Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 38
Текст из файла (страница 38)
4.3, установим излучательную способность наружной стенки: в =075. Считая Т р одинаковой по толщине стенки, находим д„„из уравнения (4.230): 4 Т 4 4 9,„= виар — Р = 0~75'5.67 — Р = 4.25 — Р (4233) Подставив выражения для 9„д„и 47, „в уравнение баланса (4.226), получим 4 4 7 4 4,25 — 'Р =29!(1800 — Т р)+0,645 Полученное уравнение легче решать графически. Построив зависимости правой и (Т левой частей уравнения от ~ — р, находим искомое значение равновесной темпе- (, 100)' ратуры стенки: Т~р = 1315 К. Для оценки величин тепловых потоков найдем д„, 4/„и д,„. По уравнениям (4.231) — (4.233) имеем 1/1000'! /13151 1 9„= 0,645 ~ч — г! -~ — ~ = -0,128 10~, Вт/мг ((, 100 100 (знак минус указывает на обратное (от стенки к газам) направление потока), д„= 291(1800 — 1315) =1,41 10', Вт/м, д,„= 4,25~ — ~ = 1,28 ° 10, Вт/м .
г 100 238 Глава 4. Охлаждение ЖРД Та.р, К Сопоставляя полученные результаты, мы видим, что в данном случае величина д„весьма незначительна по сравнению с 11„и а, „и равна приблизительно 10 % от лучистого теплопотока, направленного в окружающую среду. 1500 Часто при радиационном ох- 500 1000 2000 5000 4000 Т рв к лаждении доля д„может быть еще меньшей. Поэтому при оценочРис.
4.43. Зависимость Равновесной темпе- ных расчетах радиационного охратуры стенки от Т,ь р лаждения можно пренебречь лучистым теплообменом от продуктов сгорания к стенке. Если при этом также возможно пренебречь конвекцией в окружающую среду (при работе ЖРД в вакууме или очень разреженной среде), то уравнение (4.226) упрощается и при Т „= Т' р = Т„р в развернутой форме с учетом выражений (4.227) и (4.230) имеет вид ~4 (Тр1р0 Т р) — е с0~ ! (Т ~1003 ' (4.234) Решая это уравнение, используя а„с0/а„в качестве параметра, можно построить графическую зависимость Т р от Т,ев, позволяющую сразу оценить ожидаемое значение Т, (при отсутствии д„и д„„) (рис. 4.43).
Анализируя величины, входящие в формулу (4.226), и графики, приведенные на рис. 4.43, мы видим, что Т„р в значительной степени зависит также от степени черноты стенки е . Чем выше а, тем меньше равновесная температура стенки. Поэтому при радиационном охлаждении наружную излучающую поверхность лучше оставлять шероховатой, так как степень черноты шероховатой поверхности больше, чем полированной. В некоторых случаях целесообразно даже на излучающей поверхности создавать специальные канавки, благодаря чему кажущаяся степень черноты поверхности может быть увеличена на 50... 100 %.
Наружное охлаждение низкокипящими компонентами При работе ЖРД на низкокипящих компонентах (например, 02+ Н2 или Рг+ Н2) организовать наружное охлаждение стенок камеры только жидким компонентом невозможно ввиду очень низкой температуры кипения как горючего, так и окислителя. Охладитель, поступая в охлаждающий тракт, бы- 4.!3, Некоторые специальные случаи охлаждения ЖРД 239 стро превращается в пар, и дальнейшее наружное охлаждение камеры производится уже холодным газом (паром).
Задача надежного охлаждения стенок камеры двигателя при этом сильно осложняется по следующим причинам. При переходе охладителя из жидкого в газообразное состояние коэффициент теплоотдачи от стенки к газу меньше, чем а жидкого охладителя. Удельный объем газообразного охладителя значительно больше, чем жидкого, и значительно увеличивается с ростом температуры (в два-три раза). Поэтому площадь сечения охлаждающего тракта иногда приходится выполнять переменной по длине для того, чтобы в каждом сечении тракта скорость охлаждающего газа обеспечивала значение а, соответствующее поступающему тепловому потоку. Сложность решения задачи усугубляется еще и тем, что при условиях, имеющих место в ЖРД, охлаждение стенок камеры низкокипящим компонентом происходит в околокритической и сверхкритической областях параметров состояния охладителя.
При этом в околокритической области происходит резкое изменение физических свойств охладителя, что оказывает сильное влияние на теплообмен. Так, например, теплоемкость водорода в околокритической области увеличивается в 5 — 1О раз. По сравнению с другими низкокипящими компонентами наилучшими охлаждающими свойствами обладает водород, имеющий высокие значения теплоемкости (примерно в три раза больше, чем у воды, и в четыре раза больше, чем у кислорода). Возможные области состояния водорода при использовании его в качестве охладителя ЖРД В общем случае кривая фазового равновесия р, =~(Т) имеет вид, изображенный на рис. 4.44 (р, — давление на линии насыщения).
Кривая фазового равновесия ОК имеет конечную протяженность и заканчивается в критической точке К, соответствующей для каждого данного вещества вполне определенным значениям рк температуры Тк и давления рк. При значениях давления и температуры выше критических вещество находится в области сверх- критических параметров состояния. В этом случае уже нельзя говорить о фазовом преобразовании вещества, так как вещество не имеет границы жидкой и газообразной фазы и принципиального различия т, т между жидкостью и газом здесь не существует. Хотя Рис. 4А4.
