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

§ 7. Определение радиационных удельных тепловых потоков

от газа к оболочке камеры двигателя

Передача тепловой энергии от одного тела к другому радиацией

(излучением) совершается в виде электромагнитных волн длиной

■от 0,8 до 40 мк.

Твердые тела излучают и поглощают лучистую энергию всех длин волн, а газы — только в определенных интервалах длин волн, различных для разных газов. Такое излучение и лучепоглощение газов называется избирательным, или селективным.

Двухатомные газы обладают весьма малой лучеиспускательной и лучепоглощательной способностями и поэтому для тепловых лу­

чей они оказываются почти прозрачными. Эти газы имеют очень узкие полоски спектров излучения и лучепоглощения. Основную часть излучения продуктов сгорания в ЖРД составляет излучение, связанное с колебательным и вращательным движением молекул газов.

Наибольшей селективностью излучения и лучепоглощения обла­ дают газы Н2О, СО2, SO2, СО и ОН (эти газы перечислены в поряд­ ке снижения степени интенсивности их излучения).

Собственное излучение тела в сумме с отраженным на него из­ лучением других тел принято называть эффективным излучением тела.

Современные ЖРД работают на углеводородных горючих

и окислителях, содержащих в качестве основного элемента кисло­

род.

Вэтих двигателях излучение состоит из трех видов:

1)излучения газов высокой температуры;

2)излучения распыленных твердых частиц углерода, находя­

щихся в газах во взвешенном состоянии;

3)излучения теплового эффекта химической реакции горения топлива (хемилюминесцентное излучение).

ВЖРД лучистый теплообмен обусловлен в основном излуче­ нием водяного пара и частично углекислоты. Газ SO2 в продуктах сгорания топлива часто совсем отсутствует или иногда представ­

ляет собой весьма небольшой процент от всего количества газов.

Остальные газы, входящие в состав продуктов сгорания, принято считать для лучей прозрачными. Излучение частиц сажи и хемилю­

минесценция имеют весьма слабое влияние на лучистый теплооб­ мен в ЖРД и поэтому в расчетах обычно не учитываются. Твердые тела и жидкости в большинстве своем для тепловых лучей не про­ зрачны. Излучение и лучепоглощение в твердых непрозрачных те­ лах происходит только в поверхностном слое, а в газах — во всем

объеме. По длине камеры сгорания ЖРД лучистые тепловые пото­ ки возрастают, а по длине сопла — уменьшаются.

Лучистый теплообмен в каком-либо сечении камеры ЖРД су­ щественно зависит от:

1)состава, температуры и давления газов, определяющих эф­ фективность теплоизлучения;

2)геометрической формы и размеров данного участка камеры

двигателя, определяющих выбор характерного размера для вычис­

ления лучеиспускательной и лучепоглощательной способностей газа рассматриваемого объема;

3) соотношения компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания двигателя, определяющего характер протекания в камере рабочего процесса, поля температур и скоростей газов;

4) положения рассматриваемого участка камеры двигателя,

так как по ее длине изменяются факторы, влияющие на лучистый теплообмен.

Исходными данными для определения радиационных удельных тепловых потоков в камере двигателя являются:

1)форма и размеры камеры сгорания и сопла;

2)давление, температура и парциальные давления газов в ка­ мере сгорания;

3)род материала оболочки камеры и эффективная степень чер­ ноты ее газовой поверхности;

4)вспомогательные графики некоторых расчетных параметров.

Поскольку в газах различной объемной формы длина пути лу­

чей в различных направлениях не одинакова, то для определения лучистого удельного теплового потока необходимо заданную объ­ емную форму излучающих газов заменить эквивалентной ей по объему формой полусферы, в которой длина пути лучей до центра

плоского основания в любых направлениях будет одна и та же.

Радиус такой газовой полусферы и будет представлять собой неко­ торую среднюю эффективную длину пути луча I, характеризующую

излучающую и лучепоглощающую способности газов данной объ­ емной формы.

Для приближенного определения эффективной длины пути луча

где V — объем газа данной формы в м3;

S— поверхность оболочки этого объема газов в м2.

Втабл. 9. 3 приведены значения I газов, находящихся в канале

различной формы (при излучении на боковую поверхность).

Излучающая способность соответствующего газа является функцией температуры и эффективной толщины газового слоя (оптической плотности), представляющей произведение pd ата-м

или pd, где pi—парциальное давление i-ro газа в смеси, Pi=y Jg—

плотность газа в кгсек?/м* и I — эффективная длина пути луча в м,

1 А. М. Михеев. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.

28 371

434 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

Суммарное излучение газовой смеси не равно сумме излучений ее отдельных компонентов, взятых порознь. Так, степень черноты

смеси углекислого и водяного газов меньше суммы их собственных степеней черноты. Это явление связано с частичным взаимным по­ глощением излучения обоих газов в области длин волн, в которых полосы их спектров перекрывают друг друга.

Экспериментальное определение лучистых тепловых потоков в камерах ЖРД чрезвычайно затруднено из-за сложности рабочих процессов в камере сгорания и сопле.

Для определения излучения водяного и углекислого газов в ус­ ловиях работы ЖРД в настоящее время используют данные экстра­ поляции на большие давления и температуры, полученные в типо­ вых промышленных топках при давлении 1 ата и температурах до 2000° С ’. При этом обычно считают, что доля лучистого удель­ ного теплового потока от газов к оболочке камеры ЖРД невелика

(особенно в сопле камеры), и поэтому точность такой экстраполя­ ции практически достаточна, хотя в действительности возможны

случаи, когда этот вид теплообмена может играть существенную

роль в общем теплообмене камеры двигателя.

В связи с тем, что температура газовой поверхности стальной

или медной оболочки в камерах современных ЖРД обычно невы­ сока, излучением оболочки в слой газов можно пренебречь. На этом основании суммарный радиационный удельный тепловой поток от газов к оболочке камеры сгорания при отсутствии защитной заве­

1 А. М. Михеев. См. стр. 433.

2Н. В. Иноземцев и В. К. Кошкин. Процессы сгорания в двигате­ лях. Машгиз, 1949.

436Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

Вкамерах ЖРД, работающих при высоких давлениях газов или высококалорийных топливах, а также имеющих жароупорную оболочку (например, в случае облицовки оболочки керамикой),

температура газовой поверхности оболочки может быть высокой, и поэтому радиационный удельный тепловой поток от газов в этом случае может играть существенную роль в общем теплообмене дви­ гателя.

Степень черноты СОг и Н2О с увеличением температуры умень­ шается. Поэтому излучение этих газов с повышением температуры

возрастает не по закону четвертой степени, а несколько медленнее. Опыты показывают, что излучение и лучепоглощение водя­

ного пара пропорционально Т3*, а углекислоты 7?’5. Однако в целях

от Н2О и СО2 к оболочке камеры сгорания двигателя в существую­ щей литературе 1 рекомендуются следующие формулы:

При этом суммарный радиационный удельный тепловой поток равен

1 А. В. Болгарский и В. К. Щ у к и и. Рабочие процессы в жидкостно­ ракетных двигателях. Оборонгиз, 1953.

Г. Б. Синярев и М. В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Обо,ронгиз, 1957.