Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 58
Текст из файла (страница 58)
В камере регулируемой тяги уменьшение р„обозначает прямо пропорциональное уменыпеиие расхода компонента — охлади-„ теля. Количество же теплоты, которое поступает в стенку и должно быть воспринято охладителем, уменьшается в меньшей 2бо 23 13. Характер зависимости темпсрзтр ры омча. ждаюпгего жидкого компонента в камерах различных тиг и на различных режимах степени, примерно пропорционально р"„". На единицу расхода приходится большее количество теплоты, подогрев охладителя увеличивается. К тому же при снижении ри и, следовательно, при уменьшении давления компонента-охладителя снижается его температура кипения. В результате при значениях р„, меньших некото- '~с /дел~ах рого значения р„ ,„. регенератпвное охлаждение данным компонентом неосуществимо вследствие его перегрева выше допустимой температуры.
Ограничение и о тяге при одинаковой степени расширения газа е проиллюстрируем на простом примере. Пусть две камеры различной тяги работают на одном и том же топливе при одинаковых давлениях р„. Необходимое время пребывания топлива в камере сгорания тсо приведенная расходонапряженность и приведенная длина Е„р примерно одинаковы для обоих случаев. Объем камеры сгорания согласно формуле (18.131 должен изменяться пропорционально секундному расходу топлива, который при р„, е =- сопз1 пропорционален тяге. Следовательно, К„, = Р Е Г 1 р(Г Р 1 ' сопз1 с( Рс В то же время поверхность камеры сгорания, воспринимающая теплоту, составляет хс„, =- Ы„г'.„, Р"'.
Итак, поверхность нагрева изменяется медленнее, чем тяга и расход охлаждающего компонента. В рассматриваемых условиях плотность теплового потока стенки д одинакова. Значит, количество теплоты, 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. 28.13 качественно показано, как может изменяться температура охладителя — одного и того же жидкого компонента топлива в трех камерах, спроектированных на различные тяги и работающих на переменных режимах.
Там же нанесена максимально допустимая температура Тх и,„(по закипанию, разложению и др.) охладителя в зависимости от давления. Как видно, для всех камер подогрев охладителя увеличивается при снижении р„. В камере 1 с наибольшей тягой Р, этот подогрев менее значителен. чем в камере 2 с тягой Р, < Р,, а в камере 2 меньше, чем в камере 3 с тягой Р, < Ра. Соответственно в камере ! возможен широкий диапазон режимов без перегрева охладителя, в камере 2 он сужен, а в камере 3 регенеративное охлаждение вообще неосуществимо, так как охладитель максимально подогревается даже при р, 2б! 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.
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, регенератнвное проточное охлаждение является наиболее распространенным видом охлаждения ЖРД и по мере развития двигателестроения расширяет границы своего применения.
По сведениям зарубежной печати, например, регенеративное охлаждение ЖРД на компонентах О» + углеводородное горючее осуществимо при давлениях в камере сгорания р„более 20 МПа. При использовании же водорода в качестве охладителя допустимы давления более 35 МПа. 23.4.6. Последовательность расчета Исходными данными для расчета являются: параметры продуктов сгорания, полученные термогазодинамическим расчетом; секундный расход охладителя и его свойства в зависимости от температуры и давления; геометрия камеры и толщины ее стенок, назначенные предварительно по условиям прочности и жаростойкости; свойства материала стенки при различных температурах. Для камеры с регулируемой тягой упомянутые данные нужно знать на максимальном и минимальном режимах. Обычно расчет является проверочным: задавшись распределением температуры Т„„( Т„,„по всему тракту камеры, проверяют, возможно ли обеспечить надежное регенеративное охлаждение.
Последовательность расчета в этом случае такова. 1. Для режима р„,„рассчитывают распределение плотности тепловых потоков д по всему тракту при некоторых принятых (допустимых) значениях Т„„. Эпюру д получают при соотношении компонентов топлива й в пристеночном слое и по возможности с'учетом влияния внутреннего охлаждения (см. рис. 23.6), если таковое предусмотрено. Если известно распределение д"„по тракту чэталонной» камеры, геометрически подобной данной и работающей на том же топливе, то для определения д„ можно воспользоваться формулой пере., счета (23.6). Эту же формулу можно применять для пересчета д при изменении р,, 262 2. Для режима р„„лл проверяют подогрев охладителя. Если температура Т„,„„ниже принятой максимально допустимой, то охлаждение камеры рассматриваемым компонентом принципиально возможно.
