§ 11. Организация защитных завес |
455 |
Защиту оболочки горючим через периферийные форсунки голов ки принято называть газовой завесой, а через специальные пояса оболочки камеры — пленочной завесой (завесами).
При достаточной интенсивности защитных завес надежное ох лаждение камеры ЖРД компонентами топлива всегда возможно.
Однако применение защитных завес снижает удельную тягу двига теля.
К защитной завесе оболочки камеры двигателя предъявляются следующие требования (с точки зрения экономичности и надеж ности работы):
1)завеса должна плотно и равномерно прилегать к внутренней
поверхности оболочки камеры;
2)потери в удельной тяге двигателя, возникающие вследствие
применения защитных завес, должны быть минимальными; 3) завеса должна удовлетворять эксплуатационным условиям
работы двигателя, т. е. должна быть стабильной, не должна быть чувствительной к полетным нагрузкам (в том числе и боковым)
ик возмущениям газового потока;
4)завеса должна создаваться устройствами, достаточно прос
тыми в конструктивном отношении.
Газовая завеса, создаваемая периферийными форсунками го ловки камеры, удовлетворяет требованиям стабильности и нечув ствительности к полетным нагрузкам, если применяемые для этого форсунки не являются чрезмерно мелкими и склонными к закупор ке. К тому же этот способ весьма прост в конструктивном отноше
нии. Поэтому при небольшой длине камеры сгорания в двигателях малой и средней тяги целесообразно создавать газовую завесу со
стороны плоской головки через периферийные форсунки горючего.
При тяге двигателя в 1-—2 т расход горючего на образование газо
вой завесы через |
периферийные форсунки обычно не превышает |
1 % от расхода в |
камеру сгорания. |
В двигателях большой тяги и при небольшом расходе горюче го на создание завесы она оказывается мощной у головки и на не котором расстоянии от нее, где температура ядра газа относитель но небольшая, и малоэффективной в отдаленной от головки и наи
более теплонапряженной критической области сопла. Такая завеса на пути от головки к критическому сечению сопла размывается турбулизирующим потоком ядра газа и в значительной мере выго
рает.
Для того чтобы обеспечить наименьшее влияние газовой завесы на величину удельной тяги двигателя, необходимо подавать горю чее на образование завесы так, чтобы после его испарения образо вавшийся пристеночный слой газа имел минимальную толщину, был прижат к поверхности оболочки и как можно меньше размы вался турбулентно текущим ядром газа.
Подача горючего на завесу через форсунки головки, очевидно, не удовлетворяет этому требованию.
<$ 11. Организация защитных завес |
457 |
Для защиты оболочки в области критического сечения сопла це лесообразно вводить горючее на образование пленочной завесы в конце камеры сгорания — в начале сужающейся части сопла.
Если требуется уменьшить тепловые потоки от газов к оболочке не только в сопле, но и в камере сгорания, то в этом случае первый пояс пленочной завесы нужно создавать примерно в том сечении
камеры сгорания, где заканчивается испарение компонентов топли ва. Ес,ли позволяет конструкция камеры, подачу горючего на об
разование пленочной завесы лучше разделить на несколько отдель ных поясов. При этом длину эффективного действия каждой завесы устанавливают соответствующими расчетами. Интервалы между поясами отдельных завес могут быть увеличены за счет большей
толщины каждой завесы.
При проектировании и доводке системы защитных завес следу ет добиваться равномерной подачи горючего по всей окружности камеры сгорания и сопла, а также выполнения требований к за весе.
Поясные завесы в виде небольших отверстий в оболочке малоэф фективны вследствие трудности подачи горючего на образование завесы без фонтанирования его струй в ядро газового потока; воз можна также закупорка отверстий нагаром и осадками, особенно в азотнокислотных двигателях.
Завесы через пояса из пористого материала пока мало иссле дованы и, вероятно, рациональны только для двигателей большой тяги.
Расход горючего на образование защитных завес в существую щих двигателях достигает 1—20% от основного расхода в камеру сгорания. Можно предполагать, что в ряде существующих ЖРД-
расход жидкости на внутреннюю защиту оболочки неоправданно велик вследствие нерациональной подачи жидкости на внутреннюю поверхность оболочки и в несколько раз превышает расход ее, под считанный на основе энергетических возможностей жидкости
в этом случае.
При правильной организации защитные завесы могут быть до статочно экономичными и способными снизить удельные тепловые потоки от газов к оболочке камеры (до 70%), но все же они не сни мают требования к внешнему регенеративному охлаждению двига теля. За счет рациональной организации регенеративного охлаж дения и внутренних защитных завес горючего можно повысить Руд при стальных оболочках камеры и резко увеличить срок их службы.
Расчет защитных завес обычно сводится к определению потреб ного расхода жидкости для защиты данного участка оболочки ка
меры и дополнительного расхода горючего на образование защит ных завес.
Точный расчет потребного количества жидкости для образова ния защитных завес в литературе пока отсутствует. Объясняется это тем, что при наличии завесы пока еще невозможно точно опре
458 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД
делить располагаемые удельные тепловые потоки от газов к обо лочке камеры qi pa.cn и температуру пристеночного газового слоя.
