Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Однако при длительной работе ЖРД вес теплозащитного материала должен быть довольно значительным, что является серьезным недостатком этого способа. Вторым недостатком абляционного охлаждения является изменение формы камеры и сопла вследствие уноса массы, а иногда и вследствие отслаивания и выкрошивания материала. Другие способы защиты стенок камеры двигателя от прогара Весьма эффективным способом защиты стенок камер ЖРД от прогара может явиться нанесение на «огневую» стенку термостойких покрытий.
Еще К. Э. Циолковский предлагал обкладывать внутренние стенки камеры двигателя графитом, вольфрамом или другими жаростойкими материалами. На рис. 4.9 показана камера сгорания ОРМ-9, разработанная в 1930 г., на которой проводилась отработка керамической теплоизоляции на основе оксидов циркония и магния. В сопловой части камеры была сделана медная вставка для аккумуляции тепла. Для камер ЖРД длительного действия (порядка нескольких минут) весьма возможно комбинированное охлаждение — сочетание тонкослойных термостойких покрытий (0,1...0,4 мм), например на основе карбида, вольфрама Рис. 4.9.
Камера сгорания двигателя ОРМ-9: 1 — керамическое покрытие; 2 — медная вставка для аккумуляции тепла Глава 4. Охлаждение ЖРД 158 или диоксида циркония, и проточного наружного охлаждения. При комбинированном охлаждении можно обойтись без внутреннего охлаждения и связанных с ним потерь удельного импульса, однако трудно удовлетворить жестким требованиям к покрытию, предъявляемым условиями работы ЖРД. Покрытие должно обладать высокой температурой плавления, стойкостью к тепловым ударам, низкой теплопроводностью, а также иметь низкий коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту линейного расширения основного материала, хорошую адгезию к материалу камеры и удовлетворительные антикоррозийные свойства.
В табл. 4.1 приведены теплофизические свойства некоторых тугоплавких материалов. Таблица 4.1 Коэффициент тепло- проводпоВт/(м К) Коэффициент линейного расширения, 10в К Модуль упругости, Н/м Теплоем- Температура плавления, 'С Сим- кость, 10 ~, Материал ность, кг/м вол 0,134 3420 174 39,3 19350 1400... ...1960 3500 75...290 до 350 1,63 ... 1,98 7... 10 0,59... ...0,785 2280 3500 0,712 ЕгОг 2900 10 5580 ТаС 14400 3985 22,1 33,8 16,7 0,197 Т)С 4920 3257 4,1 34,8 6,3 6730 3530 20,5 5,1 0,264 33 137 Мо 10220 2620 8,8 3970 2046 27,9... 30,2 А1гОз 13,5 2825 34,9 3580 МйО Та 0,138 18 65 6,57 16654 2996 58 Вольфрам Графит (прессо- ванный) Графит (чистый) Окснд циркония Карбид тантала Карбид титана Карбид циркония Молибден Оксид алюминия Оксид магния Тантал Теплофизические свойства тугоплавких материалов (при нормальных условиях) 4.2.
Способы охлаждения ЖРД 159 Комбинированное охлаждение часто соз- 1 дается в существующих ЖРД самопроизволь- г но, благодаря осаждению сажи на внутренней стенке камеры; замечено, что при этом охлаждение камеры двигателя улучшается. 4 Защиту стенок камеры от прогара в течение 5 определенного времени можно также обеспечить, применяя материалы с высокой тепло- е проводностью.
В этом случае тепло, поступающее в стенки камеры, вследствие хорошей их теплопроводности быстро распространяется по всей массе материала, поглощается за счет теп- Рис. 4.10. Стенка иеохлажлоемкости и таким образом как бы аккумулируется в стенках камеры. Поэтому такой способ ! — вольфрам; 1 — карбнлный называют защитой с помощью аккумуляЧии слой; 5 — графит; 4 — керамика; тепла, или емкостным охлаждением. 5 — пластмасса; 6 — металличеИСПОЛЬзование аккумуляции тепла целе ский каркас; 7 — обмоткаизпла- стмассовых нитей сообразно при таких условиях работы двигателя, когда за кратковременной работой следует продолжительный период охлаждения. Для обеспечения работоспособности неохлаждаемой камеры двигателя в течение длительного времени 1'60...100 с) часто используют сочетание термостойких покрытий с аккумулирующими тепломатериалами.
На рис. 4.10 приведен пример конструкции стенки сопловой части неохлаждаемой камеры двигателя. Внутренняя (огневая) стенка 1 изготовлена из тонкого слоя вольфрама, выдерживающего высокие температуры (до 2700...3300 К), и выполняет только функцию термостойкого защитного покрытия. Графитовый слой 3 является основным аккумулирующим слоем. Промежуточный карбидный слой 2 служит для предотвращения диффузии углерода в вольфрамовую оболочку и не допускает скопления газа между термостойкой стенкой и теплопоглощающим слоем. Керамический слой 4 и пластмассовый слой 5 являются тепло- изолирующими слоями для защиты основного металлического каркаса б, несущего силовую нагрузку. Снаружи стенка имеет еще обмотку из пластмассовых нитей 7.
