Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Оно известно из теплового расчета; рг — давление в камере сгорания. Подставив (НП. 40) в (Н11. 39), получим (НП. 40) Рг ЛЦ Рг Рккг (НИ. 41) Коэффициент динамической вязкости ог„„подсчитываем по известной формуле для смеси газов 1 — чЕ я' (Н1!.42) где и„, — коэффициент динамической вязкости г-того компонента при заданной Т„„. Для наши~к расчетов формулу (Н11. 42) удобнее преобразовать, поделив обе части уравнения на величину ускорения земного притяжения д. Тогда она примет вид яг и Р-г.ст г~'И Юиг гг (Здесь не следует смешивать дг — весовую долю с д — ускорением земного притяжения). Значения д ° нг„в зависимости от температуры для различных газов приведены в табл. 23.
Во всех применяемых нами формулах для расчета охлаждения входит произведение ао, имеющее ~размерность м кг ггк кг ггкг мг м сгк 317 Часто в справочниках под величиной вяэкости. подразумевают произведение й ., и эту величину называют динамической вязкостью. Значения а .. в кг/и сек для некоторых жидкостей приведены на фнг. 116 — 119.
В табл. 23 и на графиках фиг. ! 16 — 119 при~велены именно произведения д. и. При пользовании другими справочными материалами надо обращать внимание на размерность, в которой приведена вязкость, и при подстановке в формулы переводить эту вязкость в соответствующую размерность. 3. Разбиваем камеру двигателя по длине на 10 — 20 участков (в зависимости от желаемой точности расчета) и для каждого участка подсчитываем по формуле (ЧП.13) величину а„как для цилиндрической трубы, принимая диаметр ее г( и заданную температуру газовой стенки Т„.„средними для данного участка.
4. Зная а„определяем для каждого участка конвективный удельный тепловой поток д, по формуле (ЧП. 43) да = «'„(Та — Т„„). Определение лучистых удельных тепловых потоков н суммарного ° теплового потока в стенки камеры двигателя В камере двигателя тепловые потоки идут от горячих продуктов сгорания в стенки камеры. Как уже указывалось (см.
$ 39), основную долю теплового излучения дают СОе и НаО. Экспериментальное определение лучистых тепловых потоков в камерах ЖРД чрезвычайно затруднено. Поэтому онн подсчитываются по эмпирическим формулам, применяемым прн расчете лучи: стого теплообмена в других уснройствах и машинах' а дно,=3,5Чрсо,1 [( — ') — ( "") ' ~ ккал1мгчас; (Ч11.44) где рсо, и )гн,о — парциальные давления газов в кгlсм'; 1 — приведенная средняя длина пути луча (определяется по табл. 21).
Общий лучистый тепловой поток д, считаем равным сумме этих потоков Ч„= Чсо, + Чн,о. (ЧД. 46) ' В ЖРД лучистые тепловые потоки по длине камеры двигателя будут не одинаковыми, так как температуры горячих продуктов сгорания в самой камере сгорания и в сопле ~различны. Поэтому сначала определяем лучистые тепловые потоки для трех сеченн~й. 1. Сечение камеры на входе в сужающуюся часть. 2. Критическое сечение сопла. 3. Сечение на срезе сопла. В каждом сечении г)„условно вычисляется для бесконечно длинного цилиндра с диаметром, равным соответственно диаметру камеры сгорания, диаметру узкого сечения сопла н диаметру выходного сеченная сопла. По всей камере д, принимаем одинаковым и равным д.
на выходе из камеры. Для промежуточных участков сопла г1, находим, соединяя по кривой значения г) в заданных трех сечениях. ' А. В. Болгарская н В. К. Щукин, Рабочне процессы в жидкостно. реакгнвных двигателях, Оборонгва, 1953. 319 Определив д, и зная конвективный тепловой поток д подсчитываем суммарный удельный тепловой поток в стенки камеры сгорания ЖРД дв для каждого участка по выражению 4в= Чв+чи. (Ч11. 47) Характер распределения тепловых потоков по длине камеры двигателя показан на фиг. 102.
