Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 59
Текст из файла (страница 59)
23.6. Внутвеннее ОхлАждение 23.6.1. Создание пристеночного слоя смесительной головкой Пристеночный слой, состоящий из низкотемпературных продуктов сгорания, можно создать с помощью смесительной головки, периферийные форсунки которой обеспечивают вблизи стенок, камеры существенный избыток одного из компонентов, например горючего, в результате чего снижается температура в пограничном слое. При течении продуктов сгорания происходит процесс перемешивания ядра потока с пристеночным слоем. Этот процесс зависит от степени турбулентности ядра потока и пристеночного слоя, определяемой смесительными элементами головки камеры и процессом горения, а также от свойств продуктов сго- 23.!6, Схема процесса смешения основного нотона с црнстеночнмм слоем: ! — пристеиочнмй потраиичнмй слой: 2 — пристеначнмй слой; 2 — слой смешения; 4 — ядро потока 265 гггп/ггя У) 75 23 17.
Резуаыатм ратчетов параметров при- стеночного г.тоя в нанерг сгорпния: 1-М вЂ”.Оап 0-М ап а — М вЂ” ОС 4 М .—. 0,8 Ут5 рания. Для оценки максимально возможного снижения плотности тепловых потоков принимают модель двухслойного течения: ядро потока— пристеночный слой и плотность теплового потока вычисляют для соотношения компонентов Й„=- (0 В связи с тем, что процессы радиального перемешивания компонентов топлива протекают относительно медленно, при правильной Угз а 7гг/70 Ут 75 УУ5 га/ гг г/Л организации пристеночного слоя его защитное действие может сохраняться У,У5 7 .Г Ф до минимального сечения сопла. Следует отметить, однако, что двухслойная модель, не учитывающая смешения, может привести к 0,55 существенной ошибке в определении 75 х/Л параметров газа вблизи стенки.
Смешением пристеночного слоя с ядром потока, по-видимому, можно пренебречь только в трансзвуковой и сверхзвуковой областях течения, характеризующихся существенным ускорением и возможной ламиниризацией потока. Эксперименты показывают, что на расстоянии до -40(т (и— толщина пристеночного слоя в начальном сечении) развитие пристеночного слоя подчиняется закономерностям турбулентных струй и слабо зависит от процессов трения и теплообмена на стенке. Поэтому при расчете пристеночного слоя в камерах сгорания целесообразно воспользоваться методами теории турбулентных струй. В том случае, если пристеночный слой создается жидкостными форсунками, за начальное сечение, с которого производится расчет, принимается сечение, отстоящее от форсуночной головки на расстоянии 0,25 ...
0,3 длины цилиндрической части камеры сгорания, где продукты успели прореагировать и находятся в газообразном состоянии. Рассмотрим расчет смешения в камере сгорания, следуя рекомендациям работы Г. А. Глебова и Б. Е. Михайлова. Схема процесса смешения между основным потоком и пристеночным слоем показана на рис.
23.16; верхняя и нижняя границы слоя смешения обозначены г, н г,. Для решения задачи необходимо предварительно определить так называемые поперечные профили массовой скорости ри (у) и концентрации с (у) в слое смешения. Для этих целей выбрана аппроксимация указанных параметров по У,У ум л lгд л я дб Д7 Д7 дг аз дб Ог де бб лг 0 й Рис. 2338. Изменение удельного импульса для различных моделей смешения ядра потока и завесы: р = 1З Мпв. е = 300; а — топливо О Ч неровня; б — топливо О, -г Н, к в координате степенными полиномами третьей степени, коэффициенты которых находят по известным параметрам (ри, б) и равным нулю их производным на границах слоя смешения. Термодинамические параметры смеси — плотность, энтальпия, температура и др.
— при известных давлении р:=. сопз( и концентрации с' для модели равновесного состояния определяются расчетом (см. гл. Н1). На рис. 23.17 и 23.18 приведены некоторые результаты расчетов параметров пристеночного слоя в камере сгорания на топливе ХтО, + (СНз)е)х)ХНз. Толщина пристеночного слоя в начальном сечении камеры выбрана равной й == 0,005гс. Видно, что изменение скорости ие, и температуры газа Т„т вблизи стенки, а также границ слоя смешения вдоль камеры существенно зависит от соотношения скоростей пристеночного слоя и основного потока на входе в камеру гп = (и„!и„)0. При значениях пт < 0,4 пристеночный слой сохраняет свой состав и температуру вблизи стенки на коротком участке х < 0,4, далее следует существенное увеличение температуры продуктов сгорания, и эффективность пристеночного слоя уменьшается.
С использованием данных по скорости ио, и температуре Т„в качестве параметров потока представляется возможность рассчитать теплообмен и трение в пристеночном пограничном слое. 23.6.2. Завесное охлаждение При этом способе защиты стремятся создать с огневой стороны стенки камеры равномерную по периметру устойчивую жидкую или газовую пленку охладителя, которая вводится через пояса завесы.
