Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Эти сложности обусловлены в первую очередь тем, что в отличие от обычных ЖРД с соплом Лаваля критическое сечение и камера сгорания двигателей с соплом с центральным телом имеет кольцевую форму. Вследствие такой формы периметры критического сечения и камеры сгорания резко увеличиваются. Элементарные расчеты показывают, что периметр критического сечения (места наиболее интенсивного теплообмена) сопла с центральным телом увеличивается в 5 — 10 раз. Кроме того, на одной из сторон критического сечения обычно имеется острая кромка, обеспечение охлаждения которой само по себе является сложной задачей. Поверхность кольцевой камеры сгорания также значительно больше поверхности камеры обычной формы, что приводит к увеличению общего количества тепла, отдаваемого на участке камеры сгорания.
Большой периметр критического сечения кольцевой формы весьма затрудняет создание надежного пристеночного слоя для внутреннего охлаждения. Площадь, занимаемая пристеночным слоем в критическом сечении, растет пропорционально изменению периметра сечения, и это приводит к его загромождению. Особенно сильное загромождение происходит при больших диаметрах центрального тела, когда кольцевое критическое сечение напоминает узкую щель. При этом в сечении вообще не остается места для размещения надежного защитного пристеночного слоя. Глава 4.
Охлалсдеиие ЖРД 244 Расчет охлаждения сопел с центральным телом Расчет охлаждения сопел с центральным телом можно проводить в том же порядке, что и для обычных сопел. Отметим только некоторые особенности использования полученных выше расчетных формул для определения 9„. При расчете охлаждения круглых сопел в качестве характерного размера был выбран диаметр критического сечения Н„р, что в данном случае сделать невозможно, так как критическое сечение кольцевое. Однако можно выбрать в качестве характерного какой-либо другой размер сопла с центральным телом, например обычно задаваемую величину малого диаметра торовой или кольцевой камеры й~„(рис. 4.47). Тогда в выражениях для расчета ат безразмерные длину участка по образующей контура Т и диаметр центрального тела В определим по формулам Т= —, П= —. (4.240) в,„в,„ Поскольку для сопла с центральным телом обычные газодинам ические соотношения, определяющие ~1 и р/ре„как функции от 17, неприменимы, формула (4.146) также неприменима, и расчет г, необходимо вести по формуле (4.141) (при постоянной Т„,): Эффективный фронт пламени где 13 = ш„ lтсп, „; ш, — скоРость «ЯдРа» потока около стенки камеры, т.е.
скорость потока вдоль волны разрежения, попадающей в данную точку контура; р — давление около контура в данной точке; Ь, и а, определяются по уравнениям (4.127) и (4.129) соответсвенно. Рис. 4.47. Определение поверхности охлаждения сопла с центральным телом Охлаждение двигателей, имеющих сопло с центральным телом, дополнительно затруднено еще и тем, что в таких двигателях существуют два самостоятельных охлаждающих тракта (см. рис. 2.21): по контуру центрального тела и по наружному контуру. В зависимости от типа сопла один из этих трактов обеспечивает охлаждение камеры до критической части, второй — охлаждение и камеры, и закритической части сопла. Такое наличие двух охлаждающих трактов сильно усложняет подвод и дальнейшую «разводку» охладителя по тракту.
4.13. Некоторые специальные случаи охлаждения ЖРД 245 3,4613ы ро Ке„ )хэфоэ» 11г.н7эфоээ (4.241) Формула для определения д„получается из соотношения (4.159) после подстановки значений ро„и пэ, определенных выражениями (4.155) и (4.160) соответственно и учета влияния числа Рг по формуле (4.171) в виде, аналогичном равенству (4.172): 9„= 3,98 Р элрср эф.сртэфоэ» (1 Тсг.г ) э,*э,',л,.г,. (4.242) где р — статическое давление около контура в данной точке.
Выражение для Ке,„(4.158) получим, заменив 4 новым характерным размером Ом. Глава КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ЖРД 5.1. Формы и примеры выполненных камер сгорания ЖРД Камера сгорания двигателя является главным агрегатом ракетной двигательной установки. В ней, в основном, завершаются процессы смесеобразования и горения топлива. Известны следующие основные формы камер сгорания ЖРД (рис. 5.1): 1) цилиндрическая; 2) шарообразная (или грушевидная); 3) коническая; 4) кольцевая.
