Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 37
Текст из файла (страница 37)
227) упрощается и при Т, „= Т;„, =Т„,» в развернутой форме с учетом выражений (4. 228) и (4.231) имеет вид ~~с~ » ~ о,(Т,фоо Т„р)=~„с» ~ ) . ~ 1Оо ) ' (4. 235) ыт»» Решая это уравнение, используя ' » в качестве параметра, можно о» построить графическую зависимость Т„р от Т,ф»», позволяющую сразу оценить ожидаемое значение Т„» (при отсутствии д и д„») (рис. 4 45). Анализируя величины, входящие в формулу (4.227), и графики рнс.
4.45, мы видим, что Т„р в значительной степени зависит также от степени черноты стенки е„, Чем выше е„, тем меньше равновесная температура стенки. Поэтому при радиационном охлаждении наружную излучающую поверхность лучше оставлять шероховатой, так как степень черноты шероховатой поверхности больше, чем полированной. В некоторых случаях целесообразно даже на излучающей цоверхностн создавать специальные канавки, благодаря чему кажущаяся степень черноты поверхности может быть увеличена на 50 — 100»!» 1861.
Наружное охлаждение низкокипящимн компонентами 189 При работе ЖРД на низкокипящих компонентах (например, О»+Н» илн Р,+Н,) организовать наружное охлаждение стенок камеры голько жидким компонентом невозможно ввиду очень низкой темпера- гуры кипения как горючего, так и окислителя. Охладитель, поступая з охлаждающий тракт, быстро превращается в пар и дальнейшее на- 9ужное охлаждение камеры производится уже холодным газом (паром). Задача надежного охлаждения стенок камеры двигателя при этом еальио осложняется по следующим причинам. При переходе охладителя из жидкого в газообразное состояние гоэффициент теплоотдачи от стенки к газу меньше, чем а жидкого охладнтеля, Удельный объем газообразного охладителя значительно больше, ~ем жидкого, и сильно увеличивается с ростом температуры (в два-три раза).
Поэтому площадь сечения охлаждающего тракта иногда прихо- хится выполнять переменной по длине с тем, чтобы в каждом сечении тракта скорость охлаждающего газа обеспечивала значение аж, соот- иетствующее поступающему тепловому потоку. Сложность решения задачи усугубляется еще и тем, что прн усло- зиях, имеющих место в ЖРД, охлаждение стенок камеры низкокипящим щмпонентом происходит в околокритической и сверхкритической обла- гтях параметров состояния охладителя. При этом в околокритической »бластн,происходит резкое изменение физических свойств охладителя, ~то оказывает сильное влияние на теплообмен.
Так, например, тепло- еккость водорода в околокритической области увеличивается в 5— !О раз. Сравнительно с другими низкокипящими компонентами наилуч- шими охлаждающими свойствами обладает водород, имеющий высокие »качения теплоемкости (примерно в 3 раза больше, чем у воды, и в че- тыре раза больше, чем у кислорода).
Возможные области состояния водорода при использовании еео в качестве охладителя ЖРД Осаьт «, слое 4ЬЕлт- . Т»=зз,гз — — > — т Ти Рис. 4. 46. Кривая фаао. вого равновесия Рис. 4. 47. Области состояиия водорода конгломерат групп молекул с различной плотностью. Причем в зависимости от значений давления и температуры вещество находится в состоянии, более близком к газу или более близком к жидкости. Если рассматривать водород с точки зрения использования его в качестве охладителя ЖРД, то несколько условно диаграмму, характеризующую агрегатное состояние водорода (рис.
4.47), можно разделить на следующие 5 областей: 1. Область кипения. 2. Область околокритического состояния. 3. Область состояния водорода при давлении, значительно превышающем критическое (»12,8 »Г/см'), и сравнительно невысокой температуре ( до 150' К). 4. Область состояния водорода при сверхкритическом давлении и высокой температуре (выше 150' К).
5. Область газообразного водорода при докритнческом давлении. В настоящее время имеется очень мало рекомендаций по расчету теплоотдачи к водороду в состоянии кипения, околокритическом и сверх- критическом. Для приближенных расчетов можно воспользоваться предложенными в работах [92] и [97) схемами для определения а прн различных состояних водорода.
В первом приближении при расчете охлаждения водородом для определения а„можно воспользоваться формулой (4.192). В общем случае кривая фазового равновесия р,=[(Т) имеет вид, изображенный на рис. 4.45. Кривая фазового равновесия ОК имеет конечную протяженность и заканчивается в к р и т и ч е с к о й т о ч к е К, соответствующей для каждого данного вещества вполне определенным значением температуры Т» и давления р».
