Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 81
Текст из файла (страница 81)
В конструкции, изображенной на рнс. 12.3, а, оболочки, как видно, связад) — — ны между собой контактной электросваркой по специальным овальным выштамповкам, служащим одновременно и фиксаторами щелевого зазора. Здесь благодаря связям оболочки работают совместно н при значительно меньших толщинах позволяют иметь большие давления в охлаждающем тракте. На ис. 12.3 6 оболочки соединены охлаждающих трактов со свя- а р с. ааннымн ойояочкамн роликовой электросваркой по винтовым 410 Рнс. 12лп Защита стенки с помощью завесы Рнс. 12.4.
Органнаапня внутреннего охлаждения от головки КС: т — погреиичный оной; у— прнетеночиый еиой; а- про. мемуточиый «иой циях часто охлаждающую жидкость вводят со стороны головки только в половину каналов, пройдя по ним до конца сопла, жидкость по второй половине каналов возращается обратно к головке КС. В других случаях охлаждающий компонент может вводиться в каком-либо промежуточном сечении КС или сопла и разветвляться: часть направляется к срезу сопла, а другая — к головке. Таким образом, при выборе места ввода охлаждающей жидкости в рубашку и схемы течения в каждом конкретном случае руководствуются конструктивными и эксплуатационными соображениями.
Внутреннее охлаждение. Осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа или даже жидкой пленки на отдельных участках внутренней поверхности стенки КС или сопла. 411 выштампованным канавкам, образуя винтовой многоканальный тракт.
Большое достижение ракетной техники — разработка паяных конструкций камер сгорания и сопл. В одних случаях оболочки спаиваются или через специальные гофрированные вставки (рис. 12.3, в), или через выфрезерованные на внутренней оболочке продольные ребра (рис. 12.3, г); в других случаях вся конструкция камеры и сопла собирается на пайке из набора специально спрофнлированных трубчатых каналов (рис. 12.3, д). В обоих случаях образуется многоканальный тракт с хорошо развитой охлаждаемой поверхностью ребер. Охлаждающая жидкость может вводиться в охлаждающий тракт как со стороны сопла, так н со стороны головки КС.
Для уменьшения подводящих трубопроводов в некоторых трубчатых конструк- Рис. 12ДЬ Организация внутреннего охлаждения с помощью пористой стенки (Т, — температура кипеийя охлаждающей жидкости при давлении в камере) 412 Внутреннее охлаждение можно организовать соответствующим расположением и подбором расходных характеристик форсунок на периферии головки КС (при этом в пристеночном слое создается избыток какого-либо компонента, как правило, горючего). После выгорания топлива образуются ПС с более низкой температурой, чем в основном потоке (рис. 12.4). В КС двигателей, работающих по схеме с дожиганием генераторного газа, пристеночный слой может создаваться низкотемпературным генераторным газом, подаваемым через периферийный ряд форсунок. Внутреннее охлаждение можно осуществить подачей жидкого компонента с небольшой скоростью (как правило, горючего) на внутреннюю поверхность стенки КС и сопла через отверстия (рис.
12.5) или щели в специальном поясе завесы охлаждения. В результате взаимодействия с основным потоком струи жидкости прижимаются к стенке, образуя на ней сплошную жидкую пленку. Жидкая пленка, двигаясь по стенке, прогревается, испаряется (или разлагается) и, перемешиваясь с ближайшими слоями газа, постепенно выгорает, образуя низкотемпературный слой газа. Ввиду сравнительно слабого поперечного перемешивания ПС при их движении вдоль КС пристеночный слой, созданный головкой илн поясом завесы охлаждения, достаточно устойчив и может сохраняться на значительном протяжении. Организуя внутреннее охлаждение, необходимо помнить, что наличие низкотемпературного пристеночного слоя вызывает определенные потери удельного импульса, которые называют погпгпями на охлаждение.
Эти потери будут тем больше, чем ниже температура в пристеночном слое и чем больший в нем расход. Наиболее экономичным в этом отношении „гз„,, 111 будет пристеночный слой, толщина которого Я)::., ) у не превышает пограничного слоя на всем протяжении КС. Организовать такой слой можно, если вдоль поверхности камеры поставить несколько малорасходных поясок' завесы или перейти на пористую стенку.. Уг Траиспирациоииое охлаждение. Основано м на использовании специальных пористых материалов и осуществляется путем подачи-продавливания охлаждающей жидкости 2 (рис.
12.6) на огневую поверхность сквозь ' ' ; 1)1 пористую стенку 3 (1 — наружная стенка). Тепловой поток, отдаваемый газом в стенку, с одной стороны, расходуется частично или полностью на подогрев и испарение жидкости, проходящей через пористый материал 4, а с другой — сам тепловой поток здесь мал, так как возле стенки образуется пограничный слой 5, насыщенный парами жидкости с низкой температурой. Преимущества этого вида охлаждения состоят в большой эф- фективности при высокой экономичности.
Первые удачные опыты по транспирационному охлаждению сопла ЖРД были проведены в свое время В. М. Кудрявцеввга. Им же была разработана и методика расчета такого охлаждения. В настоящее время применение пористых материалов в конструкциях ЖРД пока что не вышло за пределы опытов. Основная труд- «сглг Рис. 12.7. Распределение температуры поперек стенки при использовании теплозащитиого покрытия (Т тзп) ст.
