Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 62
Текст из файла (страница 62)
18) ч ДВЛ Чтобы обеспечить необходимый отвод тепла, площадь проходного сечения охлаждающего тракта должна быть не больше, чем найденная по формуле (22.18). По принятым значениям гх подсчитывают скорость движения охладителя Тих =%~/Рхйх. Скорость жидких охладителей достигает десятков метров в секунду, газообразных — существенно больше. м. а е пОтеРи дАВления В охлаждающем тРАкте Одновременно с расчетом теплоотдачи рассчитывают изменение давления в охлаждающем тракте. Потери давления на каждом участке 1 определяются изменением количества движения (цяЛщ), потерями на трение Ьр р и местными гидравлическими потерями Ьрм.' Ьр, =йтпдтп+ Ьр„+ Ар„. (22.
19) Изменение количества движения имеет значение лишь в случае газообразного охладителя при высоких скоростях течения. Потери на трение для жидкого охладителя определяют по формуле дс а М =1 — — ° (22. 20) ~Ух 2 Значения йхх, нь, и 4, принимают средними для данного участка. Безразмерный коэффициент трения $ определяют для турбулентного течения жидкости: при т(е=8 10'...10' $= — ' ВМ ° при Ке= 10В...
10В 5=0,0032+ — 'е мг . Число Рейнольдса в формулах для определения 5 находят по средним значениям определяющих параметров, отнесенным к средней температуре охладителя и гидравлическому диаметру канала. Потери давления из-за местных сопротивлений( внезапное расширение и сужение, поворот и т.
п.) определяют по формуле пР.=М. 4Ф, (22. 21) где Ц вЂ” коэффициент местного сопротивления, заимствуемый из справочников. Потери давления на режимах А с пузырьковым кипением выше, чем потери при движении однофазной жидкости. Аналитическое определение их затруднительно. Потери давления на режимах С и г) определяются по соответствующим зависимостям для газов. После того, как найдены потери давления на участке, определяют абсолютное давление охладителя Рг ы=Р~ пРы знать которое необходимо для расчета на прочность и определения температуры кипения охладителя.
Суммарные потери давления в охлаждающем тракте определяют, суммируя Лр„по всем участкам: я ПР„= — ~~~" ЬРг о г $ Эту величину используют при расчете системы подачи топлива зх з. ь огвхннчвння ввгеивехтивиого охлюкдвиия Условия надежности регенеративного охлаждения, сформулированные выше, следует, очевидно, дополнить условиями ра цион альности этого способа охлаждения. К условиям рациональности можно отнести следующие: потери давления в охлаждающем тракте должны быть возможно меньшими, чтобы снизить мощность и массу средств подачи топлива; тракт охлаждения должен быть технологичным.
Выполнить условия надежного и рационального охлаждения можно не для любой камеры. При выбранном топливе и заданной максимальной тяге имеются ограничения по давлению в камере' сгорания, а при выбранном топливе и фиксированном давлении— по тяге. Ограничение по ре„„обусловливается прочностью и устойчивостью стенки камеры при максимально допустимой температуре Т„,. С увеличением давления Рс, минимально необходимая по условиям прочности и устойчивости толщина стенки из принятого материала б;, м увеличивается, В то же время, как было показано выше, для эффективной передачи тепла через стенку и снижения Т„, толщина ее должна быть возможно меньшей. Одновременное удовлетворение требованиям прочности, устойчи- вости и теплопередачи возможно лишь при определенном сочетании величин Ь„и ро,.
Диапазон приемлевых значений б„сокращается с ростом р0 . Применение связанных оболочек, когда силовую нагрузку несет наружная стенка тракта охлаждения, существенно расширяет диапазон допустимых значений давления рз, по прочности. Однако в отношении устойчивости стенки опасным является режим запуска, когда давление компонента в тракте охлаждения велико, а в камере сгорания егце мало. Огр анич ение по р0,шм обусловливается располагаемой тепловосприимчнвостью охладителя, т. е. максимальным количеством тепла, которое можно передать одному килограмму охладителя, не перегревая его выше некоторой допустимой температуры. В камере регулируемой тяги уменьшение р0, означает прямо пропорциональное уменьшение расхода компонента в охладителя.
Количество же тепла, которое поступает в стенку и должно быть воспринято охладителем, уменьшается в меньшей степени, примеРно пРопоРционально Ра,. На единицУ Расхода пРиходитсЯ о,в большее количество тепла, подогрев охладителя увеличивается. К тому же при снижении ра, и, следовательно, при уменьшении давления компонента — охладителя снижается его температура кипения (если давление меньше критического). В результате при значениях рс„меньших некоторого значения рз, дм, регенеративное охлаждение данным компонентом неосуществимо вследствие сго перегрева выше допустимой температуры. Ограничение по тяге проиллюстрируем на простом примере.
