Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 80
Текст из файла (страница 80)
1/р = Чк + 9л. '(12.1) 407 Так как при температуре сгорания до 4000 — 4500 К из всех газов наибольшей излучательной способностью обладают водяные пары, то, если все излучающие молекулы в ПС заменить тем же числом молекул водяного пара, это приведет лишь к увеличению лучистого теплового Следовательно, излучательную способность таких ПС можно вычислять как излучение водяного пара ен,о, если его плотность Рн,о = ь Р~/114н,о Т ) где Хр. — сумма парциальных давлений всех излучающих в инфра- ~4 ПС.
кра спой области спектра газов, содержащихся в П . П лученный таким образом лучистый тепловой пото д уд к б сг о к. несколько превышать действительный тепловой пото . ГЛАВА 1З ТЕПЛОЗАЩИТА СТЕНОК КАМЕРЫ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕИ И РАСЧЕТ ОХЛАЖДЕНИЯ й 12.1. ОСОБЕННОСТИ И СХЕМЫ ТЕПЛОЗАЩИТЫ СТЕНОК КАМЕРЫ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Защита стенок камеры ЖРД от опасного перегрева — одна из самых важных и сложных проблем ракетной техники, первые частичные решения которой позволили создать и первые ЖРД, имеющие практическое значение. Организация надежной защиты стенок современных высоконапряженных камер сгорания при небольших потерях удельного импульса — одна нз трудных задач, возникающих при создании новых конструкций.
Нередко наблюдаются случаи, когда, прежде чем удается создать двигатель с надежной защитой стенок, приходится проводить большую экспериментальную и конструкторско-исследовательскую работу. Сложность проблемы защиты стенок современных камер )КРД связана с тем, что ПС имеют высокие температуры — до 3500 — 4500 К, давление 15 54Па и выше и скорости движения а„р — — 1000 —: — 1300 мlс. Разность температур между поверхностями стенки, несмотря иа малую ее толщину, может достигать огромных величин.
Например, даже при умеренном тепловом потоке порядка (12 — 16) 10' Вт/м' получаем на толщину стенки 1 мм из нержавеющей стали разность температур ЬТ = 500 —: 600'. При таких высоких термодинамическнх параметрах между газом и стенкой возникает интенсивный тепло- обмен, способный при недостаточной защите быстро нагреть стенку КС до температуры, близкой к температуре газа. Если учесть, что подавляющее большинство материалов стенки допускают весьма умеренные нагревы (максимум 1300 — 1500 К), то сложность проблемы защиты стенки камеры становится очевидной.
В соответствии с основными понятиями теории теплообмена тепловой поток д„передаваемый от газа в стенку, в общем случае складывается из конвективного д„ и лучистого д тепловых потоков: Рассматривая кривую распределения д, 1см. рис. 11.12, б), а также соотношение между конвективной и лучистой составляющими суммарного теплового потока, можно отметить, что: а) максимум теплового потока главным образом из-за влияния лучистой части достигается в дозвуковой области сопла, вблизи критического сечения; б) характер распределения и величина суммарного теплового потока в основном определяются конвективной составляющей, имеющей главное значение; в) наиболее напряженным местом является входная часть сопла и особенно область критического сечения, которая имеет максимальный тепловой поток и поэтому нуждается в наиболее сильной защите.
Причем если в КС конвективная и лучистая составляющие примерно одинаковы, то в сопле лучистая составляющая быстро становится незначительной. Поэтому с достаточной точностью можно сказать, что максимальная численная величина теплового потока в критическом сечении в основном определяется конвективной составлякхцей.
В современных двигателях, работающих на высокоэффективных топливах и при высоком давлении в камере, тепловой поток в области критического сечения легко может достичь величины (40 — 80) 10е Вт/мв и больше. Наименее напряженный участок — конец сопла. Здесь тепловые потоки могут составлять 0,1 и меньше от потоков в критическом сечении. Поэтому теплозащита конца сопла может быть облегченной Тепловые потоки в КС могут составлять 0,3 — 0,5 и больше от потоков в критическом сечении, и она по теплозащите может занимать близкое положение к критическому сечению. Поэтому теплозащита здесь должна быть достаточно мощной. Если допустимая температура силовой стенки (оболочки камеры и сопла) много ниже температуры омывающих газов, то она легко может получить столь большое количество теплоты, которая при недостаточно эффективной защите быстро нагреет ее до разрушения.
