Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 25

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 25)

Специфика такого наружного охлаждения за- 4.2. Способы охлаждения ЖРД 151 ключается в том, что охладитель находится в жидком состоянии только на начальном участке охлаждающего тракта, основная же часть поверхности камеры охлаждается газообразным охладителем.

На рис. 8.7 (см. далее гл. 8) приведен пример упрощенной схемы охлаждения камеры низкокипящим компонентом — водородом. Жидкий водород поступает в насос и оттуда в охлаждающий тракт, где он испаряется, так что большая часть поверхности камеры охлаждается газообразным водородом, который нагревается при этом до 200...250 К (см. З 4.13). Кроме того, были проекты, в которых предлагалось охлаждать ЖРД больших тяг водой таким образом, чтобы в охлаждающем тракте вода нагревалась до температуры кипения 1251.

Образующийся при этом пар поступает в турбину и используется для привода насосов, подающих компоненты. Внутреннее охлаждение При внутреннем охлаждении температура стенки Тс„,, снижается благодаря защите ее жидкостной пленкой нли газовым слоем пониженной, по сравнению с ядром, температуры, создаваемой с внутренней стороны стенки. Такой слой обычно называют пристеночпым слоем. Если при наружном охлаждении задача сводится к тому, чтобы как можно эффективнее отбирать тепло, поступающее в стенку, не защищенную от воздействия нагретых до высокой температуры газов, то при внутреннем охлаждении путем создания пристеночного слоя пониженной температуры снижаются тепловые потоки в стенки камеры двигателя. Температура газа в пристеночном слое снижается за счет искусственного обогащения этого слоя одним нз компонентов, который в данном случае и является охладителем.

В ЖРД без дожигания обычно таким компонентом является горючее, а в ЖРД с дожиганием защитным слоем может быть пристеночный слой с избытком окислителя. Избыток компонента для создания пристеночного слоя подается или через форсунки, расположенные по периферии головки, или через специальные пояса, которые могут быть расположены как непосредственно у головки камеры двигателя, так и в цилиндрической и сопловой частях камеры. При подаче избытка горючего через периферийные форсунки (рис. 4.4, а) происходит смешение и горение компонентов у стенки при а ~ 1 с образованием пристеночного слоя продуктов сгорания, который и защищает стенку от высоких тепловых потоков.

Преимуществом такой организации внутреннего охлаждения является простота создания защитного пристеночного слоя без каких-либо усложнений конструкции камеры. Однако с увеличением длины камеры экономичность этого способа охлаждения ухудшается, Глава 4. Охлаждение ЖРД 152 3 4 5 7 4 В б Рис. 4.4. Схемы создания пристеночного слоя для внутреннего охлаждения: а — с помощью периферийных форсунок; б — с помощью поясов охлаждения; 1 — окислитель; 3 — горючее; 3 — стенка камеры; 4 — пограничный слой; 5— присгеиочиый слой; 6 — периферийные форсуики; 1 — жидкий охладитель; В— пояса так как чем дальше отдален участок стенки от головки, тем больше происходит размывание пристеночного слоя.

Для некоторых двигателей более экономично, но конструктивно более сложно, внутреннее охлаждение охладителем, подаваемым через специальные пояса (рис. 4.4, б). При подаче жидкости через пояс охлаждения механизм защиты стенки от прогара можно представить следующим образом (рис. 4.5). Под воздействием высоких тепловых потоков жидкость испаряется и над слоем жидкости создается защитный слой из паров жидкости и продуктов сгорания (если в слое происходит реакция горения). Таким образом, получаются как бы два защитных слоя: жидкости и пара. Поступающая жидкость, увлекаемая с большой скоростью потоком продуктов сгорания, растекается по стенке камеры очень тонким слоем.

За счет испарения толщина парового слоя над жидкостью нарастает по направлению движения потока продуктов сгорания до участка, где жидкость 153 4.2. Способы охлаждения ЖРД Рис. 4.5. Схема защитного действия внутреннего охлаждения: а — подача через пояс охлаждения; б — транспирационное охлаждение; 1 — охладителм 2 — пористая стенка; 3 — жидкостный слой; 4 — паровой защитный слой; 5 — поток продуктов сгорания подачи охладителя испарится полностью. За этим участком происходит уже постепенное уменьшение толщины парового слоя ввиду перемешивания его с основным потоком, т. е.

размывания завесы, однако интенсивность размывания парового слоя относительно невелика, и поэтому защитное действие слоя сохраняется на относительно больших расстояниях. Поскольку плотность пара охладителя во много раз меньше плотности жидкости, то и толщина парового слоя больше толщины слоя жидкости. Кроме того, так как теплопроводность пара во много раз меньше теплопроводности жидкости, термическое сопротивление парового слоя в несколько раз выше термического сопротивления жидкостного слоя. В результате совместного влияния этих двух факторов основным защитным слоем можно считать слой пара (или смеси пара с продуктами сгорания).

На рис. 4.6 приведены экспериментальные данные изменения тепловых потоков в различных сечениях по длине камеры ЖРД в зависимости от секундного расхода воды, подаваемой для внутреннего охлаждения. Так, например, в сечении № 8 (критическое) при расходе воды до 1 г/с теплоотдача в стенку камеры двигателя почти не изменяется, так как весь образовавшийся при этом пар смывается потоком газа. При дальнейшем увеличении расхода охлаждающей воды образуется паровая завеса и тепловые Глава 4.

