410 Гл. 9. Проектирование и распет систем, охлаждения ЖРД
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи k, т. е.
.у = —+ у + ~ |
(9.10) |
к аг Л аж |
|
называется термическим сопротивлением теплопередачи.
Фиг. |
9.4. |
Примерное |
распределение |
Фиг. 9. 5. Примерное распреде |
|||||
удельных тепловых потоков |
по |
длине |
ление удельных тепловых пото- |
||||||
|
|
сопла двигателя. |
ков |
по длине сопла |
камеры |
двигателя |
|||
|
|
|
|
|
|
азотнокислотного |
|||
На |
фиг. |
9.4 показан |
характер |
при Рк = 40 |
ата и |
различных |
|||
коэффициентах состава |
топли- |
||||||||
распределения удельных |
к |
н |
ва у стенки оболочки |
каме- |
|||||
тепловых |
|
ры -/ст. |
|
|
|||||
потоков по длине сопла камеры дви |
состава |
топлива |
х, а на |
||||||
гателя |
при |
заданном |
коэффициенте |
||||||
фиг. 9. 5 — при разных значениях %.
§ 3. Требования, предъявляемые к регенеративному
охлаждению ЖРД
Необходимая стойкость и надежность ЖРД при длительной ра боте могут быть обеспечены только при условии надежного охлаж дения внутренней оболочки камеры двигателя.
Охлаждение двигателя может быть надежным в том случае,
когда оно выполнено с учетом предъявляемых к нему следующих требований:
1.Температура газовой поверхности оболочки камеры сгорания
исопла не должна превышать безопасно допустимого предела, кото рый выбирают исходя из условия необходимой прочности и с учетом возможной эрозии газовой струей. В противном случае материал
оболочки камеры с огневой стороны будет размягчаться и сдуваться
§ 3. Требования к регенеративному охлаждению ЖРД |
411 |
потоком газа, что в результате может привести к аварии двигателя.
Следовательно, при расчете ЖРД необходимо знать температу ру, при которой различные конструктивные элементы двигателя, подвергающиеся воздействию горячего газа, начнут плавиться,
пластично деформироваться и сильно эродировать. Значение этих параметров, а также активность эрозии зависят от физических свойств металла, состава и скорости газа и других факторов.
Безопасно допустимая температура газовой поверхности обо лочки камеры двигателя практически не должна превышать:
а) для углеродистых сталей — 550—560° С; б) для специальных жаростойких легированных сталей —
700—900° С;
в) для меди — 350—450° С;
г) для алюминиевых сплавов типа АЛ4 — 350—400° С. Рабочая температура газовой поверхности оболочки современ
ных двигателей обычно находится в пределах 400—900° С (в сред нем около 650° С). При этих температурах многие материалы обла дают удовлетворительной прочностью. Однако необходимость уве
личения удельной тяги двигателя за счет повышения давления га
зов в камере сгорания и применения топлив повышенной тепло творности, имеющих высокие температуры сгорания, заставляет изыскивать материалы для внутренней оболочки камеры, допуска ющие безопасное нагревание ее до более высокой температуры.
2. При обычных схемах регенеративного охлаждения двигателя необходимо, чтобы охлаждающая жидкость отводила от оболочки камеры столько тепла, сколько последней передается от горячих газов, и чтобы температура этой жидкости в тракте не превышала температуры ее кипения при данном давлении. В противном случае
возможно образование на жидкостной поверхности оболочки па ровой пленки, резко снижающей теплосъем с оболочки и ведущей к перегреву и прогару последней.
Это требование выполнимо при условии, когда располагаемый
приток тепла (фиг. 9. 6) |
от газов к оболочке камеры |
|
|
Qpacn=£<7A ккал/сек |
|
||
будет меньше общего максимально возможного теплосъема |
дан |
||
ным количеством охлаждающей жидкости |
|
||
Qbosm |
^охл С (^кип |
^вх) Л'ЛПЛ CCK, |
|
т. е. при условии |
|
|
|
|
Qpacn |
Qbobm’ |
|
где qi — удельный тепловой поток на i-том участке оболочки, |
по |
||
верхность которого равна Si м2, в ккал/м2 сек\
С — средняя теплоемкость охлаждающей жидкости в тракте
в ккал/кг °C-,
£ 3. Требования к регенеративному охлаждению ЖРД |
413 |
3)установить по условиям надежного охлаждения и прочности
минимальную толщину внутренней оболочки камеры;
4)упростить технологию изготовления камеры.
Перечисленные требования к охлаждению ЖРД необходимо иметь в виду при определении удельных тепловых потоков от газов к оболочке камеры и от последней к охлаждающей жидкости. Если
при расчете охлаждения двигателя вычисляемые параметры не удовлетворяют предъявляемым требованиям, то необходимо при менять другие меры для достижения требуемых результатов.
Стремление уменьшить габариты двигателя может обусловить дальнейшее увеличение давления в камере сгорания, несмотря даже на осложнения, связанные с конструированием и эксплуатацией коммуникаций, работающих при высоких давлениях.
В случае высокого давления в камере сгорания (например, свыше 40 ата) может оказаться целесообразным применение двухили трехступенчатой схемы регенеративного охлаждения камеры двигателя — ступени охлаждения низкого, среднего и высокого
давления (при использовании двухили трехступенчатых центро
бежных топливных насосов).
Выбор такой схемы охлаждения двигателя может быть обус ловлен, помимо высокого давления газов в камере сгорания и соп ла, еще и большой теплонапряженностью оболочки в области кри тического сечения сопла. Хотя при этой схеме охлаждения несколь
ко усложняется система подачи охлаждающей жидкости, |
но так |
||
как при высоком давлении |
газов в камере |
сгорания |
(порядка |
40 ата и выше) требуется |
применение двух- |
или трехступенчатых |
|
топливных центробежных насосов, то такая схема регенеративного охлаждения значительно не усложняется и при определенных ус ловиях может оказаться вполне целесообразной.
Ступень охлаждения низкого давления можно применить для расширяющейся части сопла камеры. При рк=40 ата давление газа в этой области сопла может изменяться в пределах примерно
10—0,75 ата, а температура газа — 2500—2000° С. При таких па раметрах газа в канале сопла можно создать надежное охлажде
ние его при давлении жидкости в охлаждающем тракте около
15 ата. Относительно небольшое давление жидкости в охлаждаю щем тракте позволяет применить тонкостенную внутреннюю и на
ружную оболочки камеры (порядка 1,5—2 мм), что при большой длине сопла значительно уменьшает вес камеры двигателя.
В случае одноступенчатой схемы охлаждения давление охлаж дающей жидкости в тракте будет порядка 45 ата, а толщина вну тренней оболочки сопла несвязанной силовой схемы — около
12 мм. Это, конечно, приведет к значительному росту веса сопла.
Ступень охлаждения среднего давления можно применить для докритической части сопла. Эта область сопла при рк=40 ата бу