3. По формуле (23.12) определяют значения температуры стенки Тс, „со стороны охладителя. Проверяют, не превышает ли Т„., допустимую температуру стенки. При Т,л,) Тс, „л или, наоборот, при чрезмерно заниженной Тс„„варьируют, если возможно, величинами Ь„и Хс, При небольшом отклонении их от первоначальных значений можно не делать пересчета с! и Т„, 4. Рассчитывают необходимые размеры проходных сечений охлаждающего тракта по формулам вида (23.21). Оценивают возможность конструктивного и технологического выполнения тракта и вносят, если необходимо. коррективы. Вычисляют скорости течения охладителя.
5. После профилирования тракта с учетом конструктивных и технологических требований проверяют принятые значения Тс,, Для этого по формулам (23.!6) или (23.17) находят значения ссл, и а„, по экспериментальным данным — значения алл и с)лл, а затем — значение температуры стенки со стороны охладителя: Т„,, == Т„с+ члл — режим А, пузырьковое кипение; сслЛ Т„, =- Т„с —, — Ч вЂ” часть режима А, режим В; ссл,. Тл, „= Т„+ ~ — режимы С и Р. ссс Далее рассчитывают температуру стенки со стороны газа: Хсс Обычно достаточно совпадения заданных и полученных значений Т„„с точностью до нескольких процентов. При больших расхождениях производят пересчет начиная с п.
1. 6. Определяют потери давления в охлаждающем тракте и оценивают их приемлемость. Если какое-либо из условий наружного проточного регенеративного охлаждения не выполняется во всех возможных вариантах выбранной схемы, это свидетельствует о необходимости изменения схемы охлаждения, в том числе применения других средств теплозащиты. 23.6. НАРУЖНОЕ РАДИАЦИОННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ При наружном радиационном охлаждении теплота, поступившая от продуктов сгорания в стенку, отводится от нее в окружающее пространство тепловым излучением. На установившемся режиме, когда температура стенки и элементов конструк- 263 бу Гр б Юнз/еее Ри бар тра д! бр йрру д йт ба рн, еетттп Губа Лир Ггг, К 23,13. Оценка возможностей наружного радиационного охлаждения топлива: à — Ре -1- Не: Э вЂ” ОР, + ВеНЛ Э вЂ” О, + + Не, 'Š— Н,О, + З зразнн.зо 23.14.
Графическое решение уравнения теплового баланса при наружном радиационном охлаждении ции достигает некоторого равновесного значения Т„ри практи.' чески одинакова по толщине, уравнение баланса передаваемой теплоты выглядит следующим образом: е ~от р сег (Те Тот. р) (2вн Встп ~ 1ОО ) сзнвл или а„'(Т,— Т„) =е„п(;оо ) т1 а, (23.25) где „— интегральная степень черноты излучающей наружной поверхности, зависящая от материала и состояния поверхности; т)рб — коэффициент эффективности оребрения, представляющий в данном случае отношение излучающей Й„„'и внутренней Йвн поверхностей. Из уравнения (23.25) при прочих известных данных может быть найдено значение Т„р. На рис. 23.!4 приведено графическое решение этого уравнения для некоторого условного примера.
Точки пересечения кривых д1+1 и е)1 — > соответствуют значениям Т„ре Видно, что эти значения уменьшаются по мере удаления от минймального сечения сопла (с возрастанием Р = Р/Рм). Значения 264 Т„р существенно зависят от н„, снижаясь при ее увеличении. Возрастание давления в камере сгорания, увеличивающее тепловой поток в стенки, приводит к возрастанию Т„р. Создание развитой оребренной наружной поверхности (увеличение 21ра) снижает Т„р.
Наружное радиационное охлаждение, отличающееся простотой и хорошими массовыми характеристиками, обеспечивает допустимые значения температуры стенки при относительно низких давлениях. В камерах ЖРД это концевые участки расширяющегося сопла, выполняемые из тугоплавких материалов с высокими значениями а„и имеющие развитую оребренную наружную поверхность. На рис. 23.15 ориентировочно приведен нижний предел значений степени расширения сопла из молибдена, начиная с которых для надежного охлаждения достаточно радиационной теплоотдачи в окружающую среду. Кроме основного ограничения радиационного охлаждения по давлению, имеется еще одно ограничение: для лучшего отвода теплоты желательно размещение охлаждаемого элемента вне конструкции летательного аппарата. В то же время горячие радиационно охлаждаемые элементы, например двигателей системы ориентации, могут способствовать более легкому обнаружению аппарата средствами наведения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
