Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Конечно, в этом случае радиационное охлаждена будет отводить в пространство незначительный тепловой поток и сравнению с тем, который будет поглощаться внутренним охлажд „ нием. Естественно, при такой системе защиты стенки мощное внутреи' нее охлаждение будет вносить заметные потери удельного импуль ' Несмотря на очевидные преимущества радиационного охла ния, оно, однако, не всегда приемлемо, так как участок сопла, буд 418 нагре™ до высокой температуры, будет чр мери близрасположенные агрегаты и элементы конструкции; по чине такие участки сопла должн1,1 ' р ного отсека, что не всегда возможно.
$ 12.3. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НАРУЖНОМУ ОХЛАЖДЕНИЮ Характерная особенность наружного охлаждения — стационарный режим: вся полученная стенкой теплота полностью передается охлаждаюшей жидкости. В этих условиях надежное охлаждение должно отвечать двум основным требованиям: 1) удовлетворять теплово ба нсу между подогревом охлаждающей жидкости и воспринимаемой ла му ею теплотой; 2) обеспечивать тепловое состояние или температурный режим стенки на любом участке камеры в заданных пределах.
Первое требование заключается в том, что жидкость, пройдя через охлаждающий тракт камеры и восприняв теплоту от стенки на выходе нз тракта, не должна быть перегретой выше некоторой допустимой температуры Т,„,„, определяемой температурой кипения или разложения при данном давлении. Это необходимо, во-первых, потому, что некоторые компоненты, как, например, перекись водорода, несимметричный диметилгидразин, гидразин и другие, при перегреве начинают разлагаться, причем разложение носит взрывной характер; во-вторых, чтобы в КС поступали компоненты однородного (однофазного) состава, без включения газовых объемов нли смолообразных и твердых продуктов разложения (иначе двигатель будет работать неустойчиво, форсунки засоряются отложениями); в-третьих, что охлаждение стенок двигателя компонентом, находящимся в двухфазном состоянии (частично в парообразном), значительно менее эффективно (коэффициент теплоотдачи от стенки в пар резко снижается).
Наконец, в-четвертых, при чрезмерном перегреве охлаждающей жидкости снижается разность температур стенки и жидкости, что снижает ии тенвность теплообмена. И далее, если жидкость способна к разложению, то она становится более чувствительной к местным перегревам стенки, а это снижает надежность охлаждения. Таким образом, имеются серьезные причины, которые ставят достаточно жесткие требования к нагреву охлаждающей жидкости в охлаждающем тракте. Второе требование заключается в том, что необходимо еще обеспечить условие местного теплосъема.
Дело в том, что во-пер ых, рв мпература стенки со стороны газа Т„„не должна превышать допустимую температуру стойкости материала стенки по отношению к воздействию высокотемпературного скоростного и часто химически активного потока. При Т„„~ Т„л,„„стенка начинает разрушаться — размягчаться, оплавляться, окисляться и подвергаться интенсивной эрозии. Во-вторых, температура стенки со стороны жидкости с, не должна намного превышать температуру кипения или разложения охЛаждающей жидкости.
Если температура стенки Т„ сутцественно больше температуры кипения жидкости Т,„, то не- 14 ° 419 420 Т Тхдопм схж~ ~стдопж Тстср - стпоп ( Т,. (12. посредственно на стенке возможно вскипание частиц жидкости. Прн достаточно большой скорости течения жидкости и сравнительно небольшом превышении температуры стенки над температурой кипения образ ющиеся паровые пузырьки сносятся потоком и, попадая в У толщу жидкости, снова конденсируются, поскольку средняя темпеат ра жидкости ниже температуры кипения. При такой картине, ра ур когда образующиеся пузырьки пара тут же исчезают и жид тается однофазной, охлаждение не нарушается, Больше того, такое местное вскипание интенсифицирует теплообмен.
