Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 22
Текст из файла (страница 22)
2. Зависимости Т, „: а — от скорости движения охлаждающей жидкости ш, б — ат коэффициента теплопроводности металла Ы вЂ” — — †п больших значениях ш нлв >. которое после преобразования примет вид Т „=-Т..+— (4. 4) т. е. при увеличении аж температура Т „уменьшается. В свою очередь тепловой поток передается через стенку камеры теплопроводностью, т.
е. пв= — 1Г,„— Т „), (4. 5) ст где )ь — коэффициент теплопровадности материала стенки камеры, откуда (4. б) 114 Таким образом, при одних и тех же металле, толщине стенки бст н удельном тепловом потоке дв температура газовой стенки Т„„будет тем меньше, чем меньше температура стенки со стороны жидкости Т Однако при понижении Т „суммарный тепловой поток от газов в стенку камеры двигателя несколько возрастет за счет уменьшения Т„, (4, 2), что приведет снова к росту Т, „, Т „и т. д. В конце концов, стационарный режим охлаждения после увеличения скорости охлаждающей жидкости устанавливается при меньших Т„„ и Т „, чем это имело место до увеличения скорости (рис. 4.
2, а). Таким образом, температура газовой стенки Т, „в большой степени зависит от скорости движения охлаждающей жидкости: чем скорость больше, тем меньше Т„„. Следовательно, необходимую Т,„можно выдержать, повышая скорость движения охлаждающей жидкости и, например, путем уменьшения проходного сечения охлаждающего тракта. Влияние поверхностного кипения охлаждающей жидкости на величину Т„„ В процессе теплоотдачи от стенки камеры сгорания к охлаждающей жидкости возможны два случая соотношения между Т „и температурой кипения жидкости Т, при данном давлении в охлаждающей полости: эк.с1 ~ Т5 Т'~;.с~ ) Т5' (4. 7) В первом случае закипание жидкости в охлаждающем тракте невозкожно.
Во втором случае охлаждающая жидкость может закипеть на поверхности жидкостной стенки камеры. Если при этом масса жидкости имеет температуру, меньшую, чем Т„то образующиеся на поверхности жидкостной стенки пузырьки пара будут смываться потоком жидкости и конденсироваться в более холодном ядре потока. Таким обраюм, эти пузырьки, турбулизируя поток, будут увеличивать теплоотдачу пт стенки к жидкости, т, е.а будет возрастать при той же скорости движения охлаждающей жидкости. Увеличение а. за счет поверхностного кипения приведет к тем же результатам, что и увеличение а за счет увеличения скорости, т.
е. к уменьшению Т„„ при некотором увеличении суммарного потока дз . Условия охлаждения стенки в этом случае могут быть улучшены без повьгшения давления подачи охлаждающей жидкости для увеличения скорости ее движения. Однако интенсивное кипение на поверхности может привести к столь энергичному парообразованию, что пузырьки пара, не успевая смываться потоком жидкости, будут образовывать сплошную пленку пара на поверхности стенки. Так как пар плохо проводит и передает тепло, то в этом случае коэффициент теплоотдачи а~ резко упадет, что приведет к обратному результату — увеличению Т„„ к, возможно, к прогару стенки.
Зависимость Т,,, от теплопроводности л материала камеры двигателя Как видно из соотношения (4. 6), Тг,ст=Вз ." +Ты.ст пря одних и тех же значениях Т.„, „., б„п д, температура газовой стенки Т,„будет тем меньше, чем больше коэффициент теплопроводности материала стенки Х. Однако и здесь с уменьшением Т, „ в соответствии с выражением (4. 2) возрастет суммарный тепловой поток д,, за счет чего Т„„снова немного поднимется. И в этом случае (так же, как и в случае снижения Т„„при увеличении а ) стационарный режим охлаждения устанавливается при меньшем значении Т,„, чем это имело бн место для стенки с меньшей величиной 115 Как следует из выражения (4.
5), кривая падения температуры по толщине стенки двигателя с ростом 1. будет более пологой, Так как д, немного возрастет, то возрастет и Т .„(4. 4). Таким образом, линия изменения температуры по толщине стенки при металле с ббльшим 1, пересечет линию изменения температуры по толщине стенки, соответствующую меньшему Х (см. рис. 4.2,б). Следовательно, для изготовления камер ЖРД целесообразно использовать материалы с возможно ббльшим коэффициентом теплопроводности Х. Однако, как правило, подобные металлы быстро теряют свою прочность с возрастанием температуры.
Зависимость Т, „от толщины стенки камеры двигателя б„ Из выражения (4. 6) также видно, что при неизменных Т „и с)т температура газовой стенки Т„„будет тем меньше, чем меньше толщина стенки б„. Хотя с уменьшением Т„„тепловой поток дт согласно выражению (4. 2) немного возрастет, стационарный режим охлаждения установится при меньшей Т„„. Следовательно, камеры ЖРД желательно делать с возможно меньшей толщиной стенки б„.. Влияние давления и температуры в камере сгорания на значения Тт.ст и 9 С увеличением давления в камере увеличивается плотность движущегося в ней газа.
В связи с этим растут коэффициент теплоотдачн от газа к стенкам сс и величина конвективного потока д„(см. 8 4. 6). Увеличение давления в камере двигателя приведет также к возрастанию парциальных давлений компонентов рн,о и рсо„из излучения которых складывается лучистый тепловой поток в стенку д,„(см. $4. 8).