Кривая фазотрудно отчетливо представить себе такую, не имею- вого равновесия Глава 4. Охлаждение ЖРД 240 Т, К 150 Тк =33 25 Рис. 4.45. Области состояния водорода щую границы фаз, среду, принято считать, что вещество в этой области представляет собой конгломерат групп молекул с различной плотностью. Причем в зависимости от значений давления и температуры вещество находится в состоянии, более близком к газу или более близком к жидкости. Если рассматривать водород как охладитель ЖРД, то несколько условно диаграмму, характеризующую агрегатное состояние водорода (рис.
4.45), можно разделить на следующие пять областей: 1 — область кипения; 2 — область околокритического состояния; 3 — область состояния водорода при давлении, значительно превышающем критическое (» 1,25 МПа), и сравнительно невысокой температуре (- до 150 К); 4 — область состояния водорода при сверхкритическом давлении и высокой температуре (выше 150 К); 5 — область газообразного водорода при докритическом давлении.
В настоящее время имеется мало рекомендаций по расчету теплоотдачи к водороду в состояниях кипения, околокритическом и сверхкритическом. Для приближенных расчетов можно воспользоваться предложенными в работе [231 схемами для определения и при различных состояниях водорода.
В первом приближении при расчете охлаждения водородом для определения а можно воспользоваться формулой (4.191). Порядок расчета охлаждения низкокнпящим компонентом Расчет охлаждения низкокнпящими компонентами производится методом последовательных приближений. Для этого камеру сгорания и сопло следует разбить по длине на 15 — 20 участков и последовательно рассчиты- 4.! 3. Некоторые специальные случаи охлаждения ЖРД 241 вать каждый участок.
При этом можно предложить следующий порядок про- ведения расчетов. 1. Зададим распределение температуры «газовой» стенки Т „по длине камеры двигателя и изложенными выше способами определим распределе- ние по длине Ч„Ч Чх. 2. Зная дх и Т „, а также теплопроводность внутренней стенки Х и ее толщину б, определим температуру <окидкостной» стенки по формуле (4.224): цх,.б,, Тст.ж~ Тст.т, где значения Хст,, берем для средней температуры стенки, равной СТ,п + Т, )!2. 3.
Определим значение сс, необходимое для снятия суммарного теплового потока. По формуле (4.190) имеем Ят, Ссж, Тст.ж, Тж, (4.235) Значение Т, берем среднее для калсдого участка: Тж.вх; + Тж.вых, 2 4. Определим подогрев охладителя пТ„. и температуру выхода охладителя на каждом участке. По формуле (4.221) определим ~Тж; Ср ж,тж (4.236) Тж.вых, Тж.вх, + схТж,. 5. Зададим давление охладителя на входе в первый участок р жо 6.
По формулам для расчета а определим скорость охладителя и обеспечивающую значение а, равное полученному по выражению (4.235). При этом в расчете используются средние значения температуры и давления охладителя на данном участке. где АУ; — площадь поверхности теплообмена на данном участке, ср теплоемкость при средних значениях давления и температуры на данном участке. Зная ЬТ„, находим Глава 4. Охлаждение ЖРД га2 Рх тж хахх Р:х.хых Рис. 4.46. Изменение р, Т и высоты охлаждающего тракта Ь, при охлаждении водородом 7.
Зная скорость движения охладителя нх, определим размеры проходного сечения охлаждающего тракта: (4.237) гож, Рж, где значение р, берется при средних параметрах состояния охладителя на данном участке. Поскольку диаметр охлаждающего тракта по окружности поперечного сечения камеры двигателя известен„то определение Г обычно сводится к определению высоты охлаждающего тракта л, . 8. Определим потери давления на данном участке Ьр; и давление охладителя на выходе из участка. Величина Ьр, складывается из местных потерь (Ьр„), потерь из-за трения (Ьр„), а также потерь давления в результате разгона газа на данном участке (Ьрж): (4.238) Ьр;=Ьр„+Ьр +Ьр .
Порядок определения Ьр„, Ьр„и Ьрж приведен ниже, в 5 6.6. Следует отметить, что величина потерь из-за трения при движении водорода по тракту (Ьр ) сравнительно невелика в силу малой вязкости водорода. Зная Ьрь определим давление охладителя на выходе из участка: (4.239) Рж.вых, = Рж.вх, Ьр' 9. Проведя последовательно расчеты для всех участков, анализируем приемлемость полученных результатов и при необходимости корректируем или повторяем расчет. Если на отдельных участках вычисленные значения 4.! 3. Некоторые специальные случаи охлаждении ЖРД 243 Г (или Ь, ) практически трудновыполнимы, заданное значение Т „ корректируем и расчет проводим заново.
Зная потерю давления по длине всего тракта (,'ГЬр;), определим давление компонента на выходе из камеры сгорания р, (рис. 4.4б). Если полученное значение р,„„отличается от заданного, то расчет повторяем при новом значении давления охладителя на входе р Как видно, расчет охлаждения низкокипящими компонентами значительно усложняется не только за счет трудностей, связанных с определением а при различных состояниях охладителя, но также и в связи с тем, что в отличие от охлаждения капельными жидкостями в расчетах необходимо учитывать сжимаемость компонента и влияние потерь давления по длине тракта на процесс теплообмена.
На рис. 4.46 показаны типичные графики изменения давления и температуры охладителя, а также площади сечения тракта (высоты канала Ь,„,) по его длине при охлаждении трубчатой камеры водородом. Теплообмен в соплах с центральным телом Одной из основных трудностей использования сопел с центральным телом в ЖРД является сложность организации охлаждения такого сопла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