Рассмотрим особенности каждой из этих форм. Цилиндрические камеры сгорания. Средняя и относительная расходонапряженности РП Чт К (5.1) В настоящее время наиболее распространены цилиндрические камеры сгорания. Их применяют для камер двигателей всех тяг. Основное преимущество цилиндрических камер — простота изготовления.
Простая форма облегчает применение легких скрепленных стенок с частыми связями и трубок. Жидкостные ракетные двигатели с отьемными сопловой частью и головкой обычно имеют цилиндрическую камеру сгорания. Применение цилиндрических камер в многокамерных двигательных установках облегчает компоновку связки двигателей. Недостаток цилиндрических камер — худшие прочностные свойства и большая поверхность охлаждения по сравнению с шарообразными камерами. Для характеристики цилиндрических камер сгорания удобно использовать понятие расходопапряжеппости. Средняя по сечению расходопапряжеппоппь камеры сгорания вычисляется по формуле 5.1.
Формы и примеры выполненных камер сгорания ЖРД 247 б Рис. 5д. Формы камер сгорания: а — цилиндрическая; б — форма полугеплоаого сопла; в — шарообрааная; г — кони- ческая; д, е — кольцевые где ń— площадь поперечного сечения камеры сгорания. Расходонапряженность с/ имеет размерность плотности массового потока кг/(с м ). 2 Выразим расход т через комплекс ~3 (1.9): Ркткр т тогда РкРкр х'к0 (5.2) где рк — давление в камере сгорания. Поскольку для данного топлива величина ~3 имеет приблизительно постоянное значение, то величина расходонапряженности прямо пропорциональна давлению в камере, т. е. Р с/т г/тРк т (5.3) где д' = д„/рк является расходонапряженностью, отнесенной к давлению в камере, и называется относительной расходонапряженностью.
Часто величина о' используется вместо о„для оценки расходонапря- женности. В соответствии с уравнением (5.2) имеем 248 Глава 5. Камеры сгорания ЖРД Таким образом, величина г7' зависит только от рода топлива и отношения с„/с"„р, и для данного состава она постоянна независимо от давления в камере. Отношение Р„= Р„/Р„р называют обычно безразмерной площадью камеры сгорания. Поскольку для применяемых топлив ~3 = 1700...2400 мыс, то при г„= 2...6 в соответствии с равенством (5.4) значения относительной расходонапряженности находятся в пределах (0,07...0,29) 1О ' сlм.
При меньших значениях гк величина г7' соответственно больше. Различают изобарические и скоростные камеры сгорания. Камеры сгорания с приблизительно постоянным по длине давлением иногда называют изобарическими камерами. К ним следует относить камеры, у которых Р„> 3. Рис. 5.2. Двигатели с цилиндрической камерой сгорания: а — ОРМ-65 0936 г,); б — камера ЖРД без зажигания; 1 — внутренняя оболочка камеры; 2 — корпус; 3 — вкладыш; 4 — штуцер подачи окислителя; 5 — форсунка окислителя; 6 — головка; 7 — форсунка горючего; 8— нить накаливания; 9 — аоспламеняюший состав; 10 — зажигательная шашка 5.!.
Формы и примеры выполненных камер сгорания ЖРД 249 Если Р„< 3, то при сгорании в камере скорость потока значительно возрастает по ее длине, в то время как давление согласно уравнению закона сохранения энергии падает. Такие камеры сгорания (при Р„< 3) уже нельзя отнести к изобарическим; их называют скоростными. Когда с„= 1, камеры двигателя носят название полугпеплового сопла (рис. 5.1, б).
Скоростные камеры сгорания при малых отношениях р„'/р, имеют несколько ббльшие потери в связи с потерями на тепловое сопротивление. Однако, так как при больших р,'/р, эти потери невелики, часто целесообразно использовать более компактные, скоростные камеры. Диаметр цилиндрической части камеры сгорания определяют, задавая либо отношение 1,„/Р„, которое принимают равным 1...1,5, либо величиной расходонапряженности д или д' (или, что одно и то же, величиной Р„). Принимаемые значения относительной расходонапряженности составляют д' = (0,07...0,29) 10 ' сlм, что соответствует значениям Рх = 2...6. В заключение заметим, что иногда диаметр камеры сгорания определяется диаметром головки, необходимым для размещения форсунок. При возникновении высокочастотных колебаний в камере сгорания работу двигателя иногда можно стабилизировать, увеличивая или уменьшая принятое отношение 1,„/Р„.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