Для неохлаждаемых участков камеры или сопла исследуется также возможность применения пористых материалов с наполнителем из легкоплавких материалов. Под воздействием высоких тепловых потоков наполнитель испаряется и как бы выпотевает из пор; при этом у стенки образуется защитная завеса охлаждения, Глава 4. Охлаждение ЖРД 160 4.3. Процесс конвективной теплоотдачи от газа к стенке Динамический и тепловой пограничные слои г Рнс. 4.12. Изменение термодннамнче- ской температуры Т н температуры торможения Т, по толщине теплового пограничного слоя; Рис. 4.11. Пограничные слои: 1 — динамический; 2 — тепловой - - — - — длл теплоитплироваииой стенки; — — при отводе тепла от стенки При движении сжимаемой жидкости с высокой скоростью вдоль стенки камеры сгорания и сопла ЖРД на поверхности стенки образуются динамический и тепловой пограничные слои (рис.
4.11). В динамическом пограничном слое под действием сил вязкости скорость движения потока снижается от скорости в ядре потока до нуля у стенки, где газ как бы «прилипает» к ней. В тепловом пограничном слое изменяется температура газа от значений в ядре потока до значений у стенки Т„„. В зависимости от того, имеется отвод тепла от поверхности стенки или не имеется (теплоизолированная стенка), характер изменения температуры различен.
При полностью теплоизолированной стенке (иногда ее называют непроницаемой) величина Т„в идеальном случае будет равна температуре торможения ядра потока Та (рис. 4.12). При отводе тепла от стенки температура Т, будет ниже Тв„, что определяется интенсивностью теплоотвода от поверхности внутрь стенки. В общем случае толщина теплового пограничного слоя б, может быть большей, меньшей или равной толщине динамического слоя Ь. В пограничном слое может иметь место как ламинарное, так и турбулентное течение.
Соответственно, мы будем иметь ламинарный или турбулентный пограничный слой. При скоростях потока, обычных для ЖРД, на стенках камеры и сопла образуется турбулентный пограничный слой. При зтом на главное движение как бы накладывается неупорядоченное пульсационное движение, так что в каждой данной точке параметры потока (скорость, давление и т. д.) не остаются постоянными во времени, а часто и неравномерно изменяются вдоль и поперек потока. В результате происходит перемещение и перемешивание частиц жидкости (или газа).
Эти перемещающиеся частицы обычно Т„ 4.3. Проиесс канвективнай тенлаатдачи от газа к стенке 161 называют турбулентными молями, или молями лсидкости. Хотя величина пульсаций параметров потока незначительна и составляет всего несколько процентов от их средних значений, на процессы трения и теплообмена пуль- сации оказывают решающее влияние. Осредненное и пульсационное движение Вследствие сложности пульсационного движения строгий теоретический расчет параметров турбулентного течения невозможен, и поэтому закономерности его исследуются для осредненных по времени величин, характеризующих это течение.
При этом турбулентное течение рассматривают как состоящее из двух видов движения: осредненного и пульсаиионного. Таким образом, если, например, в данной точке среднее по времени значение скорости равно (го), а значение пульсационной скорости равно из', то скорость в данной точке за время т определяется по формуле из = (из) + из', (4.8) где 1 мвз (зо) = — ) инй. т (4.9) Аналогично, все остальные параметры потока также можно представить через осредненные и пульсационные значения. Дополнительные (кажущиеся) турбулентные напряжения трения и перенос тепла (4.10) а» = Рго" где зо и и — компоненты скорости соответственно по оси з и у. Проведя осреднение скоростей, получим .У» = р((из) + и)((и) + и) = р((го) (и) + (и) ш'+ (и>) и'+ зов).
Наличие пульсационных скоростей влияет на осредненное движение таким образом, что в нем как бы увеличивается сопротивление деформации, т.е. возникает некоторая дополнительная, кажущаяся, вязкость. Действительно, если рассмотреть в пограничном слое линию, параллельную оси з (рис. 4.13), то составляющая по оси у потока импульса через единичную площадку в единицу времени определяется следующим образом: Глава 4. Охлаждение ЖРД 162 Среднее значение потока импульса будет равно Поскольку согласно правилам осреднения ((о) го') = ((го) о') = О, ((то) (о)) = (ш) (о), (4.12) то (4.13) т. е. за счет пульсаций поток количества движения изменяется на величину р(гоЪ'), которая эквивалентна касательному напряжению. Следовательно, величина дополнительного турбулентного (или кажущегося) напряжения за счет пульсаций имеет вид т, = — р(го'о').
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
