Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

удовлетворительных результатов и поэтому для практических рас­ четов мало пригодны. К тому же расчеты охлаждения по этим ме­

ЖРД в настоящее время приходится производить приближенно,

пользуясь в основном экспериментальными формулами теории теп­ лопередачи, созданной-применительно к условиям работы промыш­ ленных тепловых установок.

При расчете охлаждения камеры ЖРД наибольшие трудности встречаются при определении коэффициента теплоотдачи от газа

коболочке камеры, вполне обоснованный метод расчета которого

внастоящее время еще не найден.

Дальнейшие пути развития и повышения экономичности рабо­ ты ЖРД (удельной тяги) настоятельно требуют создания точного метода расчета охлаждения камеры сгорания и сопла двигателя.

Эта весьма актуальная задача может быть решена только в ре­ зультате дальнейших глубоких теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена в камерах двигателей с уче­ том особенностей сгорания в них различных топлив при разных условиях, конструктивных особенностей камеры сгорания и сопла, а также характера течения в них газа.

Охлаждение внутренней оболочки камеры двигателя должно обеспечить отвод от нее тепла и не допускать разогрева ее до тем­ пературы, при которой значительно снижаются прочностные свой­ ства материала.

От того, насколько удачно решена проблема охлаждения каме­ ры сгорания и сопла, зависит надежность и продолжительность

работы двигателя.

§ 1. Способы защиты камер ЖРД от перегрева,

их достоинства и недостатки

Одной из основных проблем реактивной техники является со­ здание ЖРД с высокой удельной тягой и значительным сроком службы.

По данным иностранной печати в современных ЖРД удельная

кг тяги

тяга достигает 215—240 ------------------ , тогда как энергетическая

кг топлива^сек

возможность существующих и перспективных топлив позволяет по-

Причина столь большого разрыва между достигнутыми и воз­

можными значениями Рул состоит в исключительной сложности

организации защиты внутренней оболочки камеры двигателя от воздействия на нее продуктов сгорания высокой температуры.

396 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

Основная сложность этого вопроса состоит в том, что тепловой поток от горячих газов к оболочке камеры пропорционален разно­ сти температур между газом и поверхностью оболочки, и поэтому

любое повышение температуры газов вызывает увеличение тепло­

вых потоков, а следовательно, повышение температуры газовой

поверхности оболочки камеры.

Применяемые в настоящее время способы защиты оболочки ка­ меры от перегрева и прогара в ряде случаев малоэффективны или при удовлетворительной эффективности ухудшают рабочий про­

цесс в камере и, следовательно, снижают Руд.

Основным и наиболее экономичным способом защиты оболочки

камеры двигателя от перегрева горячим газом является охлажде­ ние ее снаружи одним или обоими компонентами топлива.

Такой способ охлаждения двигателя называется регенератив­ ным, так как в этом случае тепло, переданное от оболочки камеры

к охлаждающей жидкости, почти полностью возвращается в каме­

ру сгорания. Обычно для охлаждения камеры двигателя исполь­ зуется тот компонент топлива, который обладает небольшими кор­ розийными свойствами и имеет более высокие значения теплоемко­

сти, теплопроводности и температуры кипения. Наиболее мощным охлаждающим агентом часто является окислитель, так как его се­ кундный расход в двигателе почти в 2—4 раза больше расхода го­ рючего.

Если для чисто регенеративного охлаждения камеры двигателя одного компонента недостаточно, то могут быть использованы оба

компонента топлива (при условии пригодности для охлаждения второго компонента). Так как смешение их вне камеры сгорания недопустимо, то один из компонентов топлива может быть исполь­ зован для охлаждения сопла, а другой — камеры сгорания. Однако

использование для охлаждения двигателя обоих компонентов топ­ лива практически затруднено в конструктивном отношении.

Применение сжиженных компонентов топлива для охлаждения

своим высоким значениям теплоемкости, теплопроводности, темпе­

ратуропроводности и малой вязкости, но для ЖРД летательных аппаратов применение ее нецелесообразно, так как для охлаждения камеры двигателя необходим большой запас воды на снаряде, что утяжеляет последний. Вода часто используется в качестве охлаж­ дающей жидкости камеры сгорания в экспериментальных стацио­ нарных установках.

Регенеративное охлаждение камеры ЖРД в определенных пре­ делах можно интенсифицировать увеличением скорости движения

жидкости в охлаждающем тракте за счет уменьшения проточной площади последнего. При увеличении скорости утоняется ламинар­

ный слой жидкости у поверхности оболочки и в результате этого снижается термическое сопротивление между оболочкой и охлаж­

дающей жидкостью. Однако в случае необходимости снятия с обо­ лочки больших количеств тепла такая интенсификация регенера­ тивного охлаждения может оказаться практически невыгодной, так как при значительном увеличении скорости движения жидкости

неизбежно возрастает гидравлическое сопротивление в тракте, для преодоления которого требуется значительно повысить давление

подачи охлаждающей жидкости и, следовательно, увеличить вес и мощность системы топливоподачи двигателя. Кроме того, выпол­ нение охлаждающего тракта с весьма малым проточным сечением сопряжено с трудностями технологического характера.

Практически возможно уменьшить теплоотдачу от газов к обо­ лочке камеры искусственным увеличением термического сопротив­ ления газовой поверхности оболочки — введением в пограничный слой газов относительно холодного тела (жидкости, газа).

При увеличении давления газов в камере сгорания или в случае

применения высококалорийных топлив для увеличения удельной тяги рабочий процесс в двигателе интенсифицируется, в результа­ те чего тепловые потоки от газов к внутренней оболочке камеры возрастают и могут достигать таких больших величин, при которых снять с оболочки потребное количество тепла чисто регенератив­ ным охлаждением становится невыгодным или невозможным.

К тому же иногда компоненты топлива в силу своих физических

и химических свойств оказываются мало пригодными для регене­ ративного охлаждения двигателя (например жидкий кислород).

В этих случаях, а также при необходимости облегчить условия регенеративного охлаждения двигателя дополнительно к послед­ нему обычно применяют защиту оболочки камеры от перегрева

путем:

1) создания около огневой поверхности оболочки камеры паро­ газовой или жидкостной завесы из горючего, непрерывно подава­ емого в небольшом количестве в пристеночный слой камеры либо

через форсунки, установленные по периферии головки камеры, либо через специальные щели или отверстия в специальных поясах обо­

лочки камеры (фиг. 9. 1);

2)изоляции внутренней поверхности оболочки камеры Ът тепла газов специальным покрытием (керамика, графит, карбид воль­

фрама, кремний, окислы металлов);

3)искусственного ухудшения рабочего процесса в камере сго­ рания (при работе на заданном топливе) чрезмерным увеличением коэффициента избытка одного из компонентов топлива или прибав­ лением к нему воды для снижения температуры сгорания.

Защита оболочки камеры от перегрева в виде завес горючего весьма мощная. Эффективность ее зависит от рода и расхода

жидкости на образование завес и от способа и места образования последних.

в основном не сгорает и в общем для двигателя является потерян­

ной энергией топлива.