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

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

414 Гл. 9. Проектирование и расчет сис'тем охлаждения ЖРД

дет характеризоваться большим продольным изменением давления газа (порядка 36—10 ата) и большой теплонапряженностью вну

тренней оболочки сопла. Для снижения этой теплонапряженности

оболочку целесообразно выполнить возможно тоньше, а также все мерно разгрузить ее от статической нагрузки извне. Кроме того,

для лучшего отвода тепла от оболочки в охлаждающую жидкость

необходимо, чтобы давление жидкости по длйне тракта изме нялось соответственно изменению давления газов в канале ка

меры.

При высоком давлении газа, очевидно, регенеративного охлаж дения будет недостаточно. Поэтому наряду с ним может возник нуть необходимость применить специальную защиту оболочки от перегрева.

Ступень охлаждения высокого давления целесообразно приме нить для камеры сгорания. В этой области камеры двигателя газы

имеют	наибольшее давление:	для рассматриваемого примера
рк=40 ата и температура газа			30004-3500° С.
Охлаждающая жидкость из		тракта высокого давления посту
пает к	головке камеры, а затем через форсунки — в камеру сгора
ния. При этом давление жидкости			в тракте	будет	порядка	45—
50 ата.					следует	вести,
Расчет каждой ступени охлаждения двигателя
в отдельности, так как исходные			данные,	условия охлаждения

и требования для каждой из ступеней разные. В этом случае рас чет охлаждения в основном сводится к определению степени по догрева охлаждающей жидкости в тракте каждой ступени и мини мальной толщины внутренней оболочки по длине камеры двига теля.

§ 4. Факторы, влияющие на теплообмен в камере ЖРД

На величину суммарного удельного теплового потока от газа к оболочке камеры и температуру ее газовой поверхности наиболь шее влияние оказывают следующие факторы:

1. Давление, температура и скорость газа по длине камеры.

При увеличении этих параметров процесс сгорания топлива значи тельно интенсифицируется, в результате чего увеличиваются мест ные удельные тепловые потоки от газа к оболочке и повышается температура ее газовой поверхности.

Например, повышение давления в камере сгорания при прочих равных условиях увеличивает плотность и массовую скорость газа

при некотором повышении температуры и,	следовательно, повы
шает суммарный удельный тепловой поток	от	газа к оболочке,
а также температуру ее газовой и жидкостной		поверхностей.

Эксперименты показывают, что удельный тепловой поток от га зов к оболочке камеры изменяется по закону прямой линии, почти пропорционально рЕ°'8. Повышение температуры газа в камере его-

$ 4. Факторы, влияющие на теплообмен в камере ЖРД

415

рйния за счет применения более теплоэффективного топлива приводит к таким же результатам, как и в случае повыше

ния рк.

Такая зависимость tnr от условий работы двигателя указывает на то, что использование высоких рк и высококалорийных топлив

связано с необходимостью весьма интенсивного охлаждения каме ры двигателя.

При увеличении скорости течения газа в камере уменьшаются толщина и, следовательно, термическое сопротивление ламинар ного газового слоя около поверх ности оболочки, что усиливает конвективную теплоотдачу от га зов к оболочке камеры и приво

дит к увеличению q, t„,T и 6т.ж-

На конвективный теплообмен также влияют физические свой

ства газов, форма камеры сгора ния и сопла, их размеры и много других факторов.

2. Толщина и теплопровод ность материала оболочки каме ры. При заданном удельном теп ловом потоке возможность мест ного охлаждения оболочки каме ры также определяется ее толщи ной и теплопроводностью мате риала, физическими свойствами

Фиг. 9.7. Изменения температур жидкостной и газовой поверхностей оболочки в зависимости от ее тепло проводности (расчетные данные).

охлаждающей жидкости и допустимой гидравлической потерей в охлаждающем тракте.

Чем меньше толщина оболочки и больше теплопроводность ее материала, тем меньше перепад температуры по толщине оболочки и тем больше тепла отводится от нее в единицу времени к охлаж

дающей жидкости. При этом ^пж несколько повышается, a tnr — понижается (фиг. 9.7). Это значит, что если температура газовой поверхности в каком-либо месте оболочки превышает предельно допустимое значение, то эту границу надежной эксплуатации дви гателя можно повысить применением материала для оболочки с более высоким коэффициентом теплопроводности.

