Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Высокие температуры сгорания топлива в ЖРД определяют и вторую особенность организации охлаждения ЖРД вЂ” большие тепловые потоки от теплоотдачи путем лучеиспускания. Как известно, лучеиспускательная способность газов пропорциональна степени 3 — 3,5, поэтому при температурах порядка 2700— 3500' С, имеющих место в камере сгорания и сопле ЖРД, в них возникают большие тепловые потоки от лучеиспускания, которые для обычных топлив достигают 20 — 30а/о общего теплопотока в стенки камеры сгорания.
По мере снижения температуры газа в сопле относительная доля лучистого теплового потока снижается. Суммарные тепловые потоки в стенки камеры сгорания и сопла достигают в критическом сечении весьма значительных величин (д до 20 ° 10а ккал/м'час). Организация съема таких мощных тепловых потоков представляет большие трудности. Третья особенность организации охлаждения ЖРД вытекает из особенностей их применения. В подавляющем большинстве случаев ЖРД применяются в снарядах или на летательных аппаратах разного рода. Поэтому использовать для охлаждения двигателя специальную жвдкость нерационально.
Обычно ЖРД охлаждают компонентами топлива, пропуская их в камеру сгорания ЖРД через рубашку охлаждения (так называемая регенеративная система охлаждения), Это создает новые трудности и вызывает дополнительные требования к топливным компонентам и к системе охлаждения, так как количество охлаждающих компонентов, проходящих через рубашку, ограничено. Четвертая особенность организации охлаждения ЖРД состоит в том, что наличие мощных тепловых потоков в стенки камеры сгорания и сопла приводит к тому, что температура материала стенок становится очень высокой.
Это требует применения в ЖРД жаропрочных металлов с возможно более высоким коэффициентом теплоп р озоди ости. Правильное решение задачи охлаждения ЖРД заключается в том, чтобы при заданных условиях работы двигателя (давлеиии в камере рь расходе б, и температуре продуктов сгорания Тэ) удовлетворить следующим условиям: 1) температура газовой стенки камеры Т„должна иметь такую величину, которая обеспечивает необходвмую прочность стенок.
Уменьшение Т„, увеличивает надежность работы двигателя; 2) температура жидкости Т на выходе из рубашки охлаждения не должна превышать температуры кипения. Это условие будет выполнено тогда, когда общий тепловой поток через всю охлаждающую поверхность камеры Я,в будет меньше, чем тепловосприимчивость охлаждающей жидкостй Ярзщ ~~ ОО1дс (~~ Тр~)' где 6 — расход охлаждающей жидкости в кг(час; с — теплоемкость охлаждающей жидкости; Т. — температура кипения охлаждающей жидкости при дав- .лении в рубашке; Т вЂ” температура жидкости' на входе в охлаждающую ру- башку.
Рассмотрим, как условия охлаждения и работы двигателя влияют на температуру газовой стенки камеры ЖРД. Зависимость Тж от скорости движения охлаждающей жидкости Скорость движения охлаждающей жидкости влияет на величину коэффициента теплоотдачи от стенки к жидкости а, причем с увеличением этой скорости а также увеличивается. При одном и том же удельном тепловом потоке да и температуре жидкости Т„температура стенки со стороны жидкости Т определяется из выражения, полученного на осно- ж.ст ве формулы, аналогичной (Ч11.
30), Чс=аж (Тж ст Тж), (Ч11. 32) которая 'после преобразования примет вид . Т =Т вЂ” ', +РпсирИелаиоо шашпоращу пр ' ж.си ж оплошаю зиаоеиоо ссж, ма ира аоиьшио сиороспи ааажеиол т. е. при увеличении 'а температу- псошиаоюшей юораосюо ра Т „уменьшается. В свою очередь тепловой поток че """ ехааж~~~~уа ж""каста "а рез стенку камеры передается теплопроводностью и следует закону, выраженному формулой (Ч11. 1), ко торый в нашем случае примет вид 1..= — '(Т„„,— Т „), (Чп, 33) откуда (ЧП. 34) Таки|м образом, при одних и тех же металле, толщине стенки а„ и удельном тепловом потоке и температура газовой стенки Тж и будет тем меньше, чем меньше температура стенки со стороны жидкости Т Однако при понижении Т, суммарный тепловой поток в стенку камеры двигателя несколько в1озрастет за счет уменьшения Т„, (см.
формулы (Ч!!. 30)), что приведет снова к росту Т„„, Т и т. д. В конце концов стационарный режим охлаждения при увеличении скорости охлаждающей жидкости устанавливается при меньших Т, и Т ., чем это имело место, до увеличения скорости (фиг. 96). Таким образом, температура газовой стенки Тжш сильно зависит от скорости движения охлаждающей жидкости: чем она 20а 307 больше, тем меньше Т„. Следовательно, выдержать необходимую Т„.~ м~о~жно, повышая скорость движения охлаждающей жидкости, например, путем уменьшения проходного сечения охлаждающего тракта.
Влияние поверхностного кипения охлаждающей жидкости на величину Т,,» В процессе теплоотдачи от стенки камеры сгорания к жидкости возможны два случая соотношения между Т и температурой кипения жидкости Т, при заданном давлении в рубашке Т.„<Т;,) (Ч11.ай) Зависимость Т„от теплопроводности материала камеры двигателя Х Согласно выражению (Ч11. 1) тепловой поток через стенку камеры сгорания и сопла следует закону Х д.= — (Т„„— Т.
