Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Рассмотрим упрощенный способ учета влияния пристеночного слоя. В обычных пределах соотношения ъ„/т=0,3 —:0,6 уменьшение интенсивности излучения в стенку можно принять постоянным и тогда выражение для приближенного расчета д, будет 4,„=0,55- „, о„ (4.189) где о„, — удельный лучистый тепловой поток при отсутствии внутреннего охлаждения (4. 185); е„„~,— эффективная степень черноты стенки; 0,65 — коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности излучения при внутреннем охлаждении; Ч~ — коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности излучения ядра потока из-за уменьшения поверхности излучающе- го объема продуктов сгорания по сравнению с поверхностью камеры сгорания, воспринимающей излучение: ЕЗ,,— 2Н Е,— 2Н й„. Е, где /з„— диаметр камеры сгорания; Н вЂ” шаг между форсунками; Е,,' — длина камеры сгорания до критического сечения.
Таким образом, определив величину лучистого теплового потока прн о|сутствии внутреннего охлаждения в порядке, приведенном выше, окончательное значение лучистого теплового потока с учетом пристеночного слоя д „мы находим по формуле (4. 189). (4. 190) 4. 9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ОТ СТЕНКИ К ОХЛАЖДАЮЩЕИ ЖИДКОСТИ где а — коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости; Т .„— температура жидкостной стенки; Т вЂ” температура жидкости. Коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости а~ наиболее целесообразно определять, используя критериальные уравнения, пол) ченные в результате обработки опытных данных по теплообмену в каналах различного сечения.
Применительно к теплоотдаче в охлаждающем тракте ЖРД при наличии высоких тепловых потоков целесообразно и достаточно надежно применение формулы М. А. Михеева [84]; оп =0 021Кез г Ргг 47. (4. 192) В данной формуле определяющей температурой является температура охлаждающей жидкости Т, а определяющим размером — эквивалентный (гидравлический) диаметр охлаждающего тракта дэ. Подставив в формулу (4. 192) выражение )Чц, Ке и Рг.
получим — "' = 0,021 ( — ') ~~~" ) (4.193) где а.— коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости в ккал/мг сек град (вт/м'град); Х вЂ” в ккал/м сек.град (ет/м град); др.— в кг/м.сек (или Р в н сек/м'); с — в ккал/кг град (дж/кг град) и Т,,— в кг/мг соответственно — теплопроводность, вязкость, теплоемкость и плотность охлаждающей жидкости, взятые при средней температуре ее на данном участке; а, — эквивалентный диаметр поперечного сечения канала в м, под. считываемый из выражения Н где /.— площадь поперечного сечения канала в м'; Ц вЂ” полный (смоченный) периметр сечения независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене; 164 От стенки к охлаждающей жидкости тепло передается путем конвекцпи. Величина теплового потока от стенки к охлздителю определяется выражением с=а, (Т „„— Т,), (4.! 91) р — коэффициент, учитывающий направление теплового потока и темпе13атУРный нано!3 (сх 3 = тассе 7ас) Опыт показывает, что при нагревании жидкости, т.
е. при направлении теплового потока от стенки к жидкости, интенсивность теплообмена выше, чем при обратном направлении теплового потока, т, е. при охлаждении жидкости. Кроме того, интенсивность теплообмена зависит также от температурного напора, т. е. от величины Т „— Т . С увеличением температурного напора коэффициент теплоотдачи а при нагревании жидкости возрастает, а при охлаждении убывает. Зависимость теплоотдачи от направления теплового потока и температурного напора обусловливается тем, что поля температур и вязкости в пограничном слое и толщины самого пограничного слоя прн Ц 0,26 1 0,2 0,22 2 010 0,1 0,14 5 4 4 5 7 0,06 6 6 0,02 0 0,0 О 50 100 150 200 Т~ С О 50 100 150 200 Т„ 'О Рнс.