Каждый пояс расположен в одном поперечном сечении. По длине камеры поясов может быть несколько. Для повышения устойчивости пленки часто применяют тангенциальный подвод охладителя через щели и.чи отверстия в поясах завесы. 267 При внутреннем охлаждении жидкостной завесой с докритиче-" ским давлением охладителя часть теплоты продуктов сгорания расходуется на повышение температуры охладителя выше крити-: ческой и его испарение. Вследствие испарения пленка постепенно уменьшается, а затем исчезает, и на некотором расстоянии сохра-" няется слой пара охладителя.
В качестве охладителя применяют компонент топлива (обычно горючее) или специальную жидкость с подходящими свойствами. Защитное действие жидкостной завесы состоит в снижении плотности конвективного теплового потока за счет уменьшения разности температур в пограничном слое, в снижении плотности лучистого теплового потока (жидкая пленка является хорошим изолятором от теплового излучения) и в создании у стенок восстановительной или нейтральной среды,. Кроке того, пленка зашищает стенки от эрозионного воздействия газового потока. Зашитный эффект жидкостной завесы проявляется уже при очень малых толщинах пленки. Чрезмерное увеличение пленки приводит к возникновению волн на поверхности пленки, а затем — и к возможному отрыву частиц жидкости (ккапельиый. унос» с поверхности).
Следствием этого является неэффективное расходование жидкости и увеличение общих тепловых потоков к пленке из-за увеличения ее поверхности. Расход охладителя на жидкостную завесу может составлять от 0,5 до 5 % общего расхода топлива. При таких небольших расходах трудно обеспечить равномерную по периметру устойчивую защитную пленку необходимой длины. Необходимый расход охладителя на завесу определяют расчетом и уточняют экспериментально, одновременно варьируя давление впрыска, размеры и расположение отверстий или щелей в поясах и т. п.
Степень снижения плотности тепловых потоков на участках жидкостной завесы может достигать 50 ... 70 % . Начиная с некоторого значения относительного расхода жидкости, вводимой для создания завесы, характерным является процесс стабилизации плотности тепловых потоков. Г а з о в а я з а в е с а организуется либо при вводе на огневую стенку испаренного топливного компонента (например, водо-, рода), либо при вводе продуктов газогенерации. 23.6.3.
Транспирационное охлаждение При этом методе теплозашиты внутренняя стенка камеры или ее часть, если транспирационное охлаждение приме;, няется на определенном участке камеры, изготовляется из мелко- пористого материала с диаметром пор в несколько десятков микрон. Пористый материал обычно получают спеканием порошков металлов или прессованием металлических сеток. При этом стремятся к тому, чтобы микроотверстия в материале располагались равномерно, а их количество на единицу площади было большим Защитное действие транспирационного охлаждения аналогично завесному. Если используется жидкий охцадитель, то он по по- рам подводится с небольшой скоростью на огневую поверхность стенки, создается защитная завеса, плотность теплового потока в стенку снижается При некотором критическом значении расхода жидкого охладителя температура стенки становится равной температуре кипения жидкости при данном давлении.
На режиме критического расхода внутренняя стенка защищается сплошной завесой жидкости. При снижении расхода жидкость частично испаряется, а завеса становится в основном газовой. Ее защитное действие сохраняется и далее вниз по потоку аналогично обычной газовой завесе. Предпочтительнее, особенно при использовании в качестве охладителей Нз и НН,, испарять жидкий охладитель на наружной поверхности стенки и вдувать в пограничный слой у внутренней стенки холодный пар. Это обеспечивает большую равномерность охлаждения поверхности. Если задано распределение температур стенки Т„„(х) и Т„,, (х), то расход охладителя на этом режиме можно определить с помощью формул, приведенных в гл. ХП1. Количественные соотношения между расходом охладителя и снижением плотности тепловых потоков зависят от свойств охладителя, материала стенки и параметров газового потока.
В общем случае расход охладителя при транспирационном охлаждении в 3 .. 5 раз меньше, чем при завесном, что обусловлено небольшими скоростями ввода охладителя и равномерным охлаждением поверхности. Преимущества транспирационного охлаждения увеличиваются при больших температурных перепадах (Т, — Т„, „). Применение транспирацнонного охлаждения сдерживается рядом трудностей материаловедческого и технологического характера. При условии преодоления этих трудностей транспирационное охлаждение можно считать перспективным и почти единственно пригодным для охлаждения камер с очень высокими плотностями тепловых потоков в стенку (ЖРД на высокоэнергетических топливах с большим давлением р„, газофазные ядерные ракетные двигатели). 23.7. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ ЗАШИТА Для тепловой за:циты материала стенки со стороны огневой поверхности часто применяют теплоизоляционные покрытия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
