Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 23
Текст из файла (страница 23)
тор; Š†голов 4 2 1 д 2 1 ходим для сгорания одного и того же количества топлива, а следовательно, тем меньшую поверхность необходимо охладить. Отсюда и нижний предел минимальной тяги, при которой наружное охлаждение эффективно, тем меньше, чем меньше время превращения. Для обычно применяемых топлив этот предел находится значительно ниже 500 кГ (=5000 н). В то же время для медленно горящих топлив, требующих большего времени пребывания, наружное охлаждение может оказаться недостаточным даже при большей тяге. Прн очень ограниченных количествах горючего и окислителя для охлаждения иногда применяют оба компонента.
При этом один из них охлаждает сопло двигателя, а второй — камеру сгорания (рис. 4. 3, б). Иногда второй компонент используется для снижения температуры компонента, непосредственно охлаждающего камеру двигателя, и при этом подогоевается сам (рис. 4. З,в). Наружное охлаждение компонентами также может применяться и при использовании в качестве топлива паров ннзкокипящих компонентов (например, кислород+водород).
Специфика такого наружного охлаждения заключается в том, что охладитель находится в жидком состоянии только на начальном участке охлаждающего тракта, основная же часть поверхности камеры охлаждается газообразным охладителем. На рис. 8. 7 приведен пример упрощенной схемы охлаждения камеры низкокипящим компонентом — водородом.
Жидкий водород поступает в насос б и оттуда в охлаждающий тракт, где он испаряется, так что ббльшая часть поверхности камеры охлаждается газообразным во- 118 дородом, который нагревается при этом до 200 — 250' К (см. $ 4.!3). Кроме того, были проекты с предложением охлаждать ЖРД больших тяг водой таким образом, чтобы в охлаждающем тракте вода нагревалась до температуры кипения [25].
Образующийся при этом пар поступает в турбину и используется для привода насосов, подающих компоненты. Внутреннее охлаждение При внутреннем охлаждении температура стенки Т„„снижается благодаря защите ее жидкостной пленкой или газовым слоем пониженной по сравнению с ядром температуры, создаваемой с внутренней стороны стенки.. Такой слой обычно называют и р и с т е н о ч н ы м ел о е м. Если при наружном охлаждении задача сводится к тому, чтобы как можно эффективнее отбирать тепло, поступающее в стенку, не защищенную от воздействия нагретых до высокой температу- г 5 4 5 ры газов, то при внутреннем охлаждении путем создания прнстеночного слоя пониженной температуры снижаются тепловые потоки в стенки камеры двигателя.
Температура газа в пристеночном слое снижает- ся за счет искусственного а) 5 обогащения этого слоя одним из компонентов, кото- 7 4 рый в этом случае и является охладителем. Обычно таким компонентом является горючее (хотя защитным слоем явился бы и присте- 5 ночный слой с избытком окислителя). Для внутреннего охлаждения можно использовать также воду или газ.
Ю) Избыток горючего для создания пристеночного слоя ного слон Рис. 4. 4. Схемы создания пристсночного слоя подается или через форсун- для внутреннего охлаждения: кн, раСПОлОжЕнНЫЕ По ПЕРИ- а — с помощью периферийных форсунок; б — с яомоюью ферни головки, или через пояоое охлажденйя. ! — окисаитеаь; 3 — горючее; 5 — стенка камеры а — по- специальные пояса, которые граничный слой; 5 — прнсгеночный слой; б — перифе. МОгут бмтЬ раСПОЛОЖЕНЪ| Рийные фопсгнкн; ™Дкий охлаДитель 5 — йонса подачи охладителя как непосредственно у головки камеры двигателя, так и в цилиндрической и сопловой частях камеры.
' При подаче избытка горючего через периферийные форсунки (рис. 4. 4, а) происходит смешение н сгорание компонентов у стенки прн а«! с образованием пристеночного слоя продуктов сгорания, который н защищает стенку от высоких тепловых потоков. Преимуществом такой организации внутреннего охлаждения является простота создания защитного пристеночного слоя без каких-либо усложнений конструкции камеры. Однако с увеличением длины камеры экономичность этого способа охлаждения ухудшается, так как чем дальше отдален участок стенки от головки, тем больше сказывается размывание прнстеночного слоя. 119 Для некоторых двигателей более экономично, но конструктивно более сложно, внутреннее охлаждение охладителем, подаваемым через специальные пояса (рис. 4.4, б).