4.25. Значение комплекса 27 7 — Н,О; 3 — 80% НМО, Е 30%клен 3 — 73",,-лый С,Н,ОН, 3 — 03",,-лый С,Н,ОН; — — селла По уравнению неразрывности Сохл "7',"Ы = —, Улс (4. 197) сле С,тл — секундный расход охладителя через рубашку охлаждения в кг!сек; — площадь поперечного сечения охлаждающего тракта в лсг. Подставив выражение (4. 197) в равенство (4.!96) и Обозначив 0,43 )0,37 (4.198) получим О 021 1стпхлхо 3 ) 0 ккал!мгсек град. 165 нагревании и охлаждении жидкости различны.
Эта зависимость и учитывается коэффициентом "=! — ") ' =( н' " '" ) (4.195) ГЛЕ Рлп сс. С>н ет, Аж.ст — СООТВЕТСТВЕННО ВЯЗКОСТЬ, ТЕПЛОЕМКОСТЬ Н ТВПЛО- проводность охлаждающей жидкости при температуре жидкостной стенки. Для условий охлаждения ЖРД величина р изменяется в пределах ! — 2,5. Приведем выражение (4. 193) к более удобному для расчетов виду ,0,43 !Т йй)0,8 (4.! 96) (хны)ц" В зависимости от принятой системы единиц а получим в ккал(м'сек град или вт(м' ° град.
Для определения аж в ккал(м'ч ° град часто эту формулу применяют в виде а. =75,8Л вЂ” ох~ — '( р ккал(мхч град. (4.199) Комплекс 2, как мы видим из формулы (4. 198), характеризует собой физические свойства охладителя и является функцией температуры, Значения комплекса У для различных компонентов приведены на графиках рис. 4. 25, где даны также значения произведения комплексов Л(1 для различных компонентов, полученные при Т „=200'С.
4.16, формы охллждлкищих трлктов клмнр жрд На рис. 4.28 и 4.29 приведены различные формы охлаждающих трактов камеры сгорания и сопла ЖРД. е) Рис. 4.26. Форыы охлаждающих трактов: а — гладкий щевевой канал; б — щелевой канал с кроставками- в-щелевой канал с выштамвовкама; е-охлаждающи тракт с иро й акт иродольными ребрами; д — охлаждающий тракт с винтовыми каналама, е — охлаждающий тракт с гофрами 166 Щелевой канал Наиболее простым является охлаждающий тракт в виде гладкого щелевого канала (рис.
4. 26, а), однако основной его недостаток заключается в малой жесткости внутренней оболочки камеры. Это легко может привести к искажению размеров охлаждающего тракта и, как следствие, к изменению коэффициента теплоотдачи а и прогару камеры. Кроме того, при малых количествах охладителя и необходимой скорости движения по охлаждающему тракту ширина щели б„получается очень малой (0,8 — 1,5 мм) и технологически трудно выполнимой. Для увеличения жесткости внутренней стенки при щелевых каналах, а также для облегчения изготовления охлаждающего тракта между стенкой и рубашкой камеры двигателя размещают проставки из пластинок или из проволочек (рис. 4. 26, б). Проставки как бы калибруют размеры канала и, как правило, служат также для скрепления внутренней и внешней оболочек.
При этом получается так называемая с кр е илее н н а я о б о л о ч к а камеры двигателя, обладающая высокими прочаостными свойствами. Однако установка проставок является весьма трудоемкой операцией, поэтому обычно их используют для калибровки тракта илн скрепления оболочек только в отдельных местах камеры двигателя.
Разновйдностью щелевого охлаждающего тракта является щел евой канал с выштамповками (рис. 4.26,в). При этом в наружной оболочке камеры двигателя выштамповываются (обычно в шахматном порядке) круглые или овальные углубления — выштамповки, по которым точечной сваркой скрепляются внутренняя и внешняя оболочки. При таком способе скрепления получается достаточно прочная и жесткая оболочка и обеспечиваются заданные размеры охлаждающего тракта. Эквивалентный диаметр для щелевого канала па формуле (4.194) ,1 '~Уж 4пР >хлзохл 2Х э и 2 ~л охл' Прн этом уменьшением объема каналов за счет выштамповок или отдельных проставок пренебрегаем. Общим недостатком камер, имеющих щелевой охлаждающий тракт, является прежде всего недостаточная способность к теплосъему еысоких тепловых потоков, возникающих при больших давлениях в каиере, при использовании высококалорийных топлив и т.