Таким образом, увеличение давления приводит к возрастанию суммарного удельного теплового потока в стенку камеры двигателя д и в соответствии с формулами (4.4) и (4.6) — к увеличению Т„,„и Тт.ст. Правда, с ростом Т,„тепловой поток с1, несколько уменьшится, но новое стационарное состояние установится при новых, ббльших значениях Т .ст и Чт ° Таким образом, увеличение давления в камере двигателя при прочих равных условиях приводит к увеличению Т„„и с!т . С увеличением Т, конвективный и лучистый тепловые потоки возрастают, что так же, как и повышение давления в камере, приводит к возрастанию Тт..
и Чт . Поэтому часто при создании ЖРД, работающих на топливах с ббльшей теплотворной способностью Н„, требуется и более интенсивное охлаждение камеры двигателя. Влияние размеров и формы охлаждающего тракта на Т„„ С уменьшением проходного сечения охлаждающего тракта увеличивается скорость движения охладителя. Влияние формы охлаждающего тракта проявляется за счет э ф ф е кт а о р е б р е н и я. Наличие продольных или винтовых ребер, гофров, трубок и т, д, увеличивает поверхность теплосъема со стороны охладителя. Последнее приводит к увеличению эффективного коэффициента теплоотдачи от жидкостной стенки к охладителю и, следовательно, к уменьшению Т,,„.
Степень влияния эффекта оребрения на Т,,„в боль- !16 шей мере зависит от теплопроводности материала внутренней оболочки камеры двигателя (см. й 4. 1!). Влияние режима работы двигателя иа Т, „ При эксплуатации ЖРД на различных режимах работы камеры, охлаждаемой, одним из компонентов, расчетным обычно является режим наибольшей тяги. При переходе двигателя на работу с меньшей тягой падает давление в камере сгорания рз и несколько уменьшается Ть в результате чего уменьшается тепловой поток д, .
Однако при уменьшении тяги одновременно уменьшается расход компонента-охладителя, а следовательно, н скорость охладителя по тракту ш, и коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости а . Так как поверхность охлаждения камеры остается неизменной, то уменьшение расхода охладителя может привести к такому росту Т„„что охладитель может закипеть.
Таким образом, при снижении тяги, несмотря на уменьшение теплового потока дв, температура газовой стенки Т,„может возрасти. Поэтому, если двигатель должен работать на переменной тяге, необходимо делать проверочный расчет охлаждения на режиме меньшей тяги. Рассмотрев основные факторы, влияющие на эффективность наружного охлаждения камеры двигателя, можно сделать следующий вывод. Для уменьшения Т„„, при наружном охлаждении следует повышать скорость движения охлаждающей жидкости; камеру двигателя желательно изготовлять из возможно более теплопроводных металлов прп наименьшей толщине стенки и максимальной поверхности охлаждения; охлаждение должно быть эффективным на всех эксплуатационных режимах ЖРД.
Если невозможно обеспечить допустимую величину Т„„только наружным охлаждением, то необходимо уменьшить тепловые потоки в стенку, либо применив дополнительно другие виды охлаждения (внутреннее), либо защитив ее с помощью термостойких покрытий. 4. 2. СПОСОБЫ ОХЛАЖДБНИЯ ЖРД Наружное охлаждение Простейшая схема наружного охлаждения одним из компонентов топлива приведена на рис. 4. 3, а. Охлаждающая жидкость поступает в коллектор ! и из него в охлаждающий тракт. Проходя по тракту, жидкость охлаждает стенки и при этом сама нагревается.
Нагретая жидкость выходит из зарубашечной полости и поступает в головку 4 Как уже указывалось, при наружном охлаждении камера двигателя охлаждается обычно самими компонентами. Охлаждающей жидкостью может служить и горючее, и окислитель. Следует отметить, что каждому топливу и давлению в камере рз соответствует минимальная тяга, ниже которой одно только наружное охлаждение становится недостаточным. Причина здесь в том, что с уменьшением номинальной тяги (при постоянном рз) необходимый ооъем камеры сгорания уменьшается пропорционально суммарному расходу топлива, в то время как охлаждаемая поверхность камеры уменьшается при этом только пропорционально степени 2/з. Таким образом, чем меньше номинальная тяга двигателя, тем больше отношение охлаждаемой поверхности камеры к ее объему. Кроме того, при уменьшении диаметра критического сечения О,р при прочих равных условиях нормальный к стенке конвективный тепловой поток д„по формуле (4.
18!) возрастает пропорционально Р „— „~ ". Все это приводит к тому, что в ка- 117 мерах малых тяг в охладитель поступает ббльшая часть тепла, выделяемого при сгорании топлива, чем в камерах больших тяг. Так, для камеры сгорания тягой порядка 500 кГ (=5000 н), работающей на углеводородных горючих в паре с кислородом или азотной кислотой, при р,=20 кГ)сма (=1,98 Мн1лс') количество тепла, идущего в охладитель, составляет приблизительно 2о1о от общего количества выделенного тепла.
Для двигателя же ракеты А-4, имеющего тягу 25 Т (=0,25 Мн), это тепло составляет уже только 0,7о)о; т. е. чем больше тяга двигателя, тем легче осуществить наружное охлаждение камеры. При сопоставимых тяге и давлениях чем больше скорость полного превращения топлива в продукты сгорания, тем меньший объем необ- Охла дитель Они с ли тель 1 2 1 Рис. 4. 3. Схемы наружного охлажде- ния: а-одним компонентом б, е — дарма компонентами; 1 — входной коллектор; т— охлаждающий траат; Х вЂ” выходной вовлек.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
