Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Следовательно, необходимую температуру Т „можно обеспечить, повышая скорость движения охлаждающей жидкости ш, например уменьшая проходное сечение охлаждающего тракта. Рис. 4.2. Зависимости Т„„: а — от скорости движения охлаждающей жидкости вх б — от коэффициента теп- лопроводностиметалла Х; — - — при больших значениях и или Х Глава 4. Охлаждение ЖРД 146 Влияние поверхностного кипения охлаждающей жидкости на величину Т .„ В процессе теплоотдачи от стенки камеры сгорания к охлаждающей жидкости возможны два случая соотношения между Т„и температурой кипения жидкости Т, при данном давлении в охлаждающей полости: (4.7) Техм ~~ Тв р Те|к ) Т В первом случае закипание жидкости в охлаждающем тракте невозможно.
Во втором случае охлаждающая жидкость может закипеть на поверхности <окидкостной» стенки камеры. Если при этом масса жидкости имеет температуру, меньшую, чем Т„то образующиеся на поверхности «жидкостной» стенки пузырьки пара будут смываться потоком жидкости и конденсироваться в более холодном ядре потока. Таким образом, эти пузырьки, турбулизируя поток, будут увеличивать теплоотдачу от стенки к жидкости, т.
е. коэффициент а будет возрастать при той же скорости движения охлаждающей жидкости. Увеличение а за счет поверхностного кипения приведет так же, как и увеличение а за счет возрастания скорости охлаждающей жидкости, к уменьшению Т „при некотором увеличении суммарного потока дт, Условия охлаждения стенки в этом случае могут быть улучшены без повышения давления подачи охлаждающей жидкости для увеличения скорости ее движения. Однако интенсивное кипение на поверхности может привести к столь энергичному парообразованию, что пузырьки пара, не успевая смываться потоком жидкости, будут образовывать сплошную пленку пара на поверхности стенки.
Поскольку пар плохо проводит и передает тепло, то в этом случае коэффициент теплоотдачи а резко уменьшится, что приведет к обратному результату — увеличению Т „и, возможно, прогару стенки. Зависимость Т,, от коэффициента теплопроводности Х материала камеры двигателя Как видно из соотношения (4.6), при одних и тех же значениях Т, 6 и е7х температура «газовой» стенки Т„,„будет тем меньше, чем больше коэффициент теплопроводности Х материала стенки. Однако и здесь с уменьшением Т „в соответствии с выражением (4.2) возрастет суммарный тепловой поток дт, за счет чего Т „снова немного увеличивается.
И в этом случае (так же, как и в случае снижения Т„при увеличении а ) стационарный режим охлаждения устанавливается при меньшем значении Т „чем это имело бы место для стенки с меньшей величиной 3,. 147 4.Л Теппообмен вЖРД Как следует из выражения (4.6), зависимость температуры от толщины стенки двигателя при увеличении Л будет более пологой. Поскольку дх немного возрастет, то возрасгет и Т (см. (4.4)). Таким образом, кривая изменения температуры по толщине стенки при использовании металла с ббльшим Л пересечет кривую изменения температуры по толщине стенки из материала, имеющего меньшее Л (см.
рис. 4.2, 6). Следовательно, для изготовления камер ЖРД целесообразно использовать материалы с возможно ббльшим коэффициентом теплопроводности Л . Однако, как правило, подобные металлы быстро теряют свою прочность с возрастанием температуры. Зависимость Т ., от толщины стенки камеры двигателя Ь„ Из выражения (4.6) также видно, что при неизменных Т и цх температура «газовой» стенки Т, будет тем меньше, чем меньше толщина стенки 5 . Несмотря на то, что с уменьшением Т „тепловой поток дх согласно выражению (4.2) немного возрастет, стационарный режим охлаждения установится при меньшей температуре Т „.
Следовательно, камеры ЖРД желательно делать с возможно меньшей толщиной стенки 5 , обеспечивая при этом заданную прочность конструкции. Влияние давления и температуры в камере сгорания на значения Т„.„и ох С увеличением давления в камере увеличивается плотность движущегося в ней газа. В связи с этим растут коэффициент теплоотдачи а, от газа стенкам и величина конвективного потока д„(см. 8 4.6).
Увеличение давления в камере двигателя приведет также к возрастанию парциальных давлений компонентов рн,о и рсо„из излучения которых складывается лучистый тепловой поток в стенку д„(см. З 4.8). Таким образом, увеличение давления приводит к возрастанию суммарного удельного теплового потока в стенку камеры двигателя дх и в соответствии с формулами (4.4) и (4.6) — к увеличению Т и Т,.
Однако с ростом Т „ тепловой поток дт несколько уменьшится, но новое стационарное состояние установится при новых, больших, значениях Т „ и дх. Поэтому увеличение давления в камере двигателя при прочих равных условиях приводит к увеличению Т , и дт. Глава 4. Охлаждение ЖРД 148 С увеличением Т„конвективный и лучистый тепловые потоки возрастают, что так же, как и повышение давления в камере, приводит к возрастанию Т „и дх.
Поэтому часто при создании ЖРД, работающих на топливах с большей теплотворной способностью Н„, требуется и более интенсивное охлаждение камеры двигателя. Влияние размеров и формы охлаждающего тракта на Т ., С уменьшением проходного сечения охлаждающего тракта увеличивается скорость движения охладителя. Влияние формы охлаждающего тракта проявляется за счет эффекта оребрения. Например, наличие продольных или винтовых ребер, гофров, трубок увеличивает поверхность теплосьема со стороны охладителя. Последнее приводит к увеличению эффективного коэффициента теплоотдачи от <окидкостной» стенки охладителю и, следовательно, к уменьшению Т „.
