Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 84
Текст из файла (страница 84)
Исключение составляет водород. Газообразный водород обладает хорошими охлаждающими свойствами. Поэтому, учитывая низкое значение р„„ж 1,3 МПа, которое в большинстве случаев меньше р„, можно допускать нагрев водорода в охлаждающем тракте до температуры выше Т„, и переход жидкости в газ даже на участках камеры и сопла со сравнительно высокими тепловыми потоками. Проанализируем влияние некоторых факторов на величину подо грева ЬТ охладителя в охлаждающем тракте, которую определим в соответствии с (!2.4) в виде (12.6) 422 1»Т Т „,— Т,„=1/(ьп с ) ~ ь/ь/5«. зь Индекс «О» соответствует параметрам, относящимся к некоторым исходным (стандартным) условиям, тогда можно написать: ) рь«5ь тжо ожо (12.
5) /ьТ т,сж ) доьЬ5 зьо Рассмотрим конвективную составляющую ь/. Соглас о ( . ) н (11.99) ь/ г/ь (Р /Р о) (" р / ь/ р) Ф/5о). Отношение боковых поверхностей двигателя Зь /Зь о = Р«РЬ/(Ркр о Ьо) = (Ь/Ьо) ь/ Р/ ь/ Ро (12.7) где Ь, Ьо — коэффициенты пропорциональности. Наконец, учитывая, что расход охлаждающей жидкости (компонент) иропорционален суммарному расходу топлива, можно написать: $ т 4« Рж С„ь/~ро тж о 4«то «о Рко Со «ро (12.8) о Рк С«о тж где 1, 1« — коэффициенты пропорциональности; С, С, — характеристическая скорость. Подставляя (12.6) — (12.8) в (12.5), а также используя (12.?), получим ж ( к о')о ьь( о м ЛТ« 2 Ьо С*о 5о ож (Рк / ь~ "кр / Соотношение (12.9) позволяет проанализировать зависимость подогрева ЬТ охлаждающей жидкости при изменении различных параметров.
Рассмотрим некоторые случаи. 1. Двигатель один и тот же, но изменяется режим его работы, т. е. рк. Из (12.9) получаем изменение подогрева: ЬТ/йТо = (Рк о/Р) ' ° (1 2 10) Отсюда при дросселировании, т. е. снижении тяги (р„< рк,), подогрев охлаждающей жидкости будет несколько увеличиваться, например при уменьшении рк в четыре раза подогрев увеличивается на 20 — 25'/о.
Следовательно, в отдельных случаях глубокого дросселирования минимальный режим работы двигателя может представлять опасность из-за возможного перегрева охлаждающей жидкости. 2. Д гатели геометрически подобны и имеют одинаковые давлек=, . « -т-ь/ иия в камере сгорания: рк = рк„но разные тяги, т, е. „, Ф кр,. бт/йТ, = (/„,,/ь/„,)км.
(12.11) Отсюда у двигателя с меньшей тягой подогрев жидкости будет большим. Так, уменьшение диаметра критического сечения в десять раз увеличивает подогрев на 40 — 50%. Это обстоятельство накладывает некоторые ограничения на минимальный диаметр критического сечения ь/„, (т. е. тягу двигателя), ниже которого подогрев охлаждающей жидкости может оказаться чрезмерным. Как правило, двигатели с малой тягой имеют и меньшее давление в КС. Тогда подогрев жидкости может быть еще большим. Поэтому для охлаждения двигателей с тягой 0,5 — 1,0 кН часто приходится использовать оба компонента.
Двигатели с еще меньшей тягой охлаждаются с трудом. Для них приходится использовать другие средства, например усиливать внутреннее охлаждение, снижать температуру газов и т. и. 3. Двигатели с одинаковой тягой при р, = сопз(, но различным давлением в камере р„. Из соотношений тяги можно написать, что Р/Р, = Ь р„гР /(Ь р о'г/, „) (12. 12) где Ьк, /око — коэффициенты тяги. Используя (12.12), изменение подогрева из (12.9) будет выражаться так: (12.13) (остальные параметры двигателей оставляем одинаковыми). С повышением давления в камере сгорания, например с р«о = = 5МПа до рк —.— 15 МПа, увеличиваются коэффициенты пропорциональности Ь. При давлении на срезе сопла р, = 0,05 МПа коэффициенты тяги на Земле й,о = 1,525, а /г = 1,572. Учитывая незначительные изменения коэффициентов (/ь„//ь„о = 1,03), практически их изменение на подогреве не скажется.
С ростом давления в КС значительно увеличивается степень расширения сопла. В данном случае относительная площадь среза изменяется с Р, =' 12 до Р, = 28, а коэффициент пропорциональности Ь/Ьо = 1,6 —: 1,8. Отсюда изменение подогрева охлаждающей жидкости с ростом давления в КС: — ' т ~ — ) ~ — "" ) ' ж(1,6 —; 1,8) 0,92= 1,5 —: 1,65. (12.14) /Ь То "о Рк Таким образом, с увеличением давления в КС подогрев охлаждающей жидкости при прочих равных условиях увеличивается.