Следовательно, внутреннюю оболочку камеры целесообразно изготовлять возможно меньшей толщины из материала с возможно большим коэффициентом теплопроводности. Однако надо иметь

ввиду, что металлы, имеющие большой коэффициент теплопровод

ности, как правило, обладают малой прочностью. Практически можно создать камеру двигателя с относительно тонкой внутрен

ней оболочкой, выполнив ее конструктивно по связанной силовой схеме или из никелевых (даже медных) трубок, деформированных

впрямоугольное сечение. Спаяв такие деформированные трубки

-416 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

между собой вдоль их длины, можно создать необходимый контур камеры с гладкой огневой поверхностью.

Внутри этих трубок будет протекать охлаждающая жидкость. Для повышения жесткости и сопротивления разрыву этих тру

бок под действием давления находящейся в них жидкости снаружи

их витков надевают специальные обтягивающие стальные сварные

или пластмассовые армированные стеклянным волокном кольца ’.

Фиг. 9. 8. Ф|Ормы охлаждающих трактов камер ЖРД.

1—внутренняя оболочка камеры, 2—наружная оболочка камеры, 3—зазор для охлаждающей жидкости, 4—канал охлаждающей жидкости, 5—установочный прут.

По данным иностранной печати 12, при толщине стенок этих тру бок 0,75—1,25 мм можно безопасно развивать в такой камере сго рания температуру газов до 3400—4000° С при существенно повы шенном давлении и относительно меньшем удельном весе. Другое

преимущество такой конструкции трубчатого охлаждающего трак та и внутренней оболочки камеры заключается в том, что ее можно применять в двигателях больших тяг без значительного изменения размеров и толщины трубок.

3. Конструктивная форма и степень обработки поверхности охлаждающего тракта камеры сгорания и сопла. Эти факторы ока зывают существенное влияние на характер движения охлаждаю

щей жидкости в тракте и величину ее теплообмена с оболочкой ка меры. Например, при спиральном охлаждающем тракте камеры поверхность теплоотдачи оболочки к охлаждающей жидкости больше, чем при щелевом тракте (фиг. 9.8), что приводит к неко торому повышению q и ^п.ж, а также понижению tn.T.

При более гладкой поверхности оболочки камеры жидкостный ламинарный слой получается тоньше, что способствует конвектив ному теплообмену между оболочкой и жидкостью и приводит к та

1	Вопросы ракетной техники, вып. 6, ИЛ, 1956.
2	Там же.

§ 4. Факторы, влияющие на теплообмен в камере ЖРД

417

ким же результатам, как и в случае применения для охлаждения оболочки спирального тракта.

Таким образом, применяя спиральный тракт и выполняя по верхность оболочки гладкой со стороны охлаждающей жидкости, можно несколько облегчить условия охлаждения камеры двигате ля. Но при этом нельзя забывать, что применение специального тракта почти всегда связано с усложнением конструкции и увели

чением стоимости камеры двигателя.

4. Физические свойства и скорость движения жидкости в охлаж дающем тракте. Физические свойства охлаждающей жидкости (теплопроводность, теплоемкость, удельный вес, температуропро водность и вязкость) оказывают существенное влияние на тепло обмен в камере ЖРД.

Чем больше	теплопроводность, теплоемкость,	удельный вес
и температура	кипения при данном давлении в	охлаждающем

тракте камеры и ниже вязкость жидкости, тем лучше ее охлажда ющая способность.

Наилучшим охлаждающим свойством, как уже отмечено выше, обладает вода, а за ней в убывающем порядке идут метиловый спирт, азотная кислота, этиловый спирт и керосин.

При повышении температуры охлаждающей жидкости умень шается ее вязкость и увеличиваются теплопроводность и конвек тивный теплообмен с оболочкой, в результате чего несколько по нижается tnr. Это указывает на то, что более нагретая жидкость обладает лучшим охлаждающим свойством.

