Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А. (1014157), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Поэтому она используется в камерах небольших размеров и с малым (до 5 — 7 сек) временем работы. Дальненшсе замедление темпа роста Т, „а следовательно, и увеличение промежутка времени, в течение которого Т, „, неохлаждаемой камеры повысится до предельно допустимого значения Т„р, может быть достигнуто прим(ненн~м покрытия внутренней поверхности стенок камеры огн~унорными (жарОпрочными) матерпаламн с низкой тшшонроводностью. Вследствие низкой теплопрововности Огнеупорный слой обладает большим термическим сопротивлением и резко снижает тепловые потоки в стенку камеры.
Несмотря на то что температура огнеупорного слоя (при отсутствии отвода тепла), а следовательно, и температура стенки камеры с течением времени будут непрерывно возрастать, такой способ защиты (футеровка) теоретически является целесообразным, поскольку он не снижает экономичность двигателя и не увеличивает существенно вес камеры.
Однако на практике футеровка трудно реализуется, так как предяазначенный для этого огнеупорный материал должен иметь высокую температуру плавления, низкую теплопроводность, высокие антикоррозконные качества, хорошую сцепляемость с материалом стенки, одинаковый с последним коэффициент линейного расширения, чтобы не растрескиваться и не разрушаться при разогревании и охлаждении ка. меры, выдерживать без разрушения большие градиенты теем пературы и т.
д. Одним из перспективных вариантов этого способа может служить теплозащита стенок абляцией, при которой происходит частичный, заранее предусмотренный унос защитного слоя в процессе его оплавления илн сублимации (возгонки). Из сказанного ясно, что возможности охлаждения внутренней поверхности огневой стенки камеры как путем аккумуляции тепла самой стенкой, так и путем абляции весьма ограничены. Поэтому все длительно работающие камеры ЖРД имеют систему теплозащиты, основанную на использовании охлаждающих жидкостей, которыми обычно служат один или оба компонента топлива, а иногда и специальный хладоагент. В настоящее время наиболее распространенным способом теплозащиты является наружное проточное Охлалтдение, которое обеспечивает непрерывный отвод тепла от наружной поверхности огневой стенки в жидкость, циркулирующую в тракте охлаждения, т.
е. в пространстве, образованном огне. вой стенкой и рубашкой камеры. 152 Если огневая стенка камеры омывается компонентами топлива, охлаждение называют регенеративным, поскольку тепло, отобранное у продуктов сгорания в зарубашечном пространстве, возвращается (регенерируется) в камеру горючим или окислителем (или обоими вместе). Если жидкость из зарубашечного пространства не поступает в камеру, охлаждение называют независимым.
Независимое охлаждение обычно применяют в камерах, предназначенных для исследовательских целей Охлаждающая жидкость вводится в зарубашечиое пространство либо со стороны среза сопла (рнс. 3.2,а), либо в районе критического сечения (рис. 3.2,6). Последняя д б Рис. 3.2.
Схемы ввода жидкости в тракт охлаждения схема способствует уменьшению гидравлических потерь в тракте охлаждения, а также выгодна и тем, что наиболее теплонапряженная, примыкающая к критическому сечению часть камеры омывается холодной жидкостью и охлаждается более надежно. В отдельных случаях охлаждающая жидкость может вводиться в зарубашечное прсэсъра~нство и со стороны головки — прямотоком по отношению к продуктам сгорания. Одним из достоинств наружного регеиеративного' охлаждения является то, что оно почти не влияет на рабочий процесс в камере, а следовательно, не снижает экономичности двигателя (не уменьшает его удельной тяги).
Кроме того, при этом способе защиты стенок почти отсутствуют теплопотери в окружающую среду ввиду малой разности температур рубашки камеры и окружающей среды. Серьезный недостаток наружного охлаждения — его ограниченные возможности (см, ф 3.4). С помощью наружного охлаждения могут быть сняты тепловые потоки, не превышающие кл.пл (10 —:20) 10' — „, „. Кроме того, наружное охлаждение не за. втищает стенки от окисления и эрозии. ' П ° ..---. пэ аловой энергия продуктов сгорания отдается охлаждающей жидкости, что приводит к потерям удельной тяги. Другиеи распространенным способом защиты стенок камеры является внутреннее охлаждение. Его сущность заключается в том, что вблизи внутренней поверхности огневой степки тем или иным способом создается защитный (прнстсночный) слой жидкости или низкотемпературного газа (пара).
Существует несколько разновидностей внутреннего охлаждения камеры. Если низкотемпературный пристеночный слой создается соответствующим расположением и подбором параметров периферийных форсунок головки, то внутреннес охлаждение называют распределительным. Обычно при распределительном охлаждении пристеночный слой обогащают горгочим, для того чтобы полуОхаааиаг еаа чить восста~новительыую среду, химически не реагирующую с материалом стенок.
Такую же за- ЩНГУ Можгт ()ОРСПШИМЬ И НИЗКО- температурный газ, првготовленньш в отдельном агрегате (например, в газогенераторе) и введенныи через головку вдоль стерис. ад. Схемы ввода жидкости нок камеры для внутреннего охлаждсния Следующим вариантом вну- стсиок камеры: треннего охлаждения является à — отверстав; 2 — ягела подача жидкого компонента топ- лива (также обычно горючего) в виде пленки на внутреннюю поверхность огневой стенки через специальные отверстия 1 или кольцевые щели 2 в последней (рис. З.З). Этот способ внутреннего охлаждения называют пленочным. Дальнейшей ступенью развития пленочного внутреннего охлаждения является пористое охлажде~ние, заключающееся в создании защитного пристеночного слоя путем подачи жидкого компонента топлива через огневую стенку, имеющую огромное количество микроскопических отверстий — пор (рис.
