Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А. (1014157), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Из этого примера ясно, что надежное охлаждение стенок ка~еры ЖРД является одной из самых важных и сложны.; проблем, которые приходится решать при создании и отработке двигателя. Про.гесс теплооо»сна в камере ЖРД весьма сложен. Ог продуктов с1ораиия гепло в результате конвектпвиого теплообмсиа и ралиацци перелаегся стенкам камеры сгорания и сопла, распросграняс~ся в после ~них с помо~цьк> теплопровотигк ~и и лллгс либо акьумулиругэся в них !при отгуг,гвип наружно~о оллажпсиия), либ~ иерелаезся охэаьчзю ще») зггнгу. Именно г. такой последовательности и расс»а тривается обычно этот процесс.
На основе изучения оглельиых этапов теплоперелачи разрабатывается »столика расчета системы охлажления камеры. Система охлажления прелставляет собой совокупность мероприятий (включающих организацгио рабочего процесса в камере, охлаждение стенок и конструктивные разработки), которые обеспечивают целость камеры и неизменность ее геометрических размеров в течение всего времени работы лвигателя.
Нарушение целости камеры ведет к немедленной аварии, а изменение ее размеров --к нежелательному изменению тяговых харакмрисгик эконо»ичиостп двнга|гля. '!тооы из) шть оглельиь1с этапы ~гплоиерсЛачи, иеобхолпмо расс»г~грегь физическую карзииу т плообмеиа в ка»ерс ЖРД и ) словпя работы ее сгенок. Физическая картина теплообмена в камере ЖРД Т,= Т вЂ” (! — г) —, Ф Лир 2лер (3.! ) На рис.
3.! изображен пролольныи разрез типичной камеры ЖРД, огневая стенка которой охлажлается снаружи компонентом топлива, и показано ичменеиие темперагуры в олпом из ее поперечных сечений яа установившемся режиме р а гб оты. Пролукты сгорания, имеющие термолинамическую (сгатическую) температуру Т, лвижутся от головки к соплу со все возрастающей скоростью гв. Благодаря горению газовый поток сильно турбулизирован, и поэтому вследствие сильно развитой конвекции температура газа во всех точках поперечного сечения примерно одинакова. Исключение составляют области, непосредственно примыкающие к стенке. В этих областях, принадлежащих турбулентному пограничному слою с ламинарным подслоем, газ тормозится.
Его скорость падает, а температура возрастает, стремясь к температуре торАмт можения Т" = — Т+ — = р"Т„„рг. Однако вследствие отвода 2дср тепла в стенку температура Т* в пограничном слое не достигается, а повышается лишь ло так называемой температуры торможения на внешней границе пограничного слоя Т,. Величина Т, с температурой Т* связана соотношением где « — экспериментально определяемый коэффициент восстановления температуры. В условиях, характерных для камер ЖРД (развитый тур. з буленгиый поток), «=-з«Р», Лт,с, где Р» =- —,— — — критерий Прандтля.
Для продуктов сгорания ЖРД критерий Прандтля при. близитгльпо равен 0,74 — 0,76. Поэтому «=0,9 Через ламииариый под- 6 слой пограничного слоя пс- а редача тепла осугцествлясг ся одной только теплопро Г водностькк а так как теплопроводность газа мала, то лагмннарныи подслой оказы Г вает теплгтпсрсдачс большое термическое сопротивление. Вследствие этого в ламинарном подслое температура газа круто (почти по линейному закс~ну) падает от Т, до Т, „ — температуры внутреннеи поверхности ог- невой стенки камеры.
Раз- рнс, зл. изменение температуры н нОсть температур Те Та, е поперечном сечении охлажпаемой каобусловлпвает конвектйв- меры ЖРЛ ный тепловой поток д„от продуктов сгорания к стенке. Величина д„зависит также я от коэффициеггта теплоотдачи от газа к стенке ас. В соответ ствии с формулой Ньютона (3.2) 7„= з, (Т,— Т,,) Формулы для расчета а, расоматриваются в 5 3,2. Одновременно с коивективным тепловым потоком гг„вну~ тренняя поверхность огневой стенки воспринимает от продуктов сгорания поток лучистой энергии сгл, величина котоРого пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры газа Т, Значение д зависит также от степени черноты газа е„и степени черноты стенки е„. Расчетные фор.
мулы для с)и даются в 5 3.3. Обший удельный тепловой поток ат продуктов сгорания к внутренней поверхяости огневой стенки камеры у равен сумме конвективного и лучистого потоков: 149 Суммарный тепловой поток суз передается далее от внутренней поверхности огневой стенки к наружной путем одной только теплопроводности, Зомпсратура стенки при этом снижается от Т, с до Т„, в соответствии с уравнением тсплопроводности (З.З) записанным для плоской ' стенки, при условии, что коэффициент теплопроводности материала стенки Лм постоянен и отсутствует передача тепла вдоль ** стенки.