Разрушение стенки камеры и сопла обычно происходит в виде размягчения материала или его оплавления, окисления материала или его выгорания, эрозии материала нли его размывания потоком. Основная задача системы защиты стенки камеры — обеспечение надежной работы стенки в течение заданного времени-ресурса при минимальных потерях удельного импульса и минимальном утяжелении конструкции. Для предупреждения опасного перегрева силовой оболочки КС и защиты ее от разрушения в современных ЖРД применяют тепло- защиту: наружное проточное; внутреннее; транспирационное (испарительное), охлаждения стенок, а также наружное радиационное охлаждение стенки; теплозащитные термостойкие покрытия; тепло- защитные аблирующие покрытия; емкостное охлаждение. Все перечисленные методы защиты стенки ЖРД применяются на практике,, причем в большинстве случаев коигплексно, совместно дополняя друг друга.
Например, наружное охлаждение, как правило, сочетается с внутренним; здесь же может быть еще как дополнение и теплозащита стенки термостойким покрытием. Емкостное охлаждение может сочетаться как дополнение также с теплозащитой, покрытиями и внутренним охлаждением. Несмотря на большое разнообразие схем защиты стенки КС в ЖРД, наиболее распространенным методом является проточное наружное охлаждение совместно с внутренним. 408 $ у2.2.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 4мАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ТЕПЛОЗАЩИТЫ Проточное охлаждение. При проточном охлаждении стенки КС омываются охлаждающей жидкостью, которая протекает с большой скоростью в зазоре между внутренней и наружной оболочками, как показано на рис. 12.1. Основа работы схемы — стационарный тепловой режим стенки: весь передаваемый со стороны газов тепловой поток проходит сквозь а-а рис. !2.!.
Схема щелевого охлаждающего тракта: ш, — Расход горючего, используемого в качестве охладителя; т „ — расход окислителя; 1р — скорость течении жидкости стенку и полностью воспринимается охлаждающей жидкостью, текущей в межрубашечном зазоре. На рис. 12.2 приведено типичное распределение температур поперек стенки КС. Особенность этого распределения — непрерывное изменение температуры от самой высокой температуры торможения в пристеночном слое газа Т,„до самой низкой температуры жидкости Т . Наиболее резкое изменение температуры наблюдается вблизи горячей поверхности, причем это изменение происходит в тепловом пограничном слое газа так же, как и изменение температуры вблизи холодной поверхности.
При этих условиях температуры стенки (Т„ г, Т„ ) будут постоянными по времени, и если не будут превышать допустимых значений, то стенка КС и сопла сможет работать достаточно долгое время. Благодаря этому наружная система охлаждения — самая распространенная. В качестве охлаждающей жидкости ис- уж пользуют компоненты топлива, причем почти все они могут применяться для охлаждения стенок. Поэтому системы 'Ь проточного охлаждения можно разделить на системы, использующие в ка- г честве охлаждающей жидкости окисли- у 1,";,' у' тель, и системы, использующие для охлаждения горючее. Могут быть также системы охлаждения, где используются Рис.
у2 2. Схема нлРУжног' оба компонента: окислитель охл жда охлаждениЯ сте~ки камеРы: ! — внутренняя оболочка; у — оходну часть. двигателя, например КС, а лаждаюшан жидкость, протекаю- горючее — другую~часть например сопло. шая в межрубашечиом зазоре; а— Р . наружная оболочка, или «рубашка» 409 Большим, разнообразием отличается конструктивное выполнение охлаждающего тракта систем охлаждения.
Широкое распространение получили следующие типы охлаждающих трактов: а) щелевые тракты — образуются между внутренней и наружной оболочками и располагаются относительно друг друга с концентрическим зазором. Охлаждаюшая жидкость здесь движется вдоль по- верхности КС и сопла; п1 б) многоканальные тракты — обра- зуются при продольных или спиральер ных ребрах (последние применяются в 'случаях, если надо увеличить скорость — — течения жидкости при неизменной высоте ребер), между внутренней и наружной оболочками. Охлаждающая жидкость, двигаясь по каналам, омывает 4) поверхность внутренней стенки и по.
верхность ребер, что улучшает охлаждение за счет эффекта оребрения; в) смешанные тракты — образуются сочетанием щелевых и многоканальных трактов. При всех геометрических видах ох- лаждающих трактов внутренняя и пав ==- ружная оболочки КС и сопла могут быть как не связанными между собой, так и связанными. Несвязанные оболочки имеют большой недостаток — низкую прочность при нагружении их давлением в межрубашечном пространстве. Поэтому оболочки приходится делать толстостенные) = мн (б„=- 4 —: 5 мм) и ограничиваться низкими давлениями в КС (р = 1,5 —: 2,0 МПа). Значительный прогресс в развитии конструкции ЖРД произошел после пе— — рехода к связанным оболочкам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