Если температура стенки значительно превышает температуру кипения жидкости, то кипение на стенке протекает более интенсивно и образовавшиеся пузырьки пара на поверхности сливаются и разуют паровую пленку: поток становится двухфазным, режим охлаждения — пленочным. Вначале паровая пленка неустойчива, она постоянно сносится потоком в виде больших пузырей, а на ее месте возникает новая. Затем устойчивость пленки повышается. С момента поя аления на поверхности паровой пленки контакт жидкости со стенкой нарушается, и поскольку теплоотдача в пар значительно ме ь н ше, чем в жидкость, то в местах пленочного охлаждения эффективность' теплосъема резко уменьшается, возрастает температура стенки, которая может превысить допустимую.
То же самое происходит, когда охлаждающая жидкость из-за перегрева иа стенке начинает разлагаться. Здесь могут выделяться газообразные, смолообразные и твердые продукты, что резко ухудшает охлаждение. Кроме того, компоненты типа перекиси водорода, диметилгидразина и других разлагаются с эффектом, равносильным взрыву. Естественно, что в этом случае всякий перегрев опасен. Таким обз, второе требование, которому должна удовлетворять надежно разом, в работающая система охлаждения, состоит в том, что повсеме д жен обеспечиваться теплосъем без возникновения устойчивого кипе-: ния или какого-либо разложения охлаждающей жидкости на стенке.' Если в каком-либо месте на стенке эти условия теплосъема не выпол-'- няются, то обычно в этом месте снижают тепловой поток.
Наиболее просто и эффективно это достигается созданием воале стенки слоя. газа с пониженной температурой. Поскольку в данном случае имеют место местные опасные зоны, то низкотемпературный слой удобно со-' здавать завесой из специальных поясов непосредственно возле этих зон. Современные ЯРД, использующие высокоэффективные топлива и имеющие высокие давления в КС, из-за неблагополучного положения с местными теплосъемами охладить без специального низкотемпера. турного пристеночного слоя очень трудно. Наконец, средняя темцед ратура стенки Т„,д = (Т„,, + Тсх „)I2 не должна превышать допустимую температуру стенки из условия прочности Т,„,д, .
Ха рактеристики материалов при прочностных расчетах определякпс по средней температуре стенки. Таким образом, второе условие надежного охлаждения сводите к обеспечению на всех участках камеры соотношений: Ввиду важности наружногоаохлаждения, в том числе и совместно с внутренним, рассмотрим основные закономерности, которые приходится учитывать при разработке мероприятий по обеспечению приведенных выше двух условий надежного охлаждения. Обеспечение теплового баланса.
В большинстве случаев компоненты топлива имеют возможность воспринять теплоту, не нагреваясь до температуры кипения или разложения. Однако на практике бывают случаи, когда этот баланс не сходится, т. е. отдача теплоты в стенку со стороны газа превышает возможность его восприятия со стороны охлаждающей жидкости. Подогрев охлаждающей жидкости определяется из следующего балансового соотношения: тжс (Тхых — Т„~ = ~ФЗь, (12,3) где и , с — расход и средняя теплоемкость охлаждающей жидкости; Т, , Т„ — температура жидкости на выходе н входе охлаждающего тракта.
В соответствии с (12.3) условие теплового баланса можно записать в виде 421 Твмх= Тв*+ 1Цт с. ) ~дух (~Т .д,.д~ (12.4) Ь$ где Т д,„— допустимая температура нагрева охладителя в охлаждаклцем тракте, определяемая физическими свойствами жидкости н зависящая от давления в охлаждающем тракте и способности жидкости нагреваться без разложения. При давлении в охлаждающем тракте меньше критического давления р„, данной жидкости допустимая температура термически не- разлагающихся жидкостей ограничивается температурой кипения. Если же давление в тракте превышает р„„то температуры кипения, как таковой, нет и при любой температуре нагрева поток будет однофазный.
Отсюда при перегреве жидкости выше критической температуры Т„, данной жидкости последняя хотя и переходит в пар, но без кипения. Благодаря этому физические свойства жидкости (пара) изменяются постепенно и скачкообразного ухудшения теплосъема не будет. Однако так как теплоотдача в пар все же заметно хуже, то допускать перегрев жидкости в охлаждающем тракте до температуры выше Т„, можно лишь при низких тепловых потоках, что характерно, например, для конца сопла с большой степенью расширения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