Пусть две камеры различной тяги работают на одном игом же топливе при одинаковых рз„необходимое время пребывания топлива в камере сгорания одно и то же. Объем камеры сгорания согласно формуле (19.20) должен изменяться пропорционально секундному расходу топлива и, следовательно, тяге. Для цилиндрической камеры сгорания с размерами 0, и Ь~,=Ы»., объем ее составляет Следовательно, й„,=а1Р'Р.
В то же время поверхность камеры сгорания, воспринимающая тепло, составляет Я = лИ,Е,, = сопзЫ„.,= АР'~'. Итак, поверхность нагрева ивменяется медленнее, чем тяга и расход охлаждающего компонента. В рассматриваемых условиях плотность теплового потока в стенки д одинакова. Значит, 'количество тепла, передаваемое единице расхода охладителя, больше для камеры малой тяги.
При значениях тяги ниже некоторой величины Р ~„регенеративное охлаждение одним или даже обоими компонентами невозможно вследствие их перегрева. На рис. 22.10 показаны качественные зависимости изменения температуры одного и того же жидкого компонента — охладителя в трех камерах, спроектированных на различные тяги и работающих на переменных режимах. Там же нанесена максимально допустимая температура Тдо „(по закипанию, разложению и др.) охладителя в зависимости от давления. Как видно, во всех камерах подогрев охладителя увеличивается при снижении ре. В камере 1 с наибольшей тягой Р1 этот подогрев менее значителен, чем в камере 2 с тягой Ра<.Р1, а в камере 2 меньше, чем в камере 8 с гп , дупк Р Дс йр ЩБ ДЗ 1Р Рпп1епптку р у й й Рпп Рис.
ак11. Зависнмоюь ветерь давлении в оклаждаюпаем тракте от давлении в камере оперении Рвс. 22.16. Характер аааиснмостн температуры оклюкдающюе жидкоте комаоневта в камерах раплнчвых тат н иа различима режимах тягой Рк<Р2. Соответственно в камере 1 возможен широкий диапазон режимов без перегрева охладителя, в камере 2 он сужен, а в камере 8 регенеративное охлаждение вообще неосуществимо, так как охладитель максимально подогревается даже при ро ю Ограничение по потерям давления в охлаждающем тракте возможно установить лишь при комплексной оценке двигательной установки, включающей в себя расчет мощностей и масс систем подачи топлива.
Качественный характер этого ограничения виден на рис. 2211, где в зависимости от давления в камере сгорания нанесены потери давления в охлаждающем тракте (кривая 1) и допустимая их величина (кривая 2). Зависимости справедливы для заданного топлива, фиксированной тяги и определенных характеристик охлаждающего тракта. Технологические ограничения чаще всего выражаются в том, что затруднительно точное выполнение трактов сложной конфигурации с переменными толщинами стенок и также переменными и малыми по абсолютной величине проходными сечениями для охладителя.
Практика показывает, однако, что эти ограничения с совершенствованием технологии преодолеваются. В заключение следует отметить, что несмотря на ряд охарактеризованных выше ограничений, регенеративное проточное охлаж- 293 дение является наиболее распространенным видом охлаждения ЯРД и по мере развития двигателестроения расширяет границы своего применения. По сведениям зарубежной печати, например, регенеративное охлаждение ЖРД на компонентах Ох+углеводородное горючее осуществимо при давлениях в камере сгорания ро более 20 МПа. При использовании же водорода в качестве охлади- тели допустимы давления более 35 МПа. м.
В. В. НоследовАтельность РАсчетА Исходными данными для расчета являются: параметры продуктов сгорания, полученные термодинамическим расчетом; секундный расход охладителя и его свойства в зависимости от температуры и давления; толщины стенок камеры, назначенные предварительно по условиям прочности и жаростойкости: свойства материала стенки при различных температурах. Лля камеры с регулируемой тягой упомянутые данные нужно знать па максимальном и минимальном режимах. Обычно расчет является проверочным: задавшись распределением температуры Т„,(Т„,В по всему тракту камеры, проверяют, возможно ли обеспечить надежное регенеративное охлаждение. Последовательность расчета в этом случае такова.
1. Лля режима ро,,„„, методами, изложенными в гл. Х1У, рассчитывают распределение плотности теплового потока д по всему тракту прн некоторых принятых (допустимых) значениях Т„,. Эпюру д получают при заданном соотношении компонентов топлива л в прнстеночном слое и по возможности с учетом влияния внутреннего охлаждения (см. разд. 225), если таковое предусмотрено.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