Охлаждение ЖРД 154 Топливо: 75% СгНгОН+газ Ог Охи алитель — вола д, Мвт/мг 6,51 5,58 4,65 3,72 2,79 1,86 0,93 0 5 !О 15 20 лгм г/о Рис. 4.6. Влияние внутреннего охлаждения на величину теплового потока потоки в стенку камеры заметно уменьшаются прямо пропорционапьно расходу охладителя на завесу. Однако при расходах охладнтеля выше 18 г/с дальнейшего заметного уменьшения тепловых потоков уже не происходит. Причина этого явления состоит в том, что как только жидкостная пленка дошла до рассматриваемого участка и, таким образом, вся поверхность сопла от пояса подачи охлаждения до сечения № 8 оказалась покрытой жидкой пленкой, дальнейшее увеличение расхода охладителя не изменяет площади поверхности жидкости, с которой происходит образование пара, защищающего данный участок стенки, а следовательно, и толщины парового защитного слоя над рассматриваемым участком.

Это приводит лишь к увеличению толщины жидкого слоя, что, как было сказано, существенного влияния на теплообмен не оказывает. Таким образом, основной задачей при организации внутреннего охлаждения является создание устойчивой паровой завесы у стенки. Разновидностью внутреннего охлаждения является так называемое транснираг/ионное охлаждение. В этом случае стенку камеры изготавливают из пористого материала и охладитель поступает через поры равномерно по всей поверхности камеры (см. рис. 4.5, б1.

В качестве охладителя в этом слу- 155 4.2, Способы охяаясдения ЖРД Рис. 4.7. Схемы поясов подачи внутреннего охлаждения: а — пояс отверстий; б — шелевой пояс чае могут быть использованы как жцлкость, так и газ. При пористом внутреннем охлаждении для создания надежной завесы требуется незначительное количество охладителя. Выполнять всю камеру из пористого материала нет необходимости, так как устойчивую паровую завесу можно создать и с помощью пористого пояса охлаждения. Недостатком имеющихся пористых материалов является то, что при работе двигателя поры могут быстро засоряться. Поэтому очень трудно создать пористый материал с постоянным по времени гидравлическим сопротивлением на всей поверхности материала. В известных конструкциях ЖРД внутреннее охлаждение осуществляется либо с помощью периферийных форсунок в головке ЖРД, либо с помощью специальных поясов охлаждения, выполненных в виде кольцевой щели или ряда отверстий на камере сгорания (рис.

4.7). По-видимому, можно так организовать внутреннее охлаждение, что оно обеспечит работу камеры двигателя в течение необходимого времени без прогара. Однако при одном только внутреннем охлаждении потребуется подавать такое количество компонента-охладителя, что часть его останется несгоревшей и потери удельного импульса будут сравнительно высокими (см. 5 3.6). Поэтому наиболее целесообразно используемое в большинстве ЖРД сочетание внутреннего и наружного охлаждений — смешанное охлаждение. Смешанное охлаждение позволяет при расходе на внутреннее охлаждение 1...3 % от общего расхода топлива организовать надежную защиту стенок камеры от прогара при сравнительно малых потерях удельного импульса. При этом используется организация внутреннего охлаждения как с помощью периферийных форсунок, так и путем установки поясов охлаждения (рис.

4.8). Радиационное охлаждение В сопле двигателя при больших значениях отношения ри/р, происходит сильное уменьшение плотности и температуры продуктов сгорания, что, в свою очередь, приводит к значительному уменьшению конвективных и лу- 156 Глава 4. Оишждение ЖРД Рис. 4.8. Примеры схем смешанного охлаждения: а — внутреннее охлаждение с помощью периферийных форсунок; о — внутреннее охлаждение с помощью поясов охлаждения; 4 — окислитель; 2 — пристеночный слой; 3 — горючее; 4 — пояса охлаждения чистых тепловых потоков. При этом охлаждение стенки можно обеспечить за счет отвода от нее тепла излучением в окружающее пространство. Такое охлаждение называется радиационным. При радиационном охлаждении температура стенки Т„может стать намного выше термодинамической температуры потока продуктов сгорания.

С увеличением Т возрастают лучистые тепловые потоки от стенки как за счет роста Т, так и за счет увеличения степени черноты стенки с . В результате сильно возросшего излучения стенки в окружающую среду (или вакуум) будет происходить интенсивное охлаждение стенки. Кроме того, излучение от стенки к продуктам сгорания может стать больше излучения продуктов сгорания,и направление потока д„ будет уже от стенки к газам, что также приведет к некоторому охлаждению стенки. При радиационном охлаждении вследствие равновесия между подводом и отводом от стенки тепла устанавливается определенная равновесная температура стенки Т„р.

Если величина Т р не превышает допустимых значений температур для данного материала, то возможно чисто радиационное охлаждение стенки. При значениях Т „ббльших, чем допустимые, необходима дополнительная защита стенок с помощью внутреннего охлаждения или термостойких покрытий (подробно о радиационном охлаждении см. ~ 4.13). Абляционное охлаждение Абляцией называют процессы испарения (или сублимации), плавления, горения и разрушения поверхностного слоя тела, сопровождающиеся уносом массы вещества. 157 4.2. Способы охлаждения ЖРД В ЖРД большое распространение получило абляиионное охлаждение, при котором защита стенок от прогара осуществляется путем нанесения на внутреннюю поверхность аблирующих покрытий.

Поскольку при абляционном охлаждении происходит унос массы защитного покрытия, иногда такое охлаждение называют также охлаждением путем уноса массы. Абляционное охлаждение весьма эффективно и широко применяется для защиты от прогара камер двигателей верхних ступеней и насадков высотных сопел.

Характеристики

Список файлов домашнего задания