Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 61
Текст из файла (страница 61)
310 При этом расчетным режимом работы камеры обычно является режим наибольшей тяги. При переходе двигателя на работу с меньшей тягой уменьшается давление в камере сгорания пз и несколько уменьшаегся температура в камере Тз Оба эти фактора приводят к уменьшению теплового потока дз в стенку камеры двигателя. Однако при уменьшении тяги одновременно уменьшается и расход компонента-охладителя. Так как размеры охлаждающего тракта остаются неизменными, скорость движения охладителя по тракту ш падает пропорционально уменьшению его расхода. С падением скорости го уменьшается и коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости а Поэтому, так как поверхность охлаждения камеры остается неизменной, при уменьшенном расходе охладнтеля подогрев его в охлаждающем тракте может быть большим, что приведет к росту Т .
При сильном росте Т в некоторых случаях охладнтеля может не хватить, так как общий тепловой поток в стенку Я,г будет больше тепловосприимчи~вости жидкости. Уменьшение а„и увеличение Т могут привести и к тому, что, несмотря на уменьшение теплового потока дз, температура газовой стенки Т, с уменьшением тяги возрастет, Поэтому если по заданию двигатель работает на переменной тяге, необходимо делать проверочный расчет охлаждения и на режиме меньшей тяги.
Рассмотрев влияние основных параметров на Т, камеры двигателя, можно сделать следующий вывод. Для уменьшения Т„при наружном охлаждения надо увеличивать скорость движения охлаждающей жидкости, что п~риводит к увеличению а . Камеру двигателя желательно изготовлять из возможно более теплопроводных металлов. Если невозможно обеспечить допустимую величину Т„только наружным охлаждением, то тепловые потоки в стенки искусственно уменьшают путем создания в слое газа, прилегающем к стенке, пониженной температуры за счет обогащения этого пристеночного слоя одним из компонентов топлива.
Такой способ охлаждения называется внутренним охлаждением камеры двигателя. С этой целью используется обычно горючее. Оно может быть подано в пристеночный слой или особыми форсункамв, расположенными на головке двигателя, илв через ряд отверстий в стенке двигателя (так называемые пояса охлаждения). Часто для сохранения Т„.„на допустимом уровне применяют одновременно внутреннее и наружное охлаждение. Такое охлаждение называется смешанным охлаждеыием. й 41. РАСЧЕТ НАРУЖНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Схемы наружного охлаждения Простейшая схема наружного охлаждения приведена на фиг. 98. Охлаждающая жидкость поступает в коллектор 1, а из него — в рубашку охлаждения (охлаждаюпгий тракт).
Проходя по рубашке, 311 жидкость охлаждает стенки 3 и при этом сама нагревается. Нагретая жидкость выходит из рубашки через коллектор 4. Как уже ука- , Шлаи5ающая ялггггссюь Фиг. 98. Схема наружного охлаждения. ! — входной коллектор охлаждающей жидкости, 2 — охлаждающий тракт, 3 — стенка камеры, 4 — выходной коллектор охлаждающей жидкости, 5 — головка камеры двигатели. зывалось, при наружном охлаждении камера двигателя охлаждается обычно самими компонентами. Охлаждакнцей жидкостью может служить и горючее, и окислитель.
гнргооее Огислшлела Фиг. 99. Схема наружного охлаждения камеры двигателя двумя компонентами. / — вкодной коллектор окислителн, 2 — выходной коллеатор окнслителк, а— входной коллектор горючего, 4-выходной коллектор горючего. Иногда при очень ограниченных количествах горючего и окислителя для охлаждения применяют оба компонента.
Так как смешения компонентов вне камеры допустить нельзя, то обычно один из них 312 охлаждает сопло двигателя, а впорой — камеру сгорания. Схема такого охлаждения приведена на фиг. 99. Кроме того, имеется Ряд проектов с предложением охлаждать ЖРД большой тяги водой таким образом, чтобы в охлаждающем тракте вода нагревалась до температуры кипения. Кооодеагатр Водяно» Фиг, 100.
Схема охлаждения камеры двигателя водой с дальнейшим использованием образовавшегося пара для привода турбины. Образующийся при этом пар поступает в турбину и используется для привода насосов, подающих компоненты. Схема такого охлаждения показана на фиг. 100. Из приведенных схем наружного охлаждения наиболее простой по конструктивному исполнению является схема, приведенная на фиг. 98, и подавляющее большинство выполненных ЖРД охлаждается одним нз компонентов по схеме фиг. 98, Порядок расчета наружного охлаждения камеры двигателя Как известно, конструктивные расчеты разделяются на два вида: проектные и прпверочньге.
При п ро ек тном расчете мы на основании заданных условий ,работы ЖРД (Тя, 6о 6., ря, материалы стенки) должны рассчитать форму и размеры охлаждающего тракта камеры, обеспечивающего надежное охлаждение стенок. Прв п р ов е р очи о м расчете мы сначала выбираем конструкцию и определяем ее размеры, а затем расчетным путем проверяем, обеспечит ли принятая конструкция заданные условия работы. В настояшее время при решении вопросов охлаждения ЖРД обычно идут вторым путем. Принципиальная схема теплообмена, положенная в основу проверочного расчета, приведена на фиг.
95. Исходя из этой схемы расчет на~ружного охлаждения производим ' в следующем порядке. 1. Используя имеюшиеся данные расчетов охлаждения, задаемся температурой газовой стенки камеры сгорания и сопла Т,.„, апре- 313 деляем коэффициент конвективной теплоотдачи от горячих продуктов сгорания к стенке а„и находим конвективные удельные тепловые потоки дв 2.