При подаче жидкости через пояс охлаждения механизм защиты стенки от прогара можно представить следующим образом (рис. 4. 5). Под воздействием высоких тепловых потоков жидкость испаряется и над слоем жидкости создается защитный слой из паров жидкости и продуктов сгорания (если в слое происходит реакция сгорания). Таким образом, получаются как бы два защитных слоя: жидкости н пара. Поступающая жидкость, увлекаемая с большой скоростью потоком продуктов сгорания, растекается по стенке камеры очень тонким слоем. б) Рис, 4. З. Схема защитного действия внутреннего охлаж- дения: а †пода через пояс аклвжденип; 6 †порист охлаждение; 4 — охладитель; 2 †порист стенка; 3 †жидкостн слой; 4 †паров защитный слой; 5 †пот продуктов сгорании За счет испарения толщина парового слоя над жидкчстью нарастает по направлению движения потока продуктов сгорания ))о участка, где жидкость испарится полностью.
За этим участком происходит уже постепенное уменьшение толщины парового слоя ввиду перемешивания его с основным потоком, т. е. размывания завесы, однако интенсивность размывания парового слоя относительно невелииа и поэтому защитное действие слоя сохраняется на относительно больших расстояниях. Так как плотность пара охладителя во много раз меньше плотности жидкости, то и толщина парового слоя больше толщины слоя жидкости.
Кроме того, поскольку теплопроводность пара во много раз меньше теплопроводности жидкости, термическое сопротивление парового слоя в несколько раз выше термического сопротивления жидкостного слоя. В результате совместного влияния этих двух факторов основным защитным слоем можно считать слой пара (или смеси пара с продуктами сгорания).
На рис. 4. 6 приведены данные опытов по изменению тепловых потоков в различных сечениях по длине камеры ЖРД, в зависимости от секундного расхода воды, подаваемой на внутреннее охлаждение. 1'20 Так, например, в сечении Л 8 1критическое) при расходе воды до 1 г/сек теплоотдача в стенку камеры двигателя почти не изменяется, так как весь образовавшийся при этом пар смывается потоком газа. При дальнейшем увеличении расхода охлаждающей воды образуется паровая завеса и тепловые потоки в стенку камеры заметно уменьшаются прямо пропорционально расходу охладителя на завесу. Однако при расходах охладнтеля выше 18 г/сек дальнейшего заметного уменьшения тепловых потоков уже не происходит. Причина этого явления состоит в том, что как только жидкостная пленка дошла до рассматриваемого 7,0 7 -б гоннибо. 75% Сьиьзи ьаь Нь дт нналгнь ьао бнладитоль — бодо яб ч,бб Зб 1,72 г,ь 2,79 ь,бб 7,2 5 Ю н 20 дь ггаон Риа.
4.б. Влияние внутреннего оклажления на велвчину тенлового потока участка и, таким образом, вся поверхность сопла от пояса подачи охлаждения до сечения 8 оказалась покрытой жидкой пленкой, дальнейшее увеличение расхода охладителя не изменяет поверхности жидкости, с которой происходит образование пара, защищающего данный участок стенки, а следовательно, и толщины парового защитного слоя над рассматриваемым участком. Это приводит лишь к увеличению толщины жидкого слоя, что, как было сказано, существенного влияния на тепло- обмен не оказывает. Таким образом, основной задачей при организации внутреннего охлаждения является создание устойчивой паровой завесы у стенки.
Разновидностью внутреннего охлаждения является так называемое пор истое о х л а ж де ни е. В этом случае стенку камеры изготовляют из пористого материала и охладитель поступает через поры равномерно по всей поверхности камеры (см. рис. 4. 5, б). В качестве охладителя при пористой стенке могут быть использованы как жидкость, так и газ.
При пористом внутреннем охлаждении для создания надежной завесы требуется незначительное количество охладителя. Выполнять камеру целиком из пористого материала нет необходимости, так как 121 устойчивую паровую завесу можно создать и с помощью пористого пояса охлаждения. Недостатком имеющихся пористых материалов является то, что при работе двигателя поры могут быстро засоряться. Поэтому очень трудно создать пористый материал с постоянным по времени гидравлическим сопротивлением на всей поверхности материала. В известных конструкциях ЖРД внутреннее охлаждение осуществляется либо с помощью периферийных форсунок в головке ЖРД, либо ль а) Рис. 4. 7.
Схемы поясов подачи внутреннего охлаждения: а †по отверстий; б — щелевай пояс с помощью специальных поясов охлаждения, выполненных в виде кольцевой щели или ряда отверстий иа камере сгорания (рис, 4. 7) По-видимому, можно так организовать внутреннее охлаждение, что оно обеспечит работу камеры двигателя в течение необходимого времени без прогара. Однако при одном только внутреннем охлаждении потре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