„), ст (Ч11. 36) В первом случае закипание жидкости в рубашке невозможно. Во втором случае возможно закипание охлаждающей жидкости на поверхности жидкостной стенки камеры. Если при этом масса жидкости имеет температуру, меньшую, чем Т„то образующиеся на поверхности жидкостной стенки пузырьки пара будут смываться потоком жидкости и конденсироваться затем в более холодном ядре потока.
Таким образом, эти пузырьки, действуя, как «мешалки» для жидкости, будут увеличивать теплоотдачу от стенки к жидкости, т. е. а будет возрастать при той же скорости движения охлаждающей жидкости. Увеличение а за счет поверхностного кипения приведет к тем же конечным результатам, что и увеличение а за счет увеличения скорости, т. е. к уменьшению Т„, при некотором увеличении суммарного потока д . Улучшение условий охлаждения стенки в этом случае не приводит к необходимости увеличивать давление охлаждающей жидкости, + оторое было бы необходимо для увеличения скорости движения ее.
днако интенсивное кипение на поверхности может привести к столь энергичному парообразованию, что пузырьки пара не будут успевать смываться потоком жидкости, а будут образовывать сплошную пленку пара на поверхности стенки. Так как пар плохо проводит и передает тепло, то в этом случае коэффициент теплоотдачи а резко 'упадет, что приведет к обратному результату — увеличению Т„~ и, возможно, к прогару стенки.
А.г (Т,— 'Гг =-) (ип,50) Р (ЧП.37) откуда Зависимость 71„„от толщины стенки камеры двигателя 3,„ Из вы|ражения (ЧП. 37) видно, что при неизменных Т „и дн температура газовой стенки Т„.; будет тем меньше, чем меньше толщина стенки 3ен Хотя с уменьшением Тн„тепловой поток дэ согласно выражению (ЧП. 30) немного возрастет, стационарный режим охлаждения установится при меньшей Т„,. Следовательно, камеры ЖРД желательно делать с возможно меньшей толщиной стенки 3нн Влияние давления в камере сгорания на величину Т,, и г7н С увеличением давления в камере по всей камере двигателя увеличивается плотность движущегося газа, а следовательно, и массовая скорость его.
В связи с этим должна (см. $39) увеличиваться Как видно из этого соотношения, при одних и тех же 7 „, 3 и 7г температура газовой стенки Т„. будет тем меньше, чем больше коэффициент теплопроводности металла 7. Однако и здесь с уменьшением Тн в соответствии с выражением (ЧП.ЗО) возрастет суммарный тепловой поток д„ за счет чего Тн~ снова немного поднимется. Но и в этом случае (так же, как и в случае снижения Т при увеличении а ) стационарный режим охлаждения устанавлйвается уже при меньшей Т, чем это имело бы место для гг яидйость стенки с меньшей величиной ), ,м~ ее материала.
Как следует из (ЧП. 36), падение температуры по толщине стенки двигателя с ростом 7. будет более пологим. Так как да й эк немного возрастет, то и подо- .~14 грев жидкости увеличится, следовательно, возрастет и Т пения температуры по толщине Фиг. 97. Влияние коэффициента тепло- стенки при металле с. большим пронодности металла камеры а на тт.ет пройдет, как показано на фиг. 97, пересекая прежнюю линию изменения температуры по толшине стенки (при меньшеМ А). Следовательно, для изготовления камер ЖРД целесообразно использовать материалы с возможно ббльшим коэффициентом теплопроводности 7.
Однако надо иметь в виду, что, как правило, металлы, имеющие большой коэффициент теплопроводности, быстро теряют свою прочность с возрастанием температуры. величина коэффициента теплопередачи от газа к стенкам аж При этом возрастает также и величина конвективного потока д„. По теоретическим и экспериментальным данным, д„возрастает при увелитр 1кз чении давления в отношении ~ „( Р. Увеличение давления в камере двигателя приведет также к возРастанию парциальных давлений рсо, и рн,о, из излучения которых складывается в основном лучистый тепловой поток в стенку д,.
Таким образом, увеличение давления приводит к возрастанию суммарного теплового потока в стенку камеры двигателя дз . Увеличение дх приводит в соответствии с формулой Т „=Т+— сж к увеличению температуры жидкостной стенки Т,. Так же увели- чивается и Т,, что видно нз формулы чт Тт.ст = Тж.ст + Г'ст. Правда, при этом тепловой поток дз несколько уменьшится за счет увеличения Т„,„но новое стационарное состояние установится при большей Тж„в большем сумма~рвом тепловом потоке дм чем это имело бы место при меньшем давлении в камере двигателя. Таким образом, увеличение давления в камере двигателя приводит к увеличению Т„и дт, что затрудняет решение задачи охлаждения камеры двигателя. Влияние температуры в камере сгорания на величину Тт~ С увеличением Т, конвективный и лучистый тепловые потоки возрастают. Таким образом, увеличение температуры продуктов сгорания приводит к такому же результату, что и увеличение давления в камере, т.
е. к возрастанию Т„и увеличению цт. Такая зависимость условий охлаждения двигателя от температуры продуктов сгорания приводит к больши~м трудностям в создании двигателей, работающих на топливах с большей теплотворной способностью Н~ Так, в настоящее время в литературе не известен еще ни один доведенный ЖРД, работающий на топливе керосин+кислород. Применение других, более теплопроизводительных топлив потребует еще более интенсивного охлаждения камеры двигателя. Влияние режима работы двигателя на Т„„ Часто при эксплуатации ЖРД появляется необходимость работы на различных режимах камеры, охлаждаемой одним из компонентов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