От наружной поверхности огневой стенки к омыва1ощей ее жидкости тепло снова передается путем конвективного теплообмена. Температура охлаждающси жидкости изменяется здесь от Тн, па стенке до ҄— оредней по сеченшо. Г!ри этом наиболее резко температура жидкости также изменяется в ламинарном подслое пограничного слоя, образующегося у наружной поверхности огневой стенки. Величина снимаемого жидкостью теплово~о потока и в этом случае опреиеляетгя рачиогтьнз температур Та с — Тм и значением коэффициента тсплоотдачи от стенки к жидкости ань Формулы для определения а,„привсдеяы в ч З.й Температура рубашки камеры практически равна Тш и слабо изменяется по толщине, так как у охлаждаемых камер тепло- отдача в окружающую среду (атззосферу) ничтожна.
В рассматриваемом установившемся режиме работы камеры суммарный тепловой поток ув, воспринятый внутренней поверхностью огневой стенки, полностью передается через стенку охлаждающей жидкости, поэтому параметры теплопередачи (Т„с, Тн с, Т, с)в и т. д.) остаются неизменными во времени. На неустановившихся режимах работы 1например, прн запуске и при выключении двигателя) все параметры ЖРД, в том числе и параметры теплопередачи, являются переменными. Проектные расчеты теплообмена в ЖРД обычно ведут для установившегося режима, соответствующего максимальной тяге двигателя.
Однако если двигатель имеет несколько длительных режимов работы (предварительную сту~ень, конечную ступень и т. д.), то, для того чтобы проверить надежность работы системы охлаждения, нужно произвести расчет теплообмена и для этих режимов, так как не исключено, что на одном из них может не обеспечиваться должная термостойкость стенок. * Огневая стенка камеры полагается плоской, потому что ее толщина значительно меньше радиуса кривизны. *' Продольный градиент температуры в стенке во много раз меньше поперечного (приблизительно на ава порядка).
150 Продукты сгорания не только нагревают стенки камеры н тем самым ухудшают характеристики прочности материала, из которо~о они выполнены, но и оказывают иа стенки также пагубное химическое я зрозионное воздействие. Химическое воздействие заключается в том, что активные окисляющие компоненты газа (атомариый и молекулярный кислород, фтор и т. п.), вступая в реакции взаимодействия с материалом стенок, вызывают его окисление (выгорание), чем ухудшают механические характеристики материала и из.
меняюг толщину стенок. Эрозпонное воздействие состоит в том, что размывается (отрываются н уносятся частицы) материал стенок потоком газа, движущимся с высокой скоростью. Если повысить температуру стенок, то эрозия усилится вследствие размягчения материала и может привести к недопустимому уменьшению тОлщины стенок и их раза!'н!ению. Таким образом, нагруженные высоким давлением газа, высоким давлением жидкости н тягой стенки камеры Ж!з:1 работают в очень тяжелых условиях, и поэтому их необходимо ззщпп!зть От чрезмл рното нагрева, окислюгия и зрозпн.
Рассмотрим, какими способамн осуществляется зта защита. Основные способы защиты стенок камеры от воздействия продуктов сгорания (классификация систем охлаждения) Способы (системы) защиты стенок камеры должны удовлетворять основному требованию — высокой надежности работы, т е. обеспечивать такук1 температуру стенок, прн которой после!!ние с!1Ог'1н бь1 надежно протпвост05П'ь Всем дей ствующим на ннх л!Схани1сскнъ! и тепловым нагрузкам (обычным и термическим напряжениям) и воздействиям. Эта температура позыва! !ся предельно допустимой Тга н зависит от природы материала. Однако высокая надежность нс должна достигаться нп за счет существ!нного снижения экономичности (удельной тяги) двигателя, ни за счет чрезмерного увеличения габарита п веса конструкции.
Именно с этих позиций и оценим системы защиты стенок камер современных ЖРД, Наиболее простой системой защиты является так называемое емкостное охлаждение, осуществляемое поср!дством значительного утолщения стенок, выполняемых к тому же из материала с высокой теплопроводностью н большой тепло- емкостью. Такая защита применяется у неохлаждаемых ка.
мер Сущность ее заключае!ся в том, что тепло, воспринимаемое внутренней поверхностью стенок, благодаря высокой теплопроводностн материала быстро передается в толщу стенок и аккумулируется в нпх. Вь!Сокая теплопроводность н большая теплоемкость, а таклке значительная тол!цина сте- 151 нок обеспечивают медленный темп роста Т,, Основной недостаток этой системы защиты — крайне ограннчснные возможности по замедлению роста Т,, до Тгп и большой вес конструкции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
