Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Кроме того, при спиральной навивке труб трудно обеспечить гладкий контур внутренней поверхности вдоль продольной образующей камеры и сопла. Поэтому для трубчатых камер характерно продольное расположение трубок. Наиболее распространенная форма сечения трубок — прямоугольная или трапециевидная со скругленными углами. Применяются как медные или алюминиевые трубки, так и трубки, выполненные из жаропрочных сплавов. Толщина трубок в зависимости от параметров работы ЖРД и материала лежит в пределах 0,3...1,0 мм. По периметру камеры сгорания обычно размещается 250 — 350 трубок.
Для увеличения прочности трубчатой камеры по ее длине размещают несколько силовых колец — бандажей, а на наиболее напряженных участках камеры поверх трубок часто надевают сплошную обечайку. Для увеличения прочности оболочки камеры и сопла возможно также размещение трубок в два ряда: один над другим (см. рис. 4.29, 4). Основным преимуществом трубчатых камер по сравнению с другими конструкциями охлаждающего тракта является выигрыш в весе. Кроме того, трубки выдерживают высокие давления в тракте и обеспечивают хороший теплосъем охладителем как благодаря малой толщине стенок, так и за счет эффекта оребрения. Трудность выполнения камер с продольным размещением трубок состоит в том, что по длине образующей трубка должна иметь переменное сечение (рис. 4.30).
Особенно значительно изменяется профиль трубок для камер, Рис. 4.30. Изменение сечения трубок по длине образующей Глава 4. Охлаждение ЖРД 218 имеющих сопло с большой геометрической степенью расширения. Установка различного количества трубок по длине камеры двигателя вместо изменения их профиля (рис. 4.31) весьма затруднительна конструктивно и применяется сравнительно редко. Разновидностью трубчатых камер являются камеры, составленные из П- образных профилей (см. рис. 4.29, б), по которым проходит охлаждающий компонент.
Профили набираются по форме камеры, спаиваются вдоль образующей и снаружи перекрываются силовой обмоткой. Рис. 4.31. Трубчатая камера с перемен- ным числом трубок Подвод охладителя к охлаждающему тракту Равномерность подачи охладителя по периметру охлаждающего тракта весьма важна, так как иначе может возникнуть опасность прогара на участках, где расход охладителя будет меньше номинального. Для обеспечения равномерности подачи охладителя на входе в охлаждающий тракт устанавливаются сборные концентрические коллекторы (рис. 4.32). В двигателе ракеты А-4 (см.
далее рис. 5.4) равномерность подачи охладителя обеспечивается подводом его к коллектору по шести равнорасположенным трубкам, что усложняло и утяжеляло конструкцию всей установки. Дальнейший опыт показал, что достаточно одной-двух подводящих трубок. Выбор места расположения и формы сечения коллектора определяется конструкторско-технологическими соображениями. Входной коллектор обычно устанавливается в сопловой части двигателя. Так, на рис. 4.32, а, б, г показан коллектор, который установлен непосредственно у среза сопла.
Если условия охлаждения позволяют, то для уменьшения габаритных размеров поперечного сечения двигателя и веса конструкции коллектор смещается в сторону критической части сопла. Из коллектора в тракт охладитель поступает либо через щель (рис. 4.32, а), либо через отверстия, выполненные в наружной оболочке (рис.
4.32, б). В трактах с продольными ребрами или гофрами место расположения и размеры отверстий должны обеспечить поступление охладителя во все каналы тракта (рис. 4.32, в, г). 219 4. 10. Формы охлаждающих трактов камер ЖРД Рис. 4.32. Схемы подвода охладителя: а, б — щелеаой охлаждающий траки в, г — оребренный охлаждающий тракт; ! — гофры; ! — ребра; 3 — коллектор В трубчатых камерах целесообразно располагать входной коллектор прямо около головки камеры (см. далее рис. 5.3). При этом охладитель из коллектора поступает в каждую вторую трубку, проходит по ней до конца охлаждаемой части сопла и, возвращаясь обратно по рядом расположенной трубке, поступает непосредственно в головку.
Такой способ разводки охладителя называют двухходовыле, или в два хода. При такой разводке охладителя несколько увеличиваются гидравлические потери в охлаждающем тракте, но зато отпадает необходимость в развитом сечении коллектора в сопловой части и уменьшается длина магистральных трубопроводов подачи охлаждающего компонента, что приводит к снижению массы конструкции. При расположении трубок, показанном на рис.
4.31, движение охладителя по трубкам через одну используется только на входной части сопла. В наиболее теплонапряженном, критическом, сечении охладитель двигается по всем трубкам в направлении к головке камеры. Такая разводка иногда называется полуторагодовой. При размещении трубок в два ряда (см. рис. 4.29, 4), очевидно, удобно использовать второй ряд трубок для обратного движения охладителя, так что во внутреннем ряду трубок компонент движется по всем трубкам в одном направлении. 220 Глава 4. Охлаждение ЖРД 4.11.
