Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Приведем методику определения этих величин. Определение степени черноты продуктов сгорания е, Как указывалось, из газов, составляющих продукты сгорания ЖРД, практическое значение для расчета д„имеет только излучение НзО и СОь Поэтому принимается, что излучательная способность продуктов сгорания е„зависит Формулу (4.183) следует использовать для расчета д, в двигателях, имеющих высокие значения Т „, например при применении различного рода керамических или других жароупорных покрытий. В двигателях с медными или стальными охлаждаемыми стенками, не Рис. 4.20.
Распределение а„по длине имеющими никаких специальных жаро- лв "га'ел" упорных покрытий, величина Т „сравнительно невелика, и поэтому значение второго члена (4.183) также невелико, следовательно, тепловым излучением стенки можно пренебречь. В этом случае формула 14.183) будет иметь вид 205 от излУчательной способности паРов воДы ензо и Углекислого газа есоз и определяется выражением ег = ОН О + ЕСО аН,О8СО ° (4.185) Последний член в выражении (4.185) означает, что излучение смеси Н20 и СО2 несколько меньше суммы излучений этих газов, так как полосы излучения и поглощения для Н20 и СО2 частично совпадают. Поэтому энергия излучения, например Н20, частично поглощается углекислым газом, и наоборот.
Излучательная способность паров воды он,о является функцией температуры, параметра (р1,) и давления в камере. С учетом всех этих факторов ан,о определяется формулой ен,о =1 — (1 — 80 н,о) (4.! 86) где ао н,о =ЛТ рн,о1э) — степень черноты Н20 при рн,о -+ 0 и р„= 0,101 МПа; 1сн,о =урн,о, рн,о1э) — коэффициент, учитывающий влияние давления на ан,о.
вон,о 1,О 0,8 0,6 0,5 0,4 о,з о,г 0,16 0,12 0,10 0,08 0,06 0,05 о,оа о,оз О,О2 0,016 0,2 0,15 г, к Рис. 42!. Зависимость слно =ЯТ рно1), где рно — в бар, 1, — в м 4.В. Определение лучистых тепловых потоков 0,012 О,О1 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Рн,ог, 60 40 20 !о 6 4 3 2 1 0,8 0,6 0,4 о,з Глава 4. Охлаждение ЖРД 206 Рн!о !э 0,01 и 16 О,! 0,2 0,4 0,6 ! 2 4 6 !О 12 1О 20 40 60 1,6 1,2 ! 1 2 1 6 2 3 4 5 6 8 10 !2 6 20 30 рн о бар Рис.
4.22. Зависимость 1 + !он,орн,о =урн,о, рн,о!о) Значение вон о= ~(7, рн о1,) определяется по графикам на рис. 4.21, полученным путем экстраполяции данных Хоттеля и Эгберта 118]. График зависимости и = 1+ 1гн,о =урн,о, рн,о1о) представлен на рис. 4.22 (влияние темен!о пературы на lгнхо незначительно 1,0 0,8 в=! 0,6 0,4 0,2 0,6 0,8 ео н о 0 0,2 0,4 Рис. 4.23. Вспомогательный график для рас- чета ен,о =Яго н,о, !гн,орн,о) и поэтому не учитывается). Для расчета ан,о по формуле (4.186) можно воспользоваться вспомогательным графиком зависимости ан,о = Леон,о, /гн,оРн,о) (рис. 4.23).
Излучательная способность углекислого газа есо, = 1(,т, рсоа определяется по графикам, представленным на рис. 4.24 (от давления асс, зависит незначительно). Определив ан,о и асс,, по формуле (4.185) находим степень черноты продуктов сгорания а„. 207 есоз 0,4 0,3 0,2 0,16 0,12 0,10 0,08 0,06 0,05 0,04 0,03 0,025 Определение эффективной излучательной способности стенки а„лф.