При увеличении	скорости	течения	охлаждающей	жидкости
в тракте уменьшается толщина		ламинарного жидкостного слоя
около оболочки и в	результате	этого	увеличивается	теплосъем

и снижается tar при некотором повышении q.

Таким образом, за счет уменьшения проточного сечения охлаж дающего тракта и увеличения при этом скорости движения охлаж дающей жидкости можно выдержать заданное значение tnr. Одна ко следует иметь в виду, что увеличить wx практически возможно только повышением перепада давления жидкости в охлаждающем тракте и, следовательно, за счет утяжеления и удорожания систе мы топливоподачи.

Чем выше давление жидкости в тракте, тем выше ее темпера тура кипения и больше предельно возможный удельный теплосъем (максимально возможный теплосъем 1 кг жидкости).

5. Температура жидкостной поверхности оболочки камеры

двигателя.	В процессе теплоотдачи от	оболочки	в	камеры
к охлаждающей жидкости при заданном давлении ее				тракте
возможны случаи, когда ?п.ж<*кнп или ?‘n.5K>ZtKlin.			в	тракте
В первом	случае (£п.ж-^Лип) закипание	жидкости

невозможно. Во втором случае (^п.ж>^кип) возможно закипание

охлаждающей жидкости на поверхности оболочки. Если при этом

температура жидкости в своем основном ядре ниже температуры

27' 371

418 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

ее кипения, то образовавшиеся на поверхности оболочки рыхлые пузырьки пара будут смываться более плотным и менее нагре тым турбулентным потоком жидкости и конденсироваться в нем.

Благодаря такому пузырчатому кипению жидкости на поверх ности оболочки значительно возрастает коэффициент теплоотдачи аж при неизменном значении скорости жидкости в тракте (фиг. 9. 9).


При этом несколько понизится /пг		и	значительно увеличится						q.
Однако после достижения определенной предельной						температуры
		нагрева		интенсивное			кипение
		жидкости на поверхности						обо
		лочки может привести к бурно
		му образованию паровой плен
		ки, которая не будет смывать
		ся потоком жидкости и вслед
		ствие своей			плохой теплопро
		водности значительно					ухудшит
		теплосъем с оболочки, что							в
		результате			может		вызвать
		перегрев		и	прогар		послед
		ней.				образования
			Вероятность
	С	паровой пленки зависит также
		от скорости			движения		жидко
		сти	и степени шероховатости
Фиг. 9. 9. Характер' изменения удельного		поверхности			оболочки		камеры,
		турбулизирующих поток. Точно
теплового потока и коэффициента тепло		указать		условия,		при	которых
отдачи	от оболочки к охлаждающей
		на поверхности оболочки появ
жидкости в зависимости от разности
температур между оболочкой и жидко		ляется паровая пленка, пока
	стью.	невозможно ввиду малой						изу
ры кипения. 2—область пузырчатого кипения		ченности этого явления в усло
1—область	подогрева жидкости до температу	виях работы ЖРД при исполь
жидкости, 5—область пленочного кипения
	жидкости.	зовании		различных охлаждаю
		щих жидкостей. По этой причи
не охлаждение двигателей при пузырчатом				кипении		жидкости			в

тракте пока практически не применяется. Вообще же следует счи

тать целесообразным пузырчатый режим охлаждения ЖРД, при котором теплосъем с оболочки увеличивается в несколько раз по сравнению с режимом теплоотдачи к жидкости, когда последняя не

кипит. Умело используя явление пузырчатого кипения охлаждаю щей жидкости, можно значительно уменьшить мощность и вес си стемы топливоподачи двигателя.

6. Конструкция распылительной головки камеры двигателя. От конструкции головки камеры двигателя, типа и числа топливных форсунок и схемы расположения их на головке зависят качество

смесеобразования и процесс сгорания топлива, характер движения газового потока в камере, а также распределение в нем температур

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/124647

Смотрите также:

«Характеристика объектов коммерческой деятельности в торговле»
05_линейная регрессия
1253
1310
1846
2448
2448
25.05.20 г. Расчёт срока окупаемости
3_Pravookhranitelnye_organy_otveta_na_65_vopro
3244