тзп ность — получение прочных пористых материалов со стабильными гидравлическими характеристиками. Несомненно, что этот вид охлаждения в будущем получит распространение. Теплозащита термостойкими покрытиями. На рис. 12.7 приведена схема распределения температуры поперек стенки ЖРД, которая кроме теплозащитного покрытия имеет еще и нормальное наружное охлаждение. Силовая оболочка КС или сопла покрыта со стороны ПС слоем теплозащитных покрытий (ТЗП). Основное свойство ТЗП— высокая термостойкость, т.
е. высокий нагрев без разрушения, и при этом низкий коэффициент теплопроводности. Такое покрытие будет иметь высокое тепловое сопротивление, определяемое отношением (Ю,)тзп, т. е. разность температур, приходящаяся на толщину покрытия, ЬТтзп = (61а)тзп г) будет большой. Отсюда при неизменной температуре газов (То„= То,) температура силовой стенки (Т„„( Т„,„) будет меньше (рис. 12.7, а, в).
Если температура силовой стенки неизменна (Т„, = Т,), то можно допустить более высокую температуру газов (Т„„> То„, рис. 12.7, а, 6). Облицовка стенок камеры ЖРД термостойкнми покрытиями широко использовалась в начале развития ракетной техники. Тогда применяли графитовые вставки и другие термостойкие материалы, известные в металлургической промышленности, пытаясь обеспечить длительную работу ЖРД без наружного и внутреннего охлаждения. Практика показала, что подобного рода огнеупорные покрытия и обмазки ненадежны, так как они быстро разрушаются в условиях ЖРД.
413 Кроме того, такие двигатели имели большую массу, поэтому в последующем защита стенок ЖРД путем их облицовки подобного вида материалами практически перестала применяться. Однако с развитием керамических, пластмассовых и стекловолоквистых материалов появился ряд составов, пригодных для использования в качестве теплозащитных. Эти составы наносятся на стенку двигателя и после соответствующей обработки прочно с ней сцепляются, образуя термостойкое покрытие.
Такие материалы широко используются для зашиты стенок ракетных двигателей твердого топлива. Использование их в ЖРД труднее ввиду жестких условий работы и сложности конструкции, но в последние годы оии все же находят широкое распространение. Особенностью ТЗП стенок ЖРД является то, что оно используется как дополнение к наруж- л ному и внутреннему охлаждению. л Обычно ТЗП применяется в ЖРД с высо- ким давлением в КС и боЛьшим расширением Рис. 12.з. Защита сопла. В этих случаях увеличивается относи- стенки с помощью тельная боковая поверхность и ухудшаются лблирующего попри- условия теплового баланса — охлаждающий компонент сильнее перегревается в тракте. Применение ТЗП позволяет свести тепловой Г, — температура раалоигеяия аблирующего пи. баланс до допустимого уровня.
Вместе с тем ТЗП в двигателях с высоким р„снижают требования к наружному охлаждению для поддержания теплового состояния стенки в допустимых пределах. Ввиду подобного значения ТЗП и ЖРД современные покрытия имеют малые толщины (0,3 — ' 0,6 мм), так как тонкие покрытия более надежно сцепляются со стенкой, что особенно важно в упругих и податливых тонкостенных конструкциях камеры и сопла ЖРД. Широкое распространение в ЖРД получили ТЗП на основе окисей магния, цнркония, алюминия и некоторых других. Теплозащитные аблнрующие покрытия.
Схема защиты стенки, показанная на рис. 12.8, основана на использовании аблирующих материалов. Причем эти материалы могут использоваться как в качестве покрытий силовой стенки, так и в качестве самой силовой стенки. Процесс абляции — сложный физико-химический комплекс процессов: под воздействием теплового потока вещество 2 разлагается, поглощая значительную долю падающей на стенку теплоты. Причем процесс разложения сосредоточен в узкой (десятые доли миллиметра) зоне и по мере разложения вещества внешняя поверхность (фронт абляции), имеющая температуру Тю непрерывно отступает вглубь с некоторой скоростью, обычно 0,01 — 0„3 мм/с.
Продукты разложения — газовая и твердая фазы — непрерывно уносятся скоростным внешним потоком, т. е. аблирующее покрытие непрерывно разруша- 4Ы ется, уменьшаясь по толщине. Так как разрушение или разложение вещества покрытия происходит с поглощением теплоты, определяемой теплотой абляции, (теплота фазового перехода), то на поверхности аблирующего покрытия устанавливается некоторая характерная для данного вещества температура, обычно не превышающая нескольких сот градусов. Ввиду низкой температуры (рис. 12.8) на поверхности и крутого падения кривой распределения температура силовой оболочки 8 или температура толщи аблирующего материала в процессе работы медленно изменяется от начального значения. Короче говоря, в данной схеме практически вся теплота, попадающая на поверхность, идет на разложение вещества, находящегося в узкой зоне возле поверхности. Кроме того, количество теплоты, т.
е. тепловой поток, уходящий в стенку, здесь существенно ниже. Это происходит по следующим причинам. Во-первых, продукты разложения, имеющие сравнительно низкую температуру по сравнению с температурой внешнего потока, втекая в пограничный слой 1, создают своеобразную газовую завесу, резко снижающую конвективный и несколько лучистый теплообмены. Во-вторых, у некоторых распространенных аблиру|ощих материалов, имеющих в своем составе синтетические органические вещества, одним из продуктов разложения является углерод, который, выделяясь, образует иа поверхности слой пористого кокса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