Проверка наличия необходимого количества охлаждающей жидкости и определение ее подогрева на каждом участке Зная величину тепловых потоков в стенку камеры сгорания, мы знаем, следовательно, какое количество тепла должна воспринять охлаждающая жидкость.
Наибольшее количество тепла, которое может воспринять охлаждающая жидкость, определяется нагревом ее до температуры кипения Т, при данном давлении в охлаждающей рубашке. Полное количество тепла, поступающее в стенки камеры, идет на нагревание охлаждающей жидкости, т. е. можно записать Фиг. 102. Характер распределения тепловых потоков по длине камеры двигателя.
(Ч1!. 48) 6. — расход охлаждающего компонента в кг(час; дв ь 1' — суммарный тепловой поток в кресал!мтчас и ~площадь поверхности в мт 1-того участка камеры сгорания; Т„и Т, — температуры входа и выхода охлаждающей жидкости. По формуле (Ч11. 48) температура выхода охлаждающей жидкосттв из рубашки охлаждения определится в виде !=в 2'; Чх оЛ Твых = + Твх' еО,„, В большинстве случаев„как уже упоминалось, ЖРД охлаждается самими компонентами. Если температура выхода охлаждающей (Ч!1.
49) ~ ~ух;Т, = сО, (Т,„,— Т,х), 1=1 где с — теплоемкость охлаждающей жидкости в икал!кг'С, взятая при средней температуре Т Твх + твых ср= '7з,.Л е (НП. 51) Теплоемкость с ккал/кг'С можно брать для температуры'равной Т,„ь Определение коэффициента теплоотдачи от жидкостной стенки к охлаждающей жидкости 'а „и температуры жидкостной стенки камеры двигателя Т Температура жидкостной стенки зависит не только от теплопроводности Х и толщины 3„ стенки камеры двигателя, но также и от условий омывания этой стенки охлаждающей жидкостью. Очевидно, чем интенсивнее охлаждающая жидкость будет омывать стенку камеры, тем лучше она будет снимать тепловые потоки, тем ниже будет температура жидкостной стенки.
Понижение Т„„, в свою очередь, повлечет за собой понижение температуры газовой стенки Т, , а последнее приведет к изменению всего теплового потока в стенку. Таким образом, мы имеем здесь очень сложную взаимозависимость между температурами стенок в тепловыми потоками. Зная конструктивные размеры рубашки охлаждения и учитывая, что весь тепловой поток д з должен быть снят охлаждающей жидкостью, находим Т из выражения дз= а (Т .„— Т ), (ЧП 52) где коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей жидкости а находим по ~ранее полученной формуле (ЧП.18) 21 г.
Б. синарев и м. в. аобровольсииз 321 жидкости из рубашки Т, больше, чем температура кипения его при „ данном давлении, значит одного компонента для охлаждения камеры двигателя недостаточно. В этом случае в камере двигателя организовывают защитную завесу внутреннего охлаждения (см. ниже). В некоторых случаях, чтобы снять все поступающее тепло, для охлаждения используют оба компонента по схеме фнг. 99. Выбрав охлаждающую жидкость, можно подсчитать температуру ее на каждом участке. При этом температуру охлаждающего компонента на входе в охлаждающую рубашку считают равной наибольшей температуре окружающей среды, при которой предполагается работа ЖРД по техническим условиям эксплуатации его (например, +50'С). При известной же температуре входа охладителя подогрев его па участке определяется из выражения дх ~~,=сО, (Т,„„,— Т,), (ЧП.
50) откуда температура выхода охлаждающей жидкости из участка (равная температуре входа на следующий участок, т. е. Т„,ы = Т,;) находится по уравнению По этой формуле подсчтртываем 'а на каждом участке и, зная к, определяем Т „на каждом участке. Из уравнения (НП. 52) Т „= — +Т. сж (Н11. 53) Температуру жпдкостп Т берем равной средней температуре жидкости на каждом участке. Проверка соответствия принятого и рассчитанного распределения температуры газовой стенки Т„„ Величину Т„:„, получаемую из расчета, определяем исходя из уравнения теплопроводности через твердую стенку гу~= — (Т, — Т „), ст (НП. 54) где 3, — толщина стенки камеры сгорания в м; 1 — теплопроводность материала ЖРД в ккал/м час 'С берется для средней температуры степки Т Т..ст + Тж,ст сР= 2 Из формулы (НП.