При наличии излучающего газа эффективная излучатЕЛЬНая СПОСОбНОСтЬ СТЕНКИ а„лф бОЛЬШЕ ОбЫЧНОГО ЗНаЧЕНИя ИЗЛуЧатЕЛЬНОй способности стенки 0 и зависит еще от излучательной способности газа а„: а лф =е (1+(1-0 )(1-0„)). (4.187) Поскольку часто стенки покрыты сажей, в этом случае независимо от мате- риала стенки можно считать а„= 0,8. Если сажи на стенках нет, ориентиро- вочные значения е для различных материалов можно брать из табл.
4.3. Таблица 4.3 Излучательная способность с для различных металлов 4.8. Оиределелие лучистых тепловых потоков 000 1500 2000 2500 3000 3500 Т, К Рнс. 4.24. Зависимость есо,=~(Т,рсо,1,1 рсоз1 40 20 !О 6 4 2 Глава 4. Охлаждение ЖРД 208 О к о и ч а и и е т а б л. 4.3 Определение поглощательной способности газа А,. Поскольку температура газа не равна температуре стенки и газ поглощает селективно„ то в общем случае е„ Ф А,.
Однако при технических расчетах можно принимать А, = е'„, где е'„ — излучательная способность газа, взятая при температуре «газовой» стенки Т„„. При этом е'„ определяется по формуле (4.185). Определение а, при отсутствии прнстеночного слоя При расчете считаем известными размеры и форму камеры, состав и температуру продуктов сгорания, давление в камере и температуру «газовой» стенки.
Имея эти данные„можно установить следующий порядок расчета ол. 1. По табл. 4.2 определим длину пути луча 1,. 2. Определим по формуле (4.185) излучательную способность газа в„в камере сгорания. 3. Считая в = 0,8 при наличии сажи на стенках или определяя а из данных табл. 4.3 при отсутствии сажи, по формуле (4.187) находим эффективную излучательную способность стенки е„,ф. 4. В случае высокого значения Т, определим А„. 5. Определим лучистые тепловые потоки в камере сгорания а, „. При наличии керамических или жаропрочных покрытий, обусловливающих высокую Т „рассчитаем алл по формуле (4.183). При отсутствии покрытий излучением стенки пренебрегаем и расчет ан„проводим по формуле (4.184). б.
Зная а„„, определим распределение лучистых тепловых потоков по длине камеры сгорания и сопла ЖРД. 4.9. Определение теплоотдачи от стенки к охлаждающей жидкости 209 Определение д, при наличии пристеночного слоя Пристеночный слой продуктов сгорания при внутреннем охлаждении стенок камеры ЖРД имеет более низкую температуру, чем ядро потока. Этот слой играет роль полупрозрачного экрана мелсту ядром потока и стенкой. Количество энергии, излучаемой пристеночным слоем, сравнительно невелико вследствие его низкой температуры. В то же время этот слой может поглощать значительную часть лучистой энергии, направленной от ядра потока к стенке, так как в составе компонентов слоя так же, как и в составе продуктов сгорания ядра, преобладают основные излучающие и поглощающие газы Н20 и СОъ Таким образом, пристеночный слой снижает лучистые тепловые потоки, направленные в стенку камеры двигателя, на 30...
60 '.4. Рассмотрим упрощенный способ учета влияния пристеночного слоя. В обычном диапазоне значений отношения К /К = 0,3...0,6 уменьшение интенсивности излучения в стенку можно принять постоянным и тогда выражение для приближенного расчета дл имеет вид 9,,„р —— 0,65фве„лф9„, (4.188) где д, — удельный лучистый тепловой поток при отсутствии внутреннего охлаждения (4.184); дпла — удельный лучистый тепловой поток с учетом влияния пристеночного слоя; в„,ф — эффективная излучательная способность стенки; 0,65 — коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности излучения при внутреннем охлаждении; у — коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности излучения ядра потока вследствие уменьшения поверхности излучающего объема продуктов сгорания по сравнению с поверхностью камеры сгорания„воспринимающей излучение: й„— 2Н А„' — 2Н где (х, — диаметр камеры сгорания, Н вЂ” шаг между форсунками, Ь„' — длина камеры сгорания до критического сечения.
