Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 91
Текст из файла (страница 91)
„.,С учетом потерь в стенки камеры и заряда масса заряда воспламенителя вычисляется по формуле птв =- рв)гсв вг(1 — я) $ейву"в, (37 12) где $а — коэффициент тепловых потерь, определяемый опытным путем (яе ( 1). Как видно нз формулы (37.12), необходимая щса заряда воспламенителя прямо пропорциональна давлению, создаваемому воспламенителем, и начальному свободному объему. Зависимость массы заряда воспламенителя от свободного объема камеры, полученная на основе данных для большого количества зарубежных РДТТ, приведена на рис. 37.3. Значения т, могут существенно меняться в зависимости от природы топлива воспламенителя и основного заряда, расположения воспламенителя в камере сгорания и от других факторов.
гл А Б А ХХХУ1!1. ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ И ЗАЩИТА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ Ззм. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООТДАЧИ К ЭЛЕМЕНТАМ КОНСТРУКЦИИ РДТТ Теплоотдача к элементам конструкции РДТТ протекает в характерных условиях, из которых необходимо отметить следующие; нестационариость процесса; сложная структура потока; наличие разрушающихся (аблирующих) материалов в конструкции; большое содержание конденсированных частиц в про; дуктах сгорания; многообразие геометрических форм заряда и проточной части камеры сгорания, наличие щелей, ребер, внезапных сужений и расширений и т.
п. Введение новой переменной— времени — при описании нестационарной теплоотдачи существенно усложняет расчеты и многократно увеличивает их объем. 38.1.1. Особенности тепчообмена при двухфазном течении Изменение количественных характеристик теплообмена и трения при двухфазном течении (см. гл. Х11) обусловлено изменением параметров газовой фазы (скоростные и температурные поля, характеристики турбулентности, условия течения в вязком подслое и др.) при взаимодействии ее с конденсатом; перемеще.
нием частиц (а следовательно, переносом теплоты и количества движения) в направлении к стенке сопла; изменением теплофизических свойств потока в целом. Удары частиц о стенки сопла влияют на гидравлическое сопротивление двухфазного потока и интенсивность теплоотдачи. В случае твердых частиц основная причина такого влияния заключается в изменении скоростного и температурного полей газа вблизи стенки, а также в изменении состояния и толщины вязкого подслоя. Интенсивность теплоотдачи к стенке возрастает на несколько десятков процентов.
В случае жидких частиц осаждение капель на поверхности сопла может привести к образованию пленки. В начале работы двигателя, когда стенки сопла еще холодные, выпадающие на них капли образуют твердый слой (с выделением теплоты кристаллизации), покрытый сверху жидкой пленкой. По мере работы дви- 406 гателя пленка прогревается и твердый подслой может расплавиться.
Увлекаемая потоком продуктов сгорания жидкая пленка начинает течь и при приближении к минимальному сечению может срываться, происходит капельный унос. Пленка жидкости представляет собой дополнительное термическое сопротивление и способствует уменьшению интенсивности теплообмена между потоком и стенкой. Расчеты показывают, что конвективный тепловой поток при наличии пленки может быть даже меньше, чем для чистого газа. В то же время теплоотдача от потока к самой пленке существенно возрастает из-за попадания частиц, имеющих более высокую температуру, в пленку. Многооб. разие факторов, определяющих теплоотдачу двухфазных потоков, затрудняет обобщение накопленных данных и создание необходимых теорий. Отсутствует единое мнение о критериях подобия, которые следует использовать при обобщении экспериментов.
Некоторые сведения по методам расчета конвективного теплообмена и трения для двухфазных потоков приведены в работах В. К. Щукина и др. Для гетерогенных продуктов сгорания меняются и параметры лучистого теплообмена. Уравнение переноса излучения для них представляет собой интегродифференциальное уравнение (см. гл. ХЧ), для решения которого разработаны приближенные численные методы для отдельных частных случаев. Применение этих методов, а также некоторые экспериментальные данные свидетельствуют об увеличении излучательной способности гетерогенных продуктов сгорания.
Как показывают расчеты, доля лучистого теплового потока в камере сгорания РДТТ может достигать 90 % от суммарного. В области горловины она составляет уже существенно меньше половины. 38.1.2. Характерные области расчета При расчете плотности теплового потока выделяют следующие характерные зоны проточной части тракта РДТТ: переднее днище камеры сгорания; район щелевых компенсаторов топливных баков; предсопловой объем; сопловой блок, особенно район минимального сечения.
