимущества. Данный вариант осуществления позволяет также оптимизировать указанные элементы, в частности свести к минимуму расход газа и массу стенок конструкции при обеспечении целостности, механической прочности и термостойкости конструкции.

Предпочтительный вариант конструкции в соответствии с настоящим изобретением включает в себя:
- по меньшей мере, один канал, по которому циркулирует газ, включающий, по меньшей мере, одну первую или вторую охлаждающую текучую среду, и
- средства регулирования давления текучей среды внутри указанного канала, при этом в предпочтительном варианте указанные средства создают давление, которое зависит от давления, существующего снаружи конструкции, например давление, превышающее или равное двойному значению максимального внешнего давления.

Кроме того, в предпочтительном варианте указанные средства конвективного охлаждения включают в себя систему теплопроводящих проводов, при этом эта система пропускает через себя текучую среду и предпочтительно соприкасается в конструкции, по меньшей мере, с одной из стенок. Это позволяет достичь оптимального теплообмена между охлаждающей текучей средой и горячей стенкой или стенками указанных средств охлаждения.

Для оптимизации потока текучей среды в предпочтительном варианте
- отверстия в тепловом барьере выполняют таким образом, чтобы его гидравлическое сопротивление находилось в зависимости от гидравлического сопротивления внутри канала. В предпочтительном варианте гидравлическое сопротивление теплового барьера ниже или равно одной десятой части внутреннего гидравлического сопротивления канала; и/или
- конструкция включает в себя также средства регулирования расхода текучей среды в канале.

На прилагаемых чертежах показан вариант осуществления изобретения. На этих чертежах одинаковые обозначения относятся к идентичным элементам.

Фиг. 1 - схематическое частичное изображение конструкции в соответствии с настоящим изобретением и диаграмма давления снаружи конструкции.

Фиг. 2 - схематическое изображение в разрезе по линии II-II конструкции, показанной на фиг. 1.

Конструкция 1 в соответствии с настоящим изобретением, показанная на фиг. 1 и 2, является теплозащитной конструкцией, способной обеспечить защиту от сверхвысоких температур.

Она может применяться, в частности, в камере сгорания или реакторе с высокими температурами, а именно в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя при повышенных полетных скоростях (например, при продолжительном полете на сверхзвуковой скорости), или в качестве тепловой защиты внешних поверхностей летательных или космических аппаратов.

В представленном примере конструкция 1 выполнена в виде панели в основном плоской формы. Само собой разумеется, что в рамках настоящего изобретения теплозащитная конструкция может также иметь другую форму, например изогнутую. В соответствии с настоящим изобретением указанная конструкция может, в частности, выполнять роль передней кромки, а именно киля или винта.

В соответствии с настоящим изобретением структура 1 включает в себя:
- тепловой барьер 2 известного из уровня техники типа, образующего внешнюю стенку указанной структуры 1, подвергающуюся воздействию высокой температуры. Тепловой барьер 2 имеет сквозные отверстия 3;
- средства 4A охлаждения инжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу от конструкции через сквозные отверстия 3 теплового барьера 2, как показано стрелками 5A. Эта текучая среда, как известно, образует пограничный слой с пониженной температурой на внешней поверхности 6 теплового барьера 2; и
- средства 4B конвективного охлаждения, включающие в себя вторую охлаждающую текучую среду, циркулирующую внутри конструкции 1, как показано стрелками 5B, а именно внутри канала 7, представляющего собой камеру в форме параллелепипеда, внешняя стенка которой образована тепловым барьером и которая имеет внутреннюю стенку 8.

В соответствии с настоящим изобретением указанные первая и вторая охлаждающие текучие среды соответственно с продольным и поперечным потоками, как показано стрелками 5A и 5B, являются одной и той же текучей средой, поток которой обозначен стрелкой 5. Поэтому указанные средства 4A и 4B включают в себя один и тот же контур 9 питания текучей среды, описание которого следует ниже.

Таким образом, благодаря настоящему изобретению получают исключительно эффективную тепловую защиту, а именно за счет совместного действия комбинации из теплозащитных элементов 2, 4A и 4B. Конструкция 1 с успехом отвечает всем требованиям вышеперечисленных вариантов применения.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением благодаря вышеуказанной комбинации элементов 2, 4A и 4B конструкция 1 является исключительно простой, компактной и недорогостоящей.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением указанный контур 9 питания текучей среды, сообщающийся с каналом 7 через отверстия 10 и 11, включает в себя:
- средства 12 известного из уровня техники типа для регулирования давления текучей среды в контуре 9 и, в частности, в канале 7; и
- средства 13 известного из уровня техники типа для регулирования расхода текучей среды в контуре 9 и, следовательно, тоже в канале 7.