Степень влияния эффекта оребрения на Т„„в большей мере зависит от теплопроводности материала внугренней оболочки камеры двигателя (см. З 4.11). Здесь необходимо отметить, что изменение формы охлаждающего тракта не должно сильно увеличивать гидравлическое сопротивление последнего. Влияние режима работы двигателя на Т, .„ При эксплуатации ЖРД на различных режимах работы камеры, охлаждаемой одним из компонентов, расчетным обычно является режим наибольшей тяги.
При переходе двигателя на работу с меньшей тягой падает давление в камере сгорания р„и несколько уменьшается Т„, в результате чего уменьшается тепловой поток дх. Однако при уменьшении тяги одновременно снижается расход компонента-охладителя, а следовательно, скорость охладителя по тракту и и коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости а . Поскольку поверхность охлаждения камеры остается неизменной, то уменьшение расхода охладителя может привести к такому росту Т, что охлади- тель может закипеть. Таким образом, при снижении тяги несмотря на уменьшение теплового потока дх температура «газовой» стенки Т „может возрасти.
Поэтому, если двигатель должен работать на переменной тяге, необходимо делать проверочный расчет охлаждения на режиме меньшей тяги. Рассмотрев основные факторы, влияющие на эффективность наружного охлаждения камеры двигателя, можно сделать следующие выводы: 4.2. Способы охлаждения ЖРД !49 — для уменьшения Т„, при наружном охлаждении следует повышать скорость движения охлаждающей жидкости; — камеру двигателя желательно изготавливать из возможно более теплопроводных металлов при наименьшей толщине стенки и максимальной поверхности охлаждения; — охлаждение должно быть эффективным при всех эксплуатационных режимах ЖРД.
Если невозможно обеспечить допустимую величину Т„„только наружным охлаждением, то необходимо уменьшить тепловые потоки в стенку, либо применив дополнительно другие виды охлаждения (например, внутреннее), либо защитив ее термостойкими покрытиями. 4.2. Способы охлаждения ЖРД Наружное охлаждение Простейшая схема наружного охлаждения одним из компонентов топлива приведена на рис. 4.3, а. Охлаждающая жидкость поступает в коллектор ! и из него — в охлаждающий тракт. Протекая по тракту, жидкость охлаждает стенки, и при этом сама нагревается. Нагретая жидкость выходит из зарубашечной полости и поступает в головку 4. Как уже указывалось, Охладитель 2 1 2 ! Рис.
4.3. Схемы наружного охлаждения: а — одним компонентом; б, в — двумя ком- понентами; ! — входной коллектор; 2 — охлаждающий тракт; 3 — выходной коллектор; 4 в головка г ! гг! б 150 Глава 4. Охлаждение ЖРД при наружном охлаждении камера двигателя охлаждается обычно самими компонентами. Охлаждающей жидкостью может служить и горючее, и окислитель.
Следует отметить, что каждому топливу и давлению в камере р„соответствует минимальная тяга, ниже которой только наружного охлаждения становится недостаточно. Причина здесь в том, что с уменьшением номинальной тяги (при постоянном р„) необходимый объем камеры сгорания уменьшается пропорционально суммарному расходу топлива, в то время как площадь охлаждаемой поверхности камеры сокращается при этом только пропорционально степени 2/3 суммарного расхода топлива. Таким образом, чем меньше номинальная тяга двигателя, тем больше отношение площади охлаждаемой поверхности камеры к ее объему. Кроме того, при уменьшении диаметра критического сечения И„р при прочих равных условиях нормальный к стенке конвективный тепловой поток д„согласно приведенной далее формуле (4.180) возрастает пропорционально а',, ' .
Все это приводит к тому, -олз что в камерах малых тяг в охладитель поступает ббльшая часть тепла, выделяемого при сгорании топлива, чем в камерах больших тяг. Так, для камеры сгорания тягой порядка 5 кН, работающей на углеводородных горючих с кислородом или азотной кислотой, при р„= 2 МПа количество тепла, уходящего в охладитель, составляет приблизительно 2;4 от общего количества выделенного тепла.
Для двигателя ракеты А-4, имеющего тягу 0,25 МН, это тепло составляет только 0,7 '.4, т. е. чем больше тяга двигателя, тем легче осуществить наружное охлаждение камеры. При сопоставимых тяге и давлениях чем больше скорость полного преобразования топлива в продукты сгорания, тем меньший объем камеры необходим для сгорания одного и того же количества топлива, а следовательно, тем меньшую поверхность необходимо охладить. Отсюда и нижний предел минимальной тяги, при которой наружное охлаждение эффективно, тем меньше, чем меньше время преобразования. Для обычно применяемых топлив этот предел находится значительно ниже 5 кН.
В то же время для медленно горящих топлив, требующих большего времени пребывания, наружное охлаждение может оказаться недостаточным даже при большей тяге. При очень ограниченных количествах горючего и окислителя для охлаждения иногда применяют оба компонента. Один из них охлаждает сопло двигателя, а второй — камеру сгорания (рис. 4.3, б). Иногда второй компонент используется для снижения температуры компонента, непосредственно охлаждающего камеру двигателя, и при этом подогревается сам (рис. 4.3, в). Наружное охлаждение компонентами также может применяться и при использовании в качестве топлива паров низкокипящих компонентов (например, кислорода и водорода).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