При значениях давления и температуры выше критических вещество находится в области сверхкрнтических параметров состояния. В этой области уже нельзя говорить о фазовом превращении вещества, так как вещество не имеет границы жидкой и газообразной фазы и принципиального различия между жидкостью и газом здесь нет.
т'и Хотя трудно отчетливо представить себе такую, не имеющую границы фаз, среду, принято тбв считать, что вещество в этой области представляет собой рк Порядок расчета охлаждения низкокиаяи)им компонентом Расчет охлаждения низкокипящими компонентами производится методом последовательных приближений. Для этого камеру сгорания а сопла следует разбить по длине на !5 — 20 участков н последовательно рассчитывать каждый участок. При этом можно предложить следующий порядок проведения расчетов. 1. Задаемся распределением температуры газовой стенки Т„ „ по длине камеры двигателя и изложенными выше способами определяем распределение по длине тув; хув; сув. 2.
Зная тув и Т,,„, а также теплопроводность внутренней стенки н ее толщину б„, определяем температуру жидкостной стенки по формуле (4. 225) Чвзст 7 ж ст= 7 гст где значения тт берем для средней температуры стенки, равной ~ г.с. + ~ ж.ст 2 3. Определяем значение а, необходимое для снятия суммарного теплового потока. По формуле (4.191) (4. 235) а„= тж,„— т .
Значение Т берем среднее для каждого участка 7' = ж 4. Определяем подогрев охладнтеля ЬТ„и температуру выхода охладнтеля на каждом участке. По формуле (4. 222) 4х ая; охл (4. 237) О р!дохл где Зрп — площадь поверхности теплообмена на данном участке; ср,.— теплоемкость при средних значениях давления и температуры на данном участке. Зная Ы',„„, находим ж вых ж.вх+ а ахл 5. Задаемся давлением охладителя на входе в первый уча- СПОК ролл.вх.
6. По формулам для расчета а определяем скорость охладителя Вахв, ОбЕСПЕЧИВаЮЩУЮ ЗНаЧЕНИЕ а, РаВНОЕ ПОЛУЧЕННОМУ ПО ВЫРажЕ- пию (4.235). При этом в расчете используются средние значения температуры и давления охладнтеля на данном участке. 7 Зная скорость движения охладителя го,х„определяем размеры проходного сечения охлаждающего тракта Х-=." (4, 238) мохл ясохл где значение о„„берется при средних параметрах состояния на данном участке.
Так как диаметр охлаждающего тракта по окружности поперечного печения камеры двигателя известен, то определение )„обычно сводится п определению высоты охлаждающего тракта б„„. 191 8. Определяем потери давления на данном участке Ьре и давление охладителя на выходе из участка. Величина РРРР складывается из местных потеРь (РРР ), потеРь на тРение (ЬР,р), а также потеРь давлениЯ в результате разгона газа на данном участке (бр ): дрг= зри Г лртр 'Г бра" (4. 239 Порядок определения Ьри, Рхр,р н Лр„, приведен ниже, в $ б.
б, Следует отметить, что величина потерь на трение при движении водорода по тракту (бр,р) сравнительно неверахл рсха „лика из-за малой вязкости водорода. ги Зная РРРР, определяем давление баха охладителя на выходе из участка р,„,,„„= — р,„,,„— ар;. (4. 240) 9. Проведя последовательно расчеты для всех участков, анализируем приемлемость полученных результатов и при необходимости корректируем или ,повторяем расчет.
Если на отдельных уиаетнаХ ЗиаЧЕНИЯ ~охл (НЛРР бота) ПО- лучаются практически трудновыполнпРтис. 4. 4В. РРамеиеиие Р, „Г, и высо- МЫМИ, ЗадаННОЕ ЗНаЧЕНИЕ т КОртм трубки охлаждающего траита б„„а при охлаждеиии водородом ректРРруется и расчет проводим за. ново. Зная потерю давления по длине всего тракта (ХЛРР), определяем давление компонента на входе в камеру сгорания р„,„„(рис. 4. 48). Если полученное значение р,„,,„, отличается от заданного„то расчет повторяется при новом значении давления охладителя на входе рох Как видно, расчет охлаждения низкокипящими компонентами значительно усложняется не только за счет трудностей, связанных с определением аж при различных состояниях охладителя, но также и в связи с тем, что в отличие от охлаждения капельными жидкостями в расчетах необходимо учитывать сжнмаемость компонента и влияние потерь давления по длине тракта на процесс теплообмеиа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
