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

При определении qp в характерных сечениях камеры необходимо учитывать не только изменение геометрических размеров газовой струи, но и изменения температуры, давления и состава газов по длине камеры, что практически связано с громоздкостью расче­ тов и не дает удовлетворительной точности.

Поэтому для всей длины камеры сгорания существующих ЖРД, за исключением ее начального участка длиной около 50—100 мм,

радиационный удельный тепловой поток целесообразнее принять

Фиг. 9. 12. Распределение радиационного удельного теплового потока по длине камеры двигателя.

постоянным и равным значению qPK, вычисленному по параметрам газов в конце камеры сгорания, а у головки камеры считать

^р?«0,25<7р.к.

При определении радиационных удельных тепловых потоков от газов к оболочке сопла камеры также можно считать:

1)в докритической части сопла до сечения с диаметром

Jr~l,2rfKp радиационный удельный тепловой поток постоянным и равным его значению в конце камеры сгорания qPK;

2)в критическом сечении сопла <7Р^О,5<7Р.к и

3)в закритической части сопла в сечении, где Gfr~l,5dKP,

<7р^О,15<7р.к а в сечении, где dr= 2,5rfKP,— около 0,04^р.к.

Излучение газов, находящихся в камере сгорания, практически

совсем не доходит до оболочки закритической части сопла.

Таким образом, легко рассчитать и построить график для быст­

рого определения qp по всей джше камеры при условии равномер­ ного распределения по ее поперечному сечению компонентов топ­ лива (фиг. 9. 12).

Лучистый теплообмен в ЖРД также существенно зависит от па­ раметров пристеночного слоя газов, образуемого из горючего или из относительно холодного газа, подаваемого со стороны головки

438 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД,

мере приходится делить на два слоя с резко выраженными со­ ставами газов и их параметрами — ядро потока и пристеночный

слой.

Если в двигателе применяют упомянутые выше защитные за­ весы, то в пристеночном относительно холодном слое газов погло­

пристеночного слоя газов при подаче горючего через форсунки при­ мерно пропорциональна шагу между форсунками, а при данном шаге—несколько зависит от масштаба двигателя.

При шаге между форсунками в 11—20 мм начальная толщина пристеночного слоя для азотнокислотных двигателей в 2—5 т с центробежными форсунками одинакового расхода равна пример­ но 15—30 мм. Уже при такой начальной толщине пристеночного слоя интенсивность излучения ядра газа значительно ослабляется в промежуточном и пристеночном слоях газа, и интенсивность лу­ чистого потока, попадающего на стенку камеры, снижается при­ мерно на 20—70% (в зависимости от коэффициента состава топли­ ва в пристеночном слое хст). При этом для двигателей различных тяг и давлений в камере сгорания возможно приближенно принять одинаковым уменьшение интенсивности излучения вследствие на­ личия у поверхности оболочки защитной завесы средней мощности

(при Хст//-я =0,34-0,6).

На этом основании радиационный удельный тепловой поток от

ест эф за 0,8 —эффективная степень черноты стальной оболочки камеры сгорания;

60н-0,70 —коэффициент, учитывающий уменьшение интен­

сивности излучения ядра газов вследствие нали­ чия завесы;

®2 — коэффициент, учитывающий снижение радиацион­ ного удельного теплового потока вследствие уменьшения поверхности излучаемого горячего ядра газов (ввиду наличия пристеночного холод­ ного слоя завесы) относительно поверхности камеры сгорания, который можно приближенно определить по формуле

камеры сгорания и / — шаг между центробежными форсунками.

Распределение радиационных удельных тепловых потоков по всей длине камеры сгорания двигателя при наличии газовой завесы с достаточной для практических целей точностью можно опреде­ лить по приведенному выше методу, вычислив предварительно qpK

при отсутствии в камере защитной завесы горючего.

Вносить в этот метод распределения в данном случае какие-

либо изменения, связанные с наличием промежуточного и присте­

ночного слоев газов вдоль камеры, не имеет смысла, так как опре­

деление состава газа и его параметров, необходимых для расчета <7р для газового потока с переменными по сечению параметрами га­ зов, в настоящее время возможно лишь весьма приближенно.

§ 8. Выбор формы и размеров охлаждающего тракта камеры двигателя

При расчете регенеративного охлаждения двигателя необходи­ мо выбрать соответствующую форму охлаждающего тракта и уста­ новить его размеры по длине камеры.

Охлаждающий тракт камеры двигателя следует выполнять так, чтобы:

1)он был конструктивно простым и эффективным;

2)охлаждающая жидкость при заданном ее секундном расходе снимала с оболочки определенное количество тепла;

3)перепад давления жидкости в охлаждающем тракте был ми­ нимальным для снижения гидравлического сопротивления в трак­

440 Гл. 9. Проектирование и расчет систем, охлаждения ЖРД

те, а следовательно, уменьшения мощности и веса системы топли­ воподачи двигателя.

В зависимости от наличия охлаждающей жидкости, необходи­

мой жесткости конструкции камеры и учета ранее изложенных соображений в настоящее время охлаждающие тракты ЖРД вы­ полняют щелевой, спиральной и спирально-щелевой формы (см.

фиг. 9.8). Охлаждающий тракт камеры также может быть выпол­ нен в виде продольных прямоугольных каналов, образованных реб­ рами огневой оболочки камеры или деформированными и спаян­ ными между собой трубками, представляющими непосредственно «трубчатую» оболочку камеры двигателя.

Гладкий щелевой (кольцевой) тракт является наиболее простым в изготовлении. Недостатками щелевого охлаждающего тракта ка­

меры двигателя являются:

1) малая жесткость камеры, что вызывает необходимость уси­

ливать внутреннюю оболочку, скрепляя ее с наружной оболочкой или применяя иногда на внешней поверхности оболочки продоль­ ные тонкие ребра жесткости толщиной около 1 мм с шагом в не­ сколько миллиметров;

2) необходимость применения при малом секундном расходе

охлаждающей жидкости весьма малого зазора кольцевой щели, чтобы создать необходимую скорость движения жидкости в тракте для надежного съема тепла с оболочки, что повышает перепад дав­ лений жидкости в тракте, вес системы топливоподачи и расход энергии на ее обслуживание; кроме того, технологически трудно выполнить одинаковый зазор щели высотой 0,8 мм при механиче­ ской обработке и менее 1,5 мм — при сварной конструкции камеры.

Эти замечания необходимо иметь в виду при выборе фор­

мы охлаждающего тракта и расчете охлаждения камеры дви­ гателя.

Конструктивная связь между оболочками камеры может быть весьма различной. Выполнить прочную связь внутренней и наруж­ ной оболочек камеры, необходимую при больших давлениях в ка­ мере сгорания (до 40—60 ата) и в охлаждающем тракте (до 60—80 ата), весьма трудно.

При устройстве щелевого тракта внутренняя и наружная обо­ лочки камеры несвязанной силовой схемы обычно фиксируются между собой продольными металлическими прутьями (или Рента­

ми), расположенными на некотором расстоянии друг от друга (по­ добно спирто-кислородному двигателю А-4).

Спиральный и спирально-кольцевой тракты применяют в том случае, когда необходимо увеличить теплосъем с оболочки

вжидкость увеличением охлаждающей поверхности оболочки. Этот тракт представляет собой выточенные винтовые квадратные кана­ лы на наружной поверхности огневой оболочки камеры. Такую форму тракта иногда применяют только в наиболее нагруженной

втепловом отношении критической части сопла, тогда как в осталь­