Расчет теплоотдачи и оребренном охлаждающем тракте Коэффициент оребрения При наличии продольных ребер, гофров или припаянных проставок тепло- отдача от стенки камеры двигателя к охлаждающей жидкости растет за счет эффекта оребрения поверхности. Такое изменение теплоотдачи удобно учитывать, введя коэффициент эффективности оребрения х)р и эффективный коэффициент тенлоотдачи с учетом оребрения а„р, связанные зависимостью (4.201) а р =х)ра . как стержень конечной длины Е = Ь,„„; теплоотдачей с торцов пренебрегаем. Тогда, поскольку температура у основания стержня равна Т , распределение температуры по высоте ребра и тепловой поток через основание ребра 0р„„ будут определяться выражениями [18): 7р — 7ж сй (т (Ь,хл — х)) Т вЂ” Т сй(тЬ,„,) 0рхжн = 2 ркрт(Тот.ж Тж)Г)з(тЬохл) ° бр Здесь Тр — температура поверхности ребра, переменная по длине его; х — рас- Рис.
4.33. Расчетная схема для оп- ределения по и о ЗнаЯ т1р и а р длЯ заданного оРебРенного охлаждающего тРакта, дальнейшие расчеты охлаждения проводим, как для обычной гладкой поверхности, используя коэффициент а р вместо а . Выведем формулы для определения коэффициента эффективности оребрения г1р 119].
Расчетную схему представим в виде плоской стенки с ребрами (рис. 4.33). Допустим также следующее: коэффициент теплоотдачи а„постоянен по всему периметру охлаждающего тракта; температура охладителя Т по сечению тракта одинакова; температура стенки у основания ребер Т„ постоянна и равна температуре ребра у основания; теплопроводность оребренной стенки Хр не зависит от температуры и равна какому-то среднему значению. (В общем случае теплопроводность стенки Х отлична от теплопроводности ребер Хр. При этом на эффективность оребрения и, в конечном счете, на а р влияет Хр, в то время как Х„ лимитирует тепловой поток через стенку.) Каждое ребро будем рассматривать 4.!1.
Расчет тенлоотдачи в оребренном охлаждающем тракте 22! стояние от основания ребра; Хр — теплопроводность материала оребренной стенки; ажПр откуда имеем Количество тепла Д, отдаваемое жидкости от оребренной стенки на участке, равном шагу оребрения а + бр, определяется выражением Д =(х а1р (7е„,~ — 7ж)+Хрбр1ри(7„т — 7~)й(пйш„) = =п 1р(7„— 7 ) а+ ' 'й Ь,„„ где а — пролет между ребрами.
Поскольку площадь поверхности стенки со стороны газа определяется по формуле ЛЯ~,„=(а+б )1, найдем плотность теплового потока, отнесенную к этой площади 2п бр и,„„ к ~л бр Й а 26,хл + Че схж (7лт.ж 7ж ) 0 Ы а+бр а+бр 2а. б Ь„л Обозначив 2ссжбр ~охл б Л1) =— гп с, Р, (4.203) (4.204) где Ер и Пр — площадь и периметр поперечного сечения ребра. В охлаждающих трактах ЖРД толщина ребра бр значительно меньше его длины 1р.
Поэтому Пр 2!р + 2бр 2 1 б, б, ' 222 Глава 4. Охлаждение ЖРД У(г);1/ 1 1,0 выражение (4.202) можем переписать в виде дт =а з)р(҄— Т ), (4.205) 0,8 где 0,6 ц = ' + ~~"л Т(Ц, (4.20б) а+бр а+ бр 0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 Ц Рис.4.34. График зависимостиЯ~) от г, Выражение (4.20б) является формулой для определения коэффициента эффективности оребрения . Для удобства расчета по этой формуле на рис. 4.
34 приведен график функции7"(г). Поскольку согласно выражению (4.201) а р =а 1)р, формулу (4.205) можно переписать в виде дт =а р(Тм -Т ). (4.207) Получили формулу для определения ат, аналогичную формуле (4.190), однако вместо а здесь входит эффективный коэффициент теплоотдачи с учетом оребрения а р. Эффективность и оптимальная геометрия оребрения Следует отметить, что вследствие принятых допущений из выражения (4.206) получаем несколько завышенные значения пр по сравнению с действительными.
Кроме того, при расчете з)р лля охлаждающего тракта с припаянными гофрамн значения т~р получаются еще более завышенными, так как не учитывается дополнительное термическое сопротивление в местах припоя гофр к стенке. Анализируя выражение (4.20б) и учитывая равенство (4.203)„мы видим, что эффективность оребрения при фиксированном значении а зависит от теплопроводности материала Хр и геометрии оребрения. С увеличением л.р уменьшается с„возрастаете) и растет з)р. Причина роста з)р в том, что с увеличением Хр термическое сопротивление ребра становится малым по сравнению с термическим сопротивлением теплоотдачи к охладителю, температура боковых поверхностей ребра становится равной температуре основания, за счет чего и улучшается теплообмен.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