54) (НП. 55) Если полученная величина Т„., расходится с заданным значением Т„„,, то надо задаться новыми значениями Т,, промежуточными между ранее заданными и полученными, и провести расчет снова. Если полученная величина Т„„превышает допустимые для данного металла пределы, то для ее снижения до допускаемой величины надо вли уменьшить проходное сечение охлаждающего тракта, или уменьшить толщину стенки камеры двигателя. Если эти меры окажутся недостаточными, надо применять внутреннее охлаждение. $42. ФОРМЫ ОХЛАЖДАЮЩИХ ТРАКТОВ КАМЕР ДВИГАТЕЛЯ 322 При проведении расчета наружного охлаждения необходимо знать размеры и форму охлаждающего тракта камеры двигателя.
Необходимым предварительным условием при проектировании охлаждающего тракта является обеспечение в районе критического сечения скорости движения охлаждающей жидкости порядка 5 — 10 м(сек. В зависимости от необходимой жесткости конструкции,и имеющегося количества охлаждающей жидкости применяются следующие основные типы охлаждающих трактов. Щелевой канал Охлаждающий тракта виде гл ад кого шел ево го (кол ьцевого) канала (фнг.
103,а) является наиболее простым в изготовлении и наиболее широко распространенным и выполненных жрд. Основной его недостаток состоит в том, что камеры сгорания с таким трактом имеют малую жесткость, Для увеличения жесткости внутренней оболочки при щелевом охлаждающем тракте делают разного рода скреплении внутренней оболочки камеры двигателя с наружной оболочкой. Кроме того, для увеличения жесткости и Фнг. 103. Охлаждающий тракт в форме щелевого канала, а-оечение гладкого щелееого канала, б — сечение щелеаого канала е нро. лольнмми ребрами жеощоеги. для более равномерного д~вижения жидкости по поперечному сечению щелевого канала и вдоль образующей его иногда делают тонкие ребра жесткости толщиной около 1 лгм и с шагом в несколько миллиметров. Второй недостаток такого охлаждающего тракта состоит в том, что при малых количествах охлаждающей жидкости приходится делать очень небольшие размеры щели, чтобы создать необходимую скорость движения ее по охлаждающему тракту.
Технологически . трудно выполнить равномерную.щель высотой менее 0,8 лгм при механической обработке и менее 1,5 мм прн сварной конструкции камеры двигателя. Это нужно иметь в виду при расчете охлаждения камеры. Эквивалентный диаметр для расчета охлаждения при гладком щелевом охлаждающем тракте (см. фиг. 103,а) определяется из выражения 4Рж 4кхГохлвохл га, = — = — '*' 'х" = 23 (ЧП. 56) П 2 1 323 21" Если щелевой канал имеет продольные ребра жесткости (см. фнг.
103,б), то 4га 4аай 2ай П 2(а+Ь)а а+ Л (ЧП. 57) где Ь вЂ” величина зазора в тделевом канале; г — число каналов; а — ширина канала между двумя ребрами. Толщина внутренней оболочки камеры двигателя обычно составляет 1,5 — 4 мм.
Охлаждающий тракт в виде винтового щелевого канала Охлаждающий тракт в виде в и н то в о го щ ел е в ого к ан ал а (одного нщи нескольких) применяют для того, чтобы увеличить скорость движения жидкости по тракту для улучшения теплообмена, а также чтобы увеличить жесткость внутренней оболочки Угол л ~а и Ъ а-1 4 г- чист оаходод Фнг. 104. Охлаждающий тракт в виде винтового канала. камеры двигателя. Кроме того, за счет получающегося оребрения поверхности стенки камеры сгорания условия теплообмена несколько улучшатся, так как увеличится теплоотдаюшая поверхность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