Таким образом, определив величину лучистого теплового потока при отсутствии внутреннего охлаждения в порядке, приведенном выше, окончательное значение лучистого теплового потока с учетом пристеночного слоя 9л „р мы находим по формуле (4.188). 4.9. Определение теплоотдачи от стенки к охлаждающей жидкости От стенки к охлаждающей жидкости тепло передается путем конвекции. Величина теплового потока от стенки к охладителю определяется выражением у=а (Т вЂ” Т,„), (4.190) Глава 4.
Охлаждение ЖРД 210 где а — коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости, Т вЂ” температура стенки со стороны жидкости, Т вЂ” температура жидкости. Коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости а целесообразно определять, используя критериальные уравнения, полученные в результате обработки опытных данных по теплообмену в каналах различного сечения. Применительно к теплоотдаче в охлаждающем тракте ЖРД при наличии высоких тепловых потоков целесообразно и достаточно надежно использование формулы М.
А. Михеева 1181: )Чн = 0,021Ке~л Ргв'48 Ч',. (4.191) В формуле (4.191) определяющей температурой является температура охлаждающей жидкости Т, а определяющим размером — эквивалентный (гидравлический) диаметр охлаждающего тракта 4/,. Подставив в формулу (4.191) выражения для Хц, Ке и Рг, получим ~ОЛ х тОЛЗ ж э 0021 рж ж э' 'рж'ж' Ч (4.192) 2ж ~, Иж 2ж где а — коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости (Вт/(м~ К)); 2 теплопроводность жидкости (Вт/(м К)); )х — вязкость жидкости (Па.с); с — теплоемкость жидкости (Дж/(кг К)); р — плотность жидкости (кг/м ); а/, — эквивалентный диаметр поперечного сечения канала (м); Ч', — коэффициент, учитывающий направление теплового потока и температурный напор(/зТ= Т вЂ” Т ). Величины теплоемкости и плотности охлаждающей жидкости, а также значения коэффициентов теплопроводности и вязкости берутся для средней ее температуры на данном участке.
Эквивалентный диаметр 4/, находится по формуле 4Р а/ П (4.193) где à — площадь поперечного сечения канала (м ); П вЂ” полный (смоченный) периметр сечения независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене. Практика показывает, что при нагревании жидкости, т. е. при направлении теплового потока от стенки к жидкости, интенсивность теплообмена выше, чем при обратном направлении теплового потока, т. е. при охлаждении жидкости. Кроме того, интенсивность теплообмена зависит также от температурного напора, т. е. от величины Т вЂ” Т . С увеличением темпера- 4.9. Опредеяекие тепкоотдачи от стенки к оклаждающей жидкости 211 турного напора коэффициент теплоотдачи а при нагревании жидкости возрастает, а при охлаждении убывает.
Зависимость теплоотдачи от направления теплового потока и температурного напора обусловливается тем, что поля температур и вязкости в пограничном слое и толщины самого пограничного слоя при нагревании и охлаждении жидкости различны. Эта зависимость учитывается коэффициентом (4.194) где )г „, с , Х , — соответственно вязкость, теплоемкость и коэффициент теплопроводности охлаждающей жидкости при температуре стенки со стороны жидкости. При охлаждении ЖРД величина Ч', изменяется в пределах 1...2,5.
Приведем выражение (4.192) к более удобному для расчетов виду: 0,43 7 10,8 С! !) О2рОЛ7 ж !Рж ж) Чг ж ж 037 02 т ° 1гж а'г' (4.195) По уравнению неразрывности имеем иж Ржпгж = —, ж (4.196) где и — секундный расход охладителя через рубашку охлаждения !'кг/с); Š— площадь поперечного сечения охлаждающего тракта (м ). У.10-2 УЧ'т!О г ! 10,7 Ю,7 9,! 5,9 5,9 4,3 2,7 1,3 4,3 2,7 1,3 0 50 100 150 200 Тж 'С 0 50 100 150 200 Тж 'С Рис. 4.25. Значение комплекса е,: ! — НгО; 2 — 80 % Н140г ч 20% Хг06 3 — 75%-нмй СгНгОН; 4 — 96%-нмй СгНгОН; 5 — 96%-ная НХОг; 6 — тонка-250; 7- керосин;  — НДМГ Глава 4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
