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

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

Руд —эффективная удельная тяга камеры двигателя при нуле­ вом расходе горючего на завесу;

Руд.зав — то же при расходе горючего на завесу.

Приведенный выше приближенный расчет регенеративного ох­ лаждения камеры двигателя при наличии жидкостных завес выпол­ няют в следующем порядке:

1) вычисляют располагаемые удельные тепловые потоки по

длине камеры двигателя при отсутствии защитной завесы qi рам;

2) определяют избыточный тепловой поток физб, который нель­ зя снять со всей оболочки или ее отдельных более теплонапряжен­ ных мест чисто регенеративным способом, и вычисляют потребное количество жидкости для образования завесы G^ на выбранном участке ее эффективного действия;

3) уточняют расчет регенеративного охлаждения камеры сгора­ ния и сопла двигателя с учетом завес.

§ 12. Порядок расчета охлаждения камеры ЖРД

Расчет охлаждения камеры ЖРД в основном сводится к опре­

трических размеров охлаждающего тракта и гидравлических по­ терь в нем.

Существуют проектный и проверочный методы расчета охлажде­ ния камеры двигателя.

Проектным расчетом определяют целесообразную конструктив­ ную форму и оптимальные размеры охлаждающего тракта по дли­ не камеры, обеспечивающие ее надежное охлаждение.

Проверочный расчет дает относительно меньшую точность ре­ зультатов, однако он менее трудоемкий, чем проектный.

Проверочным расчетом предварительно выбирают конструкцию и размеры проточного сечения охлаждающего тракта по длине ка­ меры, на основе которых определяют скорости течения жидкости в тракте и другие характеристики, позволяющие оценить надеж­ ность и экономичность камеры при данных условиях ее работы.

Исходными данными для расчета охлаждения камеры ЖРД

обычно являются:

1)конфигурации камеры сгорания и сопла с необходимыми раз­

мерами (чертеж камеры);

2)толщина внутренней оболочки по длине камеры и ее мате­ риал с необходимыми физическими характеристиками (коэффи­

температурного расширения и др.); 3) секундный расход газа в двигателе и его параметры по дли­

не камеры (давление, температура, удельный вес, скорость движе­

4)секундные расходы компонентов топлива и их физические

свойства (теплоемкость, теплопроводность, коэффициент вязкости, агрессивность к конструкционным материалам и др.);

5)конструкция распылительной головки камеры (чертеж го­ ловки) с характеристиками форсунок (тип, производительность, схема расположения на головке и др.).

Расчет охлаждения камеры ЖРД обычно выполняют, придер­

живаясь примерно следующего порядка.

1. Исходя из соображений прочности и установленного ресурса работы двига'теля, предварительно задаются желаемым распреде­

лением температуры газовой поверхности оболочки по длине каме­ ры. В последующих расчетах это распределение температур уточ­ няется.

2.Сопло камеры двигателя делят по длине на несколько (10—

15)участков, на каждом из которых удельный тепловой поток мо­ жет быть принят постоянным и равным среднему значению удель­

ных тепловых потоков на границах рассматриваемого участка ка­ меры. Вблизи критического сечения сопла, где удельный тепловой

поток изменяется наиболее резко, участки должны быть относи­ тельно меньшей длины; одно из сечений камеры обязательно должно проходить через критические сечения сопла.

3.Задаются рядом значений предполагаемого распределения давления газов по длине камеры и определяют соответствующие

им другие основные параметры (температуру, удельный вес, ско­ рость движения) по формулам § 6 гл. 3. По этим параметрам одно­ временно вычисляют соответствующие площади поперечных сече­ ний газового канала камеры. Найденные параметры и площади представляют в виде графиков как функции длины камеры.

4.Определяют конвективные, радиационные и суммарные

удельные тепловые потоки от газов к оболочке в выбранных участ­ ках камеры по соответствующим формулам.

По результатам этих расчетов строят графики изменения qK, qp

и7 по длине камеры двигателя.

По длине камеры сгорания q можно принять постоянным и рав­ ным его значению в начале сужающейся части сопла. При наличии соответствующих экспериментальных данных значений q может быть взято переменным по длине камеры.

На практике иногда применяют способ пересчета удельных теп­ ловых потоков, найденных экспериментальным путем в камере су­

ществующего двигателя, для проектируемой камеры двигателя.

462 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

Для такого пересчета желательно использовать экспериментальные данные такой камеры, которая работает на таком же топливе, что

и проектируемая, и имеет параметры газов в камере сгорания,

близкие к параметрам проектируемой камеры.