Геометрическая сложность тракта требует в каждом конкретном случае правильной оценки местных скоростей потока и других параметров. На рис. 38.! приведены возможные конструктивные схемы компоновок переднего днища и топливных баков, 3$П Различные варианты схем номпоновок топливного блока в зоне переднего дниЩд 407 38.2. Схема для определения местных скоростей потока (щели обращены к переднему днищу! скрепленных с корпусом, при которых на поверхности днища наблюдается заметный конвективный теплообмен.
Для любых компоновок днища и топливного блока может быть рекомендована оценка местной скорости газового потока на поверхности переднего днища против торца топливного блока по приближенным зависимостям, основанным на балансе притока и расхода газов через местные проходные сечения.
Рассмотрим в качестве примера вычисление скорости в районе щелевых компенсаторов. Случай, когда щели обращены к переднему днищу, показан на рис. 38.2. В первом приближении обычно принимают, что в любой момент времени гидравлическое сопротивление щелевого канала одинаково при истечении газа через торец и при истечении в центральный канал. Тогда расход газа через торец щели будет пропорционален отношению площади торца (здесь и далее не учитывается кривизна канала и поверхностей) к полной площади «живого сечения» щели, через которую вытекает газ (бх + бе): итлëҫ 2х+ 6 е (38.1) ра к+е 6 0<х ((,. Если щели обращены к сопловому днищу (рис.
38.3), то при малой относительной ширине щели (8(е ( О,!) принимают, что стенка камеры омывается газом, образующимся в щели и выходя-' щим только через торцевое сечение. Тогда скорость в сечении х равна и р КТ« 2х+6 тп(х) = Ре 6 (38.2;! При значительном разгаре щели (6/е )) 0,1) полагают, что газообразование с боковых поверхностей не оказывает существенного влияния на гидродинамику потока. В этом случае скорость также можно определить из уравнения баланса массы, в котором для каждого данного момента времени т следует исполь зоваттп з (т, х) — суммарную площадь поверхности горения заряда вверх по потоку от расчетного сечения «р 38.3.
Схема для определения местных скоростей потока (щели обращены к соплоаому днищу) 408 х; г" (т, х) — площадь проходного сечения проточной части. Для приближенного расчета конвективной теплоотдачи в зоне переднего днища и щелевых компенсаторов можно использовать крнтериальные зависимости, приводимые в работах по теплопередаче [40). Расчет распределения плотности теплового потока по соплу РДТТ проводят по методам, приведенным в гл.
Х!П, ХХП1. Ззлс ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ В РДТТ применяют способы охлаждения конструкции, показанные в табл. 23.1, за исключением наружного проточного охлаждения. Кратко рассмотрим специфику применения способов тепловой защиты. 38.2.1. Радиационное охлаждение Для определения равновесной температуры стенки может быть использована зависимость (23.25). В РДТТ, где толщина стенок больше, чем в ЖРД, возможно заметное различие в температурах стенки с горячей и холодной стороны, и стационарный режим может быть не достигнут.
Период нестационарного прогрева с учетом излучения во внешнюю среду описывается уравнением аг' (Т, — Т„,) = сстротбст л,, + ес,о ~~ ), (38.3) пт ст т у Тстт ~4 где Т„, — температура стенки со стороны продуктов сгорания в момент времени т. Эффективный отвод теплоты излучением начинается с температуры Т ж 700 ... 800 К, процесс становится практически стационарным при Т ж 1700 ...
1800 К. 38.2.2. Внутреннее охлаждение Внутреннее завесное охлаждение может быть организовано в РДТТ с помощью дополнительного заряда топлива, имеющего низкую температуру горения (рис. 38.4). Роль газовой завесы в этом случае та же, что и охарактеризованная в равд. 23.6. Внутреннее транспирационное охлаждение на наиболее напряженных участках г Г сопла может быть организовано аналогично Зщд. Схема органиаанни внутреннего охлаждения: ! — основное топливо; т — пивиотеиперетуапое топливо: а — ввщптвми слой гввв 409 траиспирационному охлаждению ЖРД. В качестве хладоагента могут применяться, например, металлы с низкими температурами, но высокой теплотой плавления и кипения.
38.2.3. Емкостное охлаждение Емкостное охлаждение довольно широко применяется в РДТТ, особенно в двигателях с небольшим временем работы. После запуска двигателя элементы консарукции камеры нагреваются вследствие аккумуляции теплоты (теплоотвод в окружающую среду пренебрежимо мал). С возрастанием температуры огневой поверхности плотность теплового потока„зависящая от разности температур (Т, — Т„„,) уменыиается, поэтому температура стенки возрастает сначала быстро, а затем медленно, асимптотически приближаясь к температуре газа и выравниваясь по толщине стенки. На рис. 38.5 показано изменение температуры стенки на различных расстояниях !гг огневой поверхности у и изменение плотности теплового потока по времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