Причем увеличение происходит главным образом из-за возрастания относительной боковой поверхности, т. е, коэффициента пропорциональности Ь ввиду роста степени расширения сопла. Следовательно, переход к повышенным давлениям в КС усложняет условия работы наРужного охлаждения. 423 = с„= 1Ж) 1 прн сг(1. В соответствии с этим тепловой поток и температурные перепады 6УДУт ИзменЯтьсЯ: дг > 5)О„ЬТст > ООТсю, ЬТО < ЬТОО, 1ОТЖ < Т;, темпЕРатУРы стЕнки; Т„,г > (Тот.г)о Тот.ж ' 'Тст.жо Тор > (Тсг)о. Для случая а < аю все изменения происходят в противоположном направлении. На рис.
12.13 приведено распределение температуры стенки при изменении б7Л. Из рисунка видно, что уменьшение толщины или увеличение теплопроводности стенки снижает температуру стенки со стороны газа и также среднюю температуру, но повышает температуру стенки со стороны жидкости. Последнее, учитывая Т ухудшает тепловое состояние стенки со стороны жидкости. Таким образом, замена стенки на более тонкую или более теплопроводную Рис.
12.!2. Влияние изменения коэффициента теплоотдачн аж со стороны жидкости на распределение температуры поперек стенки: а,>а „>а О Рис. 12.13. Влияние изменения коэффициента теплоотдачи а„со стороны газа и распределение температуры поперек стенки: а„> а„> а„, поперек стенки прн изменении а„. С увеличением а„, например при движении вдоль сопла к области критического сечения, тепловое состояние стенки становится более напряженным и может выйти за допустимые пределы, если не принимать соответствующих мер. Поэтому при приближении к критическому сечению повышается скорость течения охлаждающей жидкости, которая становится максимальной в критическом сечении.
Наряду с этим при переходе к повышенным давлениям р„в камере (постоянная тенденция развития ЯРД) соответственно приходится увеличивать и скорость течения жидкости, чтобы оставить тепловое состояние стенки в допустимых пределах. Влияние толщины б и теплопроводиости Л материала стенки. Эти параметры влияют на тепловой поток и температурные перепады в виде комплекса 61Л. Тогда уменьшение толщины стенки и увеличение теплопроводности эквивалентно влияют на тепловое состояние стенки. Рассмотрим случай, когда б7Л < б!Л„т. е. когда произошло либо уменьшение толщины стенки, либо увеличение ее теплопроводности. Согласно соотношениям (12.20) коэффициенты 14, 1г, 1„и изменяются при этом 1Π— — 1„= сж > 1 при 1„< 1. Отсюда тепловой поток и температурные перепадй будут изменяться: !7> г)„ЬТ„< < бТО»„ЬТО > с»Т»о, ЬТж > ООТ.
„а температуры стенки: Т„< Йа рис. 12.14 приведено распределение температуры поперек О,Π—;О 85 аглаю = аж1 ажо ж (р»7рао) ( 1. Согласно (12.20) коэффициенты ОО, 1„с„и 1. будут изменяться: 1О = 1„< ( 1, 1„= 1 > 1. Этому соответствуют изменения теплового потока и темпеРатурных перепадов: 5) < д„ГОТ„)ЬТ„ ЬТ„< ЬТ,ю, ЬТ > ЬТ . Температуры стенки будут изменяться: Т„,,< Т„,а, Тор ( Торе~ Тот.ж ) Тст.жо. На рис. 12.15 приведено распределение температуры поперек стенки при изменении а„и аж. Как видно из рисунка, снижение режима работы (уменьшение давления в камере р,), с одной Рис.
12.15. Влияние изменения режима работы р» даигателя на распределение температуры поперек стенки 427 Рис. 12.14. Влияние изменения отношения 61Л на распределение темпе- ратуры поперек стенки при прочих равных параметрах может привести к нарушению тепло- обмена со стороны жидкости из-за перегрева стенки. Поэтому такая замена стенки должна сопровождаться одновременно и усилением охлаждения со стороны жидкости за счет повышения а . Влияние изменения одновременно а„' и а в равной степени.
Этот случай соответствует изменению режима работы двигателя при охлаждении одним из компонентов. Действительно, при изменении давления р„ в камере изменяются одновременно практически в равной степени а„ и а . Рассмотрим случай дросселировання тяги, т. е. переход на минимальный режим, тогда г - ггг„,у Рис.
12.17. Влияние температуры охлаждающей жидкости Тж на распределение темпе ратуры поперек стенки Рис. 12.16. Влияние изменения температуры Г,о пристеночного слоя на распределение температуры поперек стен- ки (12.22) ')ж. р )ж т1р (! 2. 23) стороны, улучшает тепловое состояние стенки (уменьшаются температуры поверхности со стороны газа и средняя), с другой — увеличивает температуру стенки со стороны жидкости, т. е. усиливают перегрев стенки по отношению к Т Отсюда минимальный режим работы двигателя может оказаться в некоторых случаях «тяжелым», особенно если учесть, что на мини- мальном режиме, как обычно было установлено раньше, увеличивается подогрев жидкости в охлаждающем тракте из условия теплового баланса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