На фиг. 1 представлен также график, на котором показана кривая C, изображающая давление P на внешней стороне 6 конструкции 1 по ее продольному направлению X-X.

В соответствии с настоящим изобретением средства 12 регулируют давление таким образом, чтобы создавать в канале 7 давление, которое находится в зависимости от давления P снаружи конструкции 1.

В частном варианте осуществления настоящего изобретения они создают давление, превышающее или равное двойному значению максимального внешнего давления P0.

Такая разница в давлении позволяет осуществлять сверхкритическое или, по меньшей мере, критическое нагнетание первой охлаждающей текучей среды наружу от конструкции 1.

Вследствие этого, когда горячая внешняя среда встречает поток горячей текучей среды, например, в случае двигателя, такое нагнетание препятствует всякому контакту между этой горячей текучей средой и внешней стороной 6 конструкции 1, что обеспечивает ее механическую защиту.

Указанные средства 4B включают в себя также трехмерную систему 14, образованную сетчатой структурой 15 из металлических проводов с хорошей теплопроводностью. Система 14 выполнена внутри канала 7 и соприкасается с его стенками 2 и 8, позволяя тем самым увеличить теплообмен между охлаждающей текучей средой (стрелки 5B) и стенками 2 и 8. Кроме того, указанная система 14 обладает хорошей проницаемостью, поэтому она оказывает слабое гидравлическое сопротивление потоку текучей среды (стрелки 5B).

Это позволяет уменьшить толщину стенки 8 и массу указанных средств 4B.

В соответствии с настоящим изобретением отверстия 3 (а именно их количество, размер и распределение) и указанная система 14 взаимно рассчитаны с возможностью достичь определенного соотношения соответственных значений их гидравлического сопротивления. В предпочтительном варианте следует стремиться к обеспечению гидравлического сопротивления теплового барьера 2 со значением, меньшим или равным одной десятой гидравлического сопротивления указанной системы 14.

Это позволяет точно регулировать пропорции между количеством нагнетаемой текучей среды (стрелки 5A) и количеством текучей среды, циркулирующей в контуре (стрелки 5B) и обеспечивающей конвективное охлаждение.

Следует также отметить, что рабочая эффективность конструкции 1 определяется, в частности, в соответствии с настоящим изобретением двумя следующими регулируемыми параметрами:
- потоком текучей среды и
- отношением между количеством нагнетаемой текучей среды и количеством текучей среды, участвующей в конвективном охлаждении, причем оба параметра регулируются с пониженными значениями для применения настоящего изобретения.

Кроме того, в случае, когда конструкция 1 применяется на не показанном на чертежах летательном аппарате, использующем в качестве источника тяги сжигаемое топливо, например водород, это топливо можно использовать в качестве охлаждающей текучей среды, так как количество нагнетаемой текучей среды невелико, и, таким образом, конструкция 1 в соответствии с настоящим изобретением не понижает тяги и рабочих характеристик указанного летательного аппарата.