При приближенных расчетах можно определять Gзав ПО ПЗрЯ" метрам, вычисленным при отсутствии защитной завесы.
Можно приближенно считать, что если защитная завеса созда на, то избыточный тепловой поток от газов к оболочке камеры, ко
торый нельзя снять охлаждающей жидкостью при чисто регенера
тивном охлаждении, равный |
|
QH36 = У SiQi расп - У |
Qi возм ккал!час |
или |
|
Qn36=:Qpacn Qbosm |
ккал/час, |
идет на нагрев и испарение этой завесы, а также на перегрев об
разовавшегося при этом пара до местной температуры продуктов сгорания топлива.
При этом условии потребное количество жидкости на образова
ние завесы определяется из уравнения теплового |
баланса: |
|
||
т. е. |
(Эизб~0зав [С (^Ип + *под) + ''Нсп + С/,(*г — ^кип)] |
ККаЛ/свК, |
|
|
|
|
|
|
|
|
G3aB =-------------------- ----------------------- |
кг)сек, |
(9,59) |
|
|
С (^кип ^ПОд) “Г ГИСП “Г Ср (/г |
^кип) |
|
|
где |
С и Ср — средние теплоемкости соответственно жидкости и |
|||
|
образующегося из нее газа |
в ккал!кг °C; |
|
|
/под |
и ^кип—температуры жидкости при подаче на образование |
|||
|
завесы и ее кипения при местном давлении в ка |
|||
|
мере в °C; |
камере, где образуется |
||
|
£г —местная температура газа в |
|||
|
завеса; |
|
|
|
гисп — теплота испарения жидкости при местном давлении газов в камере в ккал/кг.
Следует иметь в виду, что даже при равномерной подаче жидко
сти на образование пленочной завесы и |
одинаковой степени чистоты |
||||
огневой поверхности оболочки камеры |
длина |
жидкой пленки |
по |
||
образующей оболочке не является |
одинаковой и постоянной, |
что |
|||
объясняется неравномерностью рабочего процесса в |
объеме |
||||
камеры сгорания, неизбежными |
неравномерными местными |
на |
|||
гревами пленки, обусловленными характером |
работы головки ка |
||||
меры. Поэтому при защите оболочки |
камеры |
двигателя |
только |
||
пленками жидкости (при отсутствии регенеративного охлаждения) расстояние между щелями в огневой оболочке камеры нужно уста
навливать меньше длины, на которой жидкая пленка полностью испарится.
|
§ И. Организация защитных завес |
459 |
||
Кроме того, между средней длиной пленки /пл и расходом жид |
||||
кости на ее |
образование G3aB |
не существует |
пропорциональной |
|
зависимости |
(для данного увеличения /пл требуется более чем про |
|||
порциональное увеличение G3aB |
) вследствие того, что жидкость ча |
|||
стично уносится в поток продуктов сгорания топлива ввиду |
тур |
|||
булентности этих продуктов, наличия на поверхности пленки |
ин |
|||
тенсивных колебательных волн и разности в |
скоростях движения |
|||
жидкой пленки и продуктов сгорания топлива.
Эти факторы способствуют не только частичному срыву жидкой пленки с поверхности оболочки камеры, но и вызывают интенсив ное испарение ее.
В связи с этим фактический расход жидкости для образования
пленочной завесы оболочки камеры G3aB должен быть больше тео
ретического расхода |
GaaB, |
вычисленного по формуле (9. 59), т. е. |
||
|
<?зав = — кг’сек, |
(9.60) |
||
где езав — коэффициент, |
езав |
эффективность |
пленки |
|
учитывающий |
||||
жидкости; |
он определяется |
экспериментально, |
зависит |
|
от конструкции кольца завесы (характера ввода жидко сти для образования пленки), первоначальной толщины пленки, свойств жидкости, конструкции и характера ра боты распылительной головки, формы камеры сгорания, степени чистоты огневой поверхности оболочки и других факторов. Значение езав может колебаться в широких
пределах (от 0,80 до 0,95).
Для получения тонкой и надежной щелевой пленочной завесы жидкость следует подавать с определенной скоростью, так как ина че завеса будет усиленно размываться потоком газа, отрываться
от поверхности оболочки, интенсивно испаряться и окажется мало
эффективной.
Если выбрана скорость жидкости для образования щелевой пле ночной завесы аУпл, то необходимый зазор щели <5Щ определится из уравнения весового баланса
т. е. |
-^зав |
^^ААц^плТг’ |
|
|
g |
G3aB |
(9.61) |
||
|
чц |
, |
’ |
|
|
|
~arWnJI7r |
|
|
где |
б?г — диаметр оболочки камеры по образующей щели; |
|
||
|
Yr — удельный вес горючего при температуре подачи его на об |
|||
|
разование завесы. |
|
|
|
При наличии расхода горючего на образование защитных завес |
||||
оболочки камеры удельная тяга |
камеры и потеря ее при |
этом |
||
’ определятся по формулам: |
|
|
|
|
|
удзав |
|
Gs+G3aB |
(9.62) |
|
|
|
||