3.4). На огневой поверхности пористой стенки в зависимости от расхода охладитель может находиться в жидкой, паровой или парожидкостной фазе. Внутреннее охлажде~ние имеет один большой недостаток; оно снижает экономичность двигателя (уменьшает его удельную тягу) вследствие химического недожога, так как определенная часть топлива в пристеночнолг слое сгорает при большом избытке одного из его компонентов. Кроме того, внутреннее охлаждение уменьшает удельный вес топлива, так как горючее (обычно подаваемое для внутреннего охлаждения) имеет меньший удельный вес, чем окислитель. Поэтому внутреннее охлаждение уступает наружному. Оно применяется главным образом как дополнение к более экономичноаг) наружному, когда последнее не в состоянии обес.
154 печать надежную защиту стенок от воздействия продуктов сгорания. В этих случаях говорят, что камера имеет комбинированную систему охлаждения. В более широком смысле комбинированными называют такие системы охлаждения, которые являются сочетанием рассмотренных выше отдельных способов защиты стенок. После общего знакомства с пробле- йроррктм сгорание Пористая Зашитньй стенка =~х мТЯо"--.===-'- слой пара йлладительй:: '::::: .''::: Заолитнь~й =:== слой миолости ррйамка капоре~ Рис.
ЗЛ. Схема пористого впхтренивго охлаждения ной теплообмена в ЖРД перейдем к количественной оценке параметров теплопередачи в камере двигателя. й Ззп КОНВЕКтИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ПРОДУКТАМИ СГОРАНИЯ И СТЕНКАМИ КАМЕРЫ ЖРД Определение величины ди )хонвективный теплообмен между продуктами сгорания н стенками камеры лКРД по сравнению с аналогичным процессом в других тепловых машинах и теплообменных аппаратах имеет ряд специфических особенностей, заьиетно повышающих его интенсивность. Одна из основных особенностей состоит в том, что продукты сгорания представляют собой диссоциированиую, химически активную газовую смесь.
При перемещении частиц газа (в результате турбулентной диффузии) в низкотемпературную зону пограничного слоя в последней происходят экзотермнческие реакции рекомбинации, Поэтому продукты сгорания передают стенкам не только энергию молекулярного движения (физическое тепло), но и теплоту химических реакций рекомбинации. При этом, конечно, становится переменным и состав газа поперек пограничного слоя. Другой особенностью является то что газовый тракт камеры представляет собой короткий канал, т.
е. канал с малым отношением длины к диаметру. В таких каналах гидродина|мнческая стабилизация турбулентного потока не достигается, и, следовательно, камеру ЯРД можно рассматривать 1бб как начальный участок нестабилизированного турбулентного |ечения. Как известно, в этих случаях ламинарный подслой пограничного слоя будет более тонким, чем при полной стабилизации турбулентного потока, его тепловое сопротивление — меньшим, а теплоотдача к стенке — более интенсивной.
И наконец, высокие скорости движения сжимаемого газа в докритической и особенно закритической частях сопла ис позволяют пренебрегать выделением тепла вследствие трения газа о стенки камеры, что также повышает интенсивность теплоотдачи к последним. Процесс конвективного теплообмена в камерах ~КРД определяется многими факторами, находящимися в сложной зависимости друг от дру~а. Сильная турбулизация газового потока, горение, сложность и нестабильность процессов в пограничном и пристеночном слоях по длине камеры и пх зависимость от характеристик форсунок, режима работы камеры и свойств топлива — все это вместе взятое очень затрудняет аналитическое определение величины конвективных тепловых потоков.
В таких случаях прибегают к помощи научно обоснованного эксперимента, организуемого в соответствии с требованиями теории подобия. Рассмотрим вначале тепло- отдачу к стенкам камеры от газа постоянного состава, движущегося относительно них с высокой скоростью, а затем учтем влияние рекомбинации продуктов сгорания в пограничном слое. Как уже указывалось, удельный конвективный тепловой поток вычисляется в этом случае по формуле су,=а, (Т, — Т,,). Входящая в эту формулу величина Т, определяется соот. ношением (3.1), в котором температура тор~можения Т* одинакова во всех сечениях камеры и равна произведению ~'Т„„,р (Т„„,р — термодинамически равновесная температура продуктов сгорания, отвечающая заданным давленшо в камере р, и соотношению между компонентамп топлива й).
Причем если камера не имеет пристеночного слоя, то й=й„, в противном случае й=й„,. Величиной Т,, обычно задаются исходя нз свойств материала огневой стенки камеры и ресурса двигателя, а затем уточняют ее значение в ходе дальнейшего расче~а теплопередачи. Таким образом, для расче~а локальной (г, е в данном сечении камеры) величины з„остается установить только локальное значение коэффициента теплоотдачи а„. Как уже указывалось, аналитически определить з, очень трудно, поэтому, чтобы найти локальное значение а,, обычно используют полуэмпирическую критериальиую зависимость, усгп 1М новленную при экспериментальном изучении конвективного Геплообмснз В ~р)бах и каналах: Хп = А ( — „) Рте Рг" ( — '), (ЗА) ~Так как согласно уравнению неразрывности О Нгв д в !57 вс1 где гвп = — — критерий Нуссельта; Ке =- — --- критерий Рейпольдса; вят !" 'е )в~ -.-' -'-..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