Теплозащитная конструкция и ее варианты относятся к двигателестроению и, в частности, к элементам конструкций, подвергающихся воздействию сверхвысоких температур, например, при изготовлении камер сгорания, в частности, прямоточных воздушно-реактивных двигателей или внешних теплозащитных пластин летательных аппаратов. Теплозащитная конструкция и ее варианты включают в себя средства охлаждения эжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу из указанной конструкции, средства конвективного охлаждения, включающие в себя вторую охлаждающую текучую среду, циркулирующую внутри конструкции, канал, в котором циркулирует текучая среда, содержащая первую и вторую охлаждающие среды. Теплозащитные конструкции также включают в себя тепловой барьер, образующий, по меньшей мере, часть внешней стенки конструкции и в котором могут быть выполнены отверстия, обеспечивающие эжекцию первой охлаждающей среды или создающие гидравлическое сопротивление, которое зависит от гидравлического сопротивления внутри канала. Теплозащитная конструкция включает в себя, кроме того, средства для регулирования давления текучей среды внутри канала, создающие давление, которое находится в зависимости от давления, существующего снаружи конструкции. Средства конвективного охлаждения могут содержать систему из теплопроводящих проводов. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения. 3 с. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплозащитная конструкция, включающая в себя средства (4А) охлаждения эжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу из указанной конструкции (1); средства (4В) конвективного охлаждения, включающие в себя вторую охлаждающую текучую среду, циркулирующую внутри конструкции (1), причем первая и вторая охлаждающие текучие среды являются одной и той же текучей средой; и, по меньшей мере, один канал (7), в котором циркулирует текучая среда, содержащая первую и вторую охлаждающие текучие среды, отличающаяся тем, что она включает в себя, кроме того, средства (12) для регулирования давления текучей среды внутри канала (7), причем средства (12) для регулирования давления внутри канала (7) создают давление, которое находится в зависимости от давления (Р), существующего снаружи конструкции (1). 2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что средства (12) для регулирования давления создают давление, превышающее или равное двойному значению максимального давления (РО) снаружи конструкции (1). 3. Конструкция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тепловой барьер (2), образующий, по меньшей мере, часть внешней стенки конструкции (1), причем тепловой барьер (2) имеет отверстия, выполненные с возможностью нагнетания первой охлаждающей текучей среды, и выполнен с возможностью циркулирования второй охлаждающей текучей среды внутри конструкции (1) по отношению к тепловому барьеру (2). 4. Конструкция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что средства (4В) конвективного охлаждения включают в себя систему (14) из теплопроводящих проводов (15), причем система (14) является проницаемой для текучей среды. 5. Конструкция по п. 4, отличающаяся тем, что система (14) выполнена внутри канала (7) и соприкасается, по меньшей мере, с одной из стенок (8) канала (7). 6. Конструкция по п.3, отличающаяся тем, что в тепловом барьере выполнены отверстия, обеспечивающие гидравлическое сопротивление, которое зависит от гидравлического сопротивления внутри канала (7). 7. Конструкция по п.6, отличающаяся тем, что гидравлическое сопротивление теплового барьера (2) меньше или равно одной десятой гидравлического сопротивления внутри канала (7). 8. Конструкция по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства (13) для регулирования расхода текучей среды в канале (7). 9. Теплозащитная конструкция, включающая в себя средства (4А) охлаждения эжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу из конструкции (1); средства (4В) конвективного охлаждения, включающие в себя вторую охлаждающую текучую среду, циркулирующую внутри конструкции (1), причем первая и вторая охлаждающие текучие среды являются одной и той же текучей средой, тепловой барьер (2), образующий, по меньшей мере, часть внешней стенки конструкции (1); и, по меньшей мере, один канал (7), в котором циркулирует текучая среда, содержащая первую и вторую охлаждающие текучие среды, отличающаяся тем, что в тепловом барьере (2) выполнены отверстия, обеспечивающие эжекцию первой охлаждающей текучей среды и создающие гидравлическое сопротивление, которое зависит от гидравлического сопротивления внутри канала (7). 10. Конструкция по п.9, отличающаяся тем, что гидравлическое сопротивление теплового барьера (2) меньше или равно одной десятой гидравлического сопротивления внутри канала (7). 11. Конструкция по любому из пп.9 и 10, отличающаяся тем, что средства (4В) конвективного охлаждения включают в себя систему (14) из теплопроводящих проводов, причем система (14) является проницаемой для текучей среды. 12. Конструкция по п.11, отличающаяся тем, что система (14) выполнена внутри канала (7) и соприкасается, по меньшей мере, с одной из стенок (8) канала (7). 13. Конструкция по одному из пп.9-12, отличающаяся тем, что она включает в себя также средства для регулирования расхода текучей среды. 14. Теплозащитная конструкция, включающая в себя: средства (4А) охлаждения эжекцией, нагнетающие первую охлаждающую текучую среду наружу из конструкции (1); средства (4В) конвективного охлаждения, включающие в себя вторую охлаждающую текучую среду, циркулирующую внутри конструкции (1), причем первая и вторая охлаждающие текучие среды являются одной и той же средой; и по меньшей мере, один канал (7), в котором циркулирует текучая среда, содержащая первую и вторую охлаждающие текучие среды, отличающаяся тем, что средства (4В) конвективного охлаждения содержат систему (14) из теплопроводящих проводов (15), причем система (14) является проницаемой для текучей среды, выполнена внутри канала (7) и соприкасается, по меньшей мере, с одной из стенок (8) канала (7). 15. Конструкция по п. 14, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тепловой барьер (2), образующий, по меньшей мере, часть внешней стенки конструкции (1), при этом тепловой барьер имеет отверстия, обеспечивающие возможность нагнетания первой охлаждающей текучей среды и выполнен с возможностью циркулирования второй охлаждающей текучей среды внутри конструкции по отношению к тепловому барьеру (2). 16. Конструкция по п.14 или 15, отличающаяся тем, что она содержит средства для регулирования расхода текучей среды в канале (7).