§ 8. Выбор формы и размеров охлаждающего тракта камеры |
441 |
ных частях камеры сгорания более целесообразным оказывается относительно простой щелевой тракт.
Проходное сечение винтовых каналов выбирают в зависимости
от скорости движения в них жидкости; обычная высота канала 2—3 мм при толщине ребра около 1 мм.
Цельносварные камеры из листового материала даже при хо рошей оснастке (оправки, шаблоны и пр.) могут иметь отклонения в величине межрубашечного зазора порядка ±0,4 мм, соизмери мые с расчетной величиной этого зазора. Незначительные отклоне ния от расчетной величины зазора дает или резкое местное пониже ние скорости жидкости, приводящее к прогоранию оболочки, или не допустимо высокое сопротивление тракта и при смыкании стенок —
прогар оболочки. Все эти дефекты удается обнаружить обычно на почти готовом двигателе или даже при его огневых испытаниях. По этим причинам в двигателях между оболочками камеры допу скается щелевой зазор не менее 1,5 мм.
В некоторых случаях целесообразно применить спиральное те чение жидкости в тракте и тем самым получить зазор между обо лочками камеры 1,5—2,0 мм и более. Спиральный охлаждающий тракт имеет преимущество перед щелевым для двигателей с тягой
около 0,5—1,5 т.
Интенсификация регенеративного охлаждения должна сопро вождаться общим повышением точности выполнения охлаждающе го тракта, особенно в районе критического сечения сопла.
Существенным затруднением, связанным с регенеративным охлаждением при щелевом тракте, является достижение и точное
выдерживание в нем необходимой скорости охлаждающей жидко сти.
Спиральному охлаждающему тракту камеры двигателя прису щи следующие недостатки:
1)сложность выполнения винтовой нарезки на оболочке, осо бенно на конической части сопла, что увеличивает стоимость ка меры относительно камеры со щелевым трактом;
2)относительно большие гидравлические потери охлаждающей
жидкости в тракте при весьма незначительном снижении темпера туры внутренней оболочки за счет применения ребер, что вызывает
необходимость повышать давление охлаждающей жидкости на вхо де в тракт, а значит, и давление подачи.
После выбора формы охлаждающего тракта необходимо уста
новить его размеры, при которых охлаждение двигателя будет на дежным и экономичным. При этом необходимым предварительным
условием является обеспечение в районе критического сечения сопла необходимой скорости движения жидкости.
Если же для надежности регенеративного охлаждения двигате ля потребуется чрезмерно большая скорость движения охлаждаю щей жидкости в тракте, что связано со значительной потерей дав ления ее и применением более мощной и относительно тяжелой
442 |
Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД |
■системы топливоподачи, то в этом случае нужно использовать один из известных специальных способов защиты оболочки от перегрева.
В существующих двигателях перепад давлений охлаждающей
жидкости в тракте обычно достигает 5—20 кг/см2 и больше, а ско рость движения ее бывает1:
а) |
в |
камерах сгорания — около 2—6 м/сек\ |
м/сек и выше. |
|
б) |
в |
критическом сечении сопла — около 6—15 |
||
В частности, в охлаждающем тракте спирто-кислородного дви |
||||
гателя А-4 имеем следующую скорость |
движения |
охлаждающей |
||
жидкости: |
|
|
||
а) |
в |
области максимального диаметра камеры сгорания — |
||
-около 3 м/сек-, |
|
|
||
б) |
|
в области критического сечения сопла — около 12 м/сек-, |
||
в) |
в области выходного сечения сопла—около 4 м/сек. |
|||
В |
случае крайней необходимости |
скорость |
охлаждающей |
|
жидкости в тракте критического сечения сопла камеры можно по высить до 25—30 м/сек.
Скорость течения жидкости в охлаждающем тракте камеры дви гателя не должна быть больше, чем это требуется условиями сня тия с оболочки удельных тепловых потоков, так как в противном -случае без нужды будет увеличен перепад давлений жидкости в тракте. С этой целью зазор кольцевой щели охлаждающего трак та камеры выполняют меньшим в тех местах, где больше удельные тепловые потоки от газа к оболочке.
Перепад давлений жидкости в охлаждающем тракте камеры двигателя обычно составляет */з от давления в камере сгора ния рк, т. е.
Др » ГОХЛ 2
При расчетах охлаждения камеры ЖРД можно принимать дрохл<0,3рк-при охлаждении горючим и ДРохл•С0,2рк — при охлаждении окислителем.
Допущение этих значений Арохл не требует внесения в конструк цию камеры каких-либо принципиальных усложнений.
Анализ формулы (9. 57) для коэффициента теплоотдачи аж по казывает, что увеличение Аром еще на 30—40% приводит к увели чению коэффициента теплоотдачи аж только на 10—14%, так как этот коэффициент изменяется пропорционально скорости движения жидкости в степени и;0-8, а изменение значения Ap03UI пропорцио нально второй степени w, при этом условии существенно не изменя ются результаты расчетов. Поэтому максимальную скорость тече
ния охлаждающей жидкости в области критического сечения сопла камеры обычно не принимают выше 20—25 м/сек.
1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 23, РТ-68, 1958. А. В. Саттон. Ракетные двигатели. ИЛ, 1950,
§ 9. Определение подогрева охлаждающей жидкости |
445 |
2) средняя температура жидкости в тракте этого участка
|
tl В1С +^‘в'-'^ °C; |
|
|
(9.44) |
3) общий подогрев жидкости в тракте камеры |
|
|||
|
Д^к^Ч^вых-^ |
|
(9.45) |
|
4) |
температура жидкости на выходе из тракта камеры |
|||
|
^х^Ч + Ч/С, |
|
|
(9.46) |
где /вх —температура жидкости на входе |
в охлаждающий тракт |
|||
|
камеры. |
|
|
|
Для цилиндрического участка камеры |
сгорания |
предыдущая |
||
формула для подогрева жидкости в тракте принимает вид |
||||
|
A^ = ^Bb,x-ZBX= ^KSU<7- °С, |
|
(9.47) |
|
|
^охл^ср |
|
|
|
где dK |
и /кц—соответственно диаметр и |
длина |
цилиндрической |
|
|
части камеры сгорания в м\ |
при |
данном тем |
|
|
СсР— средняя теплоемкость жидкости |
|||
|
пературном интервале в охлаждающем тракте |
|||
|
камеры сгорания в ккал1кг°С. |
|
|
|
По данным расчета строят график изменения ?ж |
по длине ка |
|||
меры двигателя (фиг. 9. 14). |
|
|
|
|
Удельная теплоемкость некоторых жидкостей в зависимости от температуры приведена в § 2 гл. 5.
Для надежного регенеративного охлаждения двигателя необхо димо, чтобы охлаждающая жидкость отводила от оболочки камеры столько тепла, сколько последней передается от горячих газов,
и чтобы температура этой жидкости на выходе из тракта не пре вышала температуру ее кипения при данном давлении. Если это требование не выполняется, то для снятия с оболочки располага емого количества тепла
QPacn=V^ ккал1час |
(9.48) |
необходимо либо использовать оба компонента топлива |
(если вто |
рой компонент пригоден для этой цели), либо защитить оболочку от перегрева горючим со стороны головки камеры или через специ альные пояса, если не существует более удобных способов. При увеличении тяги двигателя и понижении давления в камере сгора ния Qpacn уменьшается.
Температуру подогрева охлаждающей жидкости в тракте мож но несколько снизить, заменив цилиндрическую форму камеры его-