Определяем лучистые удельные тепловьге потока д„. 3. Определяем суммарные удельные тепловые потоки в стенки камеры двигателя 42. 4. Проверяем наличие необходимого количества охлаждающей жидкости для снятия удельных тепловых потоков дв и определяем нагрев охладителя. 5. Зная суммарный удельный тепловой поток 2/2 и скорость течения охлаждающей жидкости по охлаждающему тракту, определяем коэффициент теплоотдачи от жидкостной стенки к охлаждающей жидкости а' и находим получающуюся при этих условиях температуру жидкостной стенки Т„ б. Зная коэффициент теплопроводнасти металла, определяем Т„„и проверяем, соответствует ли она при данных тепловых потоках 2/2 и полученной Т„температуре газовой стенки Т„„, заданной нами в и. 1. 7. Если полученная в результате расчета Т„ „ отличается от заданной более чем на 5%, то:расчет производим сначала, задаваясь новыми значениями Т„„промежуточными между первоначально заданными и полученнымй.
Определение конвективных удельных тепловых потоков в стенку камеры двигателя Величина конвективного удельного теплового потока определяется из уравнения (Ч1!. 30) ч2 Яг(Т2 1 2.22) где 'а,— коэффициент теплоотдачи от газа к стенке в ккал/мзчас'С; Т2 — температура заторможенного газового потока в 'або.; она постоянна по для~не камеры; Т, — температура газовой стенки в 'абс. Температура газа Т2 нам известч1а из теплового расчета процесса сгорания в камере двигателя (см.
гл. Ч1). Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке а„будем определять по формуле (Ч1!. 13) По,вз 1 Т 1о,зз кг=74,3ср г.ст (йР) ' ьв2 ~ ) Т~.ст Следует оговорить, что применение этой формулы к расчету теплообмена в ЖРД не вполне правомерно, так как она проверена для дозвуковых скоростей и предполагает течение газа по цилиндрической трубе. В закритической части сопла ЖРД мы имеем скорость вып1е звуковой и коническую форму канала. Для того чтобы использовать эту формулу при расчете охлаждения ЖРД, надо разбить 314 ' Фиг ние ггглг 2; г~тг (ЧЦ. 39) ' М, П. В ук алов ич и др., Термодинамические свойства газов, Машгиз, ! 953. 315 камеру двигателя ~на ряд цилиндрических участков, диаметр которых равен среднему диаметру соответствующей конической части этого участка.
Пользуясь формулой (ЧП.13), расчет конвектнвных удельных тепловых потоков от газа к стенке дн проводим по следующим этапам. 1. Задаемся температурой газовой стенки камеры сгорания. При этом температуру стальной стенки в критической части сопла можно принимать равной 700 — 850' С; для медной 300 — 350'С. Температуру стенки на выходе из сопла счи- <ьс ' таем равной 350 †5' С для стальной стенки и 150 †2' С для медной. Температура стенки на входе в сопло на 50 — 100' выше температуры стенки на выходе нз сопла. Температуру йус газовой стенки для цилиндрической . йЮ части камеры считают постоянной и равной температуре газовой стенки на входе в сопловую часть.
Распределение температуры по длине камеры двигателя в первом приближении принимаем прямоли- . 1о!. примерное распределенейным (фиг. 101). Тг.ст по длине камеры для 2. Подсчитываем теплоемкость стальной стенки, с,„ и вязкость р„ „ продуктов сгорания при температуре газовой стенки на входе в сопловую часть и считаем их постоянными по всей длине двигателя. Вообще говоря, с, г „и р, „зависят от температуры продуктов сгорания у газовой стейки, т. е. от Т„„, но так как расчет приближенный, то можно допустить, что с„„и рг „по длине камеры двигателя постоянны.
Обычно значения с,„,, и р„, берут при температуре газовой стенки на входе в сопло. При подсчете с,г „и рг „теплоемкостью и вязкостью тех компонентов продуктов сгорания, содержание которых в газовой смеси очень мало, пренебрегаем. Такимн компонентами являются обычно О, ОН, Н, ИО, с,г „подсчитываем по известной из термодинамики формуле для теплоемкости газовой смеси с„г „=2,'д,с (ЧИ. 38) где с — теплоемкость данного компонента газовой смеси про- гГ г.
ст дуктов сгорания в клал/кг'С. Значения сит для различ- ных газов приведены в табл. 22'. дт — весовая доля компонента смеси газов С4 « 4О С'4 ь Ю 8 Ю В Ю <О Ю Оъ л 4О С" СО Ю «О О С4 С« С4 л Я С4 Ю 4О СО «О С «О С 4- л С'4 Ю" Ю СО О4 Ю С« 4 ь В ь С4 Ю" С'4 ь 3 Ю 4О 4 «Э С4 ь Ю С4 Ю" С Ю С4 ь Ю Ю 4О « Ю «О Ю о о о о х х 43 О х у х 4 х О О О 4 х у о О 4Х О х О со О О О О М ы О 44, О О СС о 316 Ф х «, х О 44 44 О у И Э О О 1" Х Х С«уы х у о ы~ 4ООЕХ «( О О й х у О й~ Здесь тг и огг — объемная доля и молекулярный вес г-того компонента газовой смеси; г,= — ', Рг Рг где Рг — парциальное давленые компонента газовой смеси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