Этот пересчет может быть произведен достаточно строго

только для сопла камеры, где основную роль играет конвективный теплообмен между газами и оболочкой камеры двигателя.

5. Определяют последовательно площади газовых поверхностей оболочки каждого выделенного участка камеры Si и умножением их на соответствующие им ранее вычисленные средние значения удельных тепловых потоков находят те теплоты, которые должны быть восприняты охлаждающей жидкостью в каждом из выделен­ ных участков камеры, т. е. вычисляют &Qi=Siqi. После этого опре­ деляют подогрев жидкости в тракте каждого участка Л/» и на всей длине камеры Мж.

Температура охлаждающей жидкости на выходе из тракта каме­ ры не должна превышать температуру ее кипения или разложения (коксования) при местном давлении в тракте.

Это условие должно соблюдаться особенно при работе камеры на минимальном режиме, когда подогрев охлаждающей жидкости бывает больше, чем на других более высоких режимах работы.

Если исходя из условия общего подогрева охлаждающей жидко­ сти регенеративное охлаждение камеры двигателя оказалось до­

статочным, то следующим этапом расчета является определение температуры жидкостной поверхности оболочки по длине сопла

икамеры сгорания.

6.Задаются предварительно межоболочным зазором по длине

камеры и вычисляют в нескольких (5—7) наиболее характерных ее сечениях площади и скорости потока охлаждающей жидкости в этом зазоре (тракте).

Межоболочный зазор желательно выполнить одинаковым по всей длине камеры; однако в случае необходимости он может быть

переменным в отдельных участках камеры или по всей ее длине. 7. Определяют в выбранных характерных сечениях камеры тем­

пературу жидкостной поверхности оболочки. Значение этой темпе­ ратуры по всей длине камеры должно быть больше температуры охлаждающей жидкости. Желательно, чтобы около критического сечения сопла tnx была близка к температуре кипения или разло­

жения охлаждающей жидкости при данном давлении в тракте или даже немного выше этого предела (на 20—50° С), для того чтобы увеличить коэффициент теплоотдачи аж и тем уменьшить потреб­ ную скорость течения жидкости в тракте и, следовательно, снизить в нем потери давления.

Чтобы получить желаемые значения этой температуры по дли­

не камеры, обычно требуется произвести повторные расчеты. При

этом несколько изменяют и предварительно выбранные для расчета значения температуры tn r. Если вычисленная температура /пготли-

чается от ранее принятого для расчета значения более чем на 5%,

то расчет нужно повторить, задавшись новым промежуточным зна­ чением этой температуры (между первоначально выбранным и по­ лученным в результате расчета).

После этого необходимо обеспечить наиболее целесообразное по конструктивным и техническим соображениям изменение межобо­ лочного зазора по длине камеры. Затем можно повторно опреде­ лить скорости течения охлаждающей жидкости в тракте, коэффи­

циент теплоотдачи аж и окончательно уточнить значения /п ж и /п г. 8. Наконец, определяют потерю давления охлаждающей жид­ кости в отдельных участках тракта и по всей длине камеры, необхо­

димую для расчета системы топливоподачи двигателя, используя для этого соответствующие формулы (см. § 13 гл. 10):

О

d3K i 2g

где g — коэффициент потерь, вычисляемый по формулам:

^ода при Re==3.103_:_i05;

/Re

Е=0,0032 + О’о^ -ири Re = 105-^108.

Если тяга ЖРД регулируется, то расчет охлаждения его каме­ ры нужно выполнить для двух режимов работы — максимального и минимального. При максимальном режиме работы двигателя

тепловые потоки от газов к оболочке камеры оказываются больши­ ми, в результате чего температура газовой поверхности оболочки может превысить допустимый для нее предел. При переходе дви­ гателя на минимальный режим работы расход охлаждающей жид­ кости (расход топлива в камеру сгорания) уменьшится почти про­ порционально давлению газов в камере сгорания, а тепловые пото­

ки снизятся примерно пропорционально давлению газов в степе­ ни 0,8. Подогрев охлаждающей жидкости при работе двигателя на минимальном режиме получится больше, чем на максимальном,

что также может вызвать чрезмерный разогрев внутренней обо­ лочки камеры.

Если расчетом будет установлено, что температура газовой по­ верхности оболочки, подогрев жидкости в тракте или температура жидкостной поверхности оболочки камеры окажутся выше безопас­ но допустимых для них пределов, то при регенеративном охлажде­ нии можно защитить внутреннюю оболочку камеры от перегрева одной или несколькими завесами горючего. Это обычно связано с некоторыми конструктивными изменениями камеры двигателя относительно ее первоначального выбранного варианта.