д. Причиной тзкой относительно малой (в условиях работы современного ЖРД) эффективности теплосъема в щелевых трактах является недостаточно раззатая поверхность теплообмена со стороны охладителя и трудность выполнения внутренней стенки прн редко расположенных скреплениях тоньше 1,5 — 2 мм, что также ограничивает теплосъем. Кроме того, жесткость камеры со щелевым охлаждающим трактом даже при наличил зтдельных скреплений недостаточна. Охлаждающие тракты с оребрением Лучший теплосъем, а также возможность уменьшения толщины знутренней оболочки камеры обеспечивает оребрение внутренней обохочки.
Кроме того, ребра обычно служат также и для скрепления внутоеяней и внешней оболочек. Получающаяся скрепленная оболочка с чапнин связями обладает большой жесткостью и прочностью. Примерами такой конструкции являются изображенные на оис, 4. 26, г, д, е охлаждающие тракты, с продольными или винтовыми зебрами и с гофрами. В случае обеспечения полного контакта проставкн с оболочкой эффект оребрения может иметь место и при установке 167 проставок (см. рис. 4. 26, б), хотя влияние его пренебрежимо мало. Увеличение теплоотдачи от стенки к охладителю за счет эффекта оребрення также имеет место и в трубчатых камерах. На рис.
4. 26, г приведена схема охлаждающего тракт а с п р о д о л ь н ы м и р е б р а м и. Продольные или винтовые ребра толщиной 1 — 1,5 мм обычно получаются путем фрезерования каналов вдоль образующей камеры двигателя илн по винтовой кривой. В оребрениом охлаждающем тракте теплообмен улучшается не только за счет увеличения поверхности охлаждения, но и благодаря возможности выполнения более тонкой внутренней оболочки с б„ порядка 1 лам. Эквивалентный диаметр для канала с продольными ребрами равен 4т», 4аге„л 2от„,, П 2(о* В„л) а+В На рис. 4.
26, д показан ох л аж дающи й т р а к т с ни н то в ыми каналами. Винтовой канал может быть как однозаходным, так и многозаходным. Главное преимущест- во винтового охлаждаю«а щего тракта состоит в увеличении скорости движения охладителя по тракту, что позволяет увеличить теплосъем, Так на ЖРД «Вальтер»а движение охладителя по винтовой линии (закрутка) Рис. 4.
27. Оклаждаюший тракт соилоиой части обеспечивалось винтовым двигателя ОРМ-45 каналом на наружной оболочке. Очевидно, в этом случае увеличение теплосъема происходило только за счет увеличения скорости движения охладителя, а не за счет эффекта оребрення. На рис. 4. 27 показан разрез сопла камеры двигателя ОРМ-45, где закрутка жидкости создавалась винтовой нарезкой, выполненной по внутренней оболочке на части высоты охлаждающего тракта. При отмеченных достоинствах винтовых каналов недостатками таких трактов являются большая трудоемкость их выполнения и значительное увеличение гидравлического сопротивления тракта. Поэтому обычно винтовые каналы выполняют не по всей длине камеры сгорания и сопла, а только на тех участках, где необходимо обеспечить наибольший теплосъем, чаще всего в критическом сечении.
При этом для уменьшения трудоемкости винтовой канал часто создают просто путем установки или навивки различного рода проставок или проволоки. Эквивалентный диаметр для охлаждающего тракта с винтовымн каналами, очевидно, определится, как и для прямого канала: 4у, 2аа,„, П а + В На рис. 4. 26, е показан охлаждающий тракт, в котором. каналы образованы проставкой из тонкой гофрированной ленты [12). Для простоты будем называть такой тракт охлаждающим тр а кто м с гоф- 1бВ » Си.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
