•464 |
Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД |
Приближенный примерный расчет регенеративного охлаждения камеры ЖРД приведен в работе Г. Б. Синярева и М. В. Доброволь
ского. 1
§ 13. Определение температурных напряжений в оболочке камеры ЖРД
Температурные напряжения в огневой оболочке камеры двига теля в значительной мере зависят от ее конструкции и теплопровод ности материала.
Теплопроводность является одной из важных характеристик тепловых свойств металлов, их прочности и стойкости при высоких температурах. Поэтому при выборе материала для внутренней обо лочки камеры и расчете ее охлаждения нужно обращать особое
внимание на коэффициент теплопроводности этого материала и на зависимость его от температуры.
Для технических металлов при обычной |
температуре |
10-4- |
340 ккал/м час °C. Самым теплопроводным |
металлом |
является |
красная медь (А,=300-4-340), а затем в убывающем порядке идут:
алюминий (180-4-200), латунь (80-4-100), углеродистые стали
(40-4-80), бронза (30-4-40) и легированные стали (10-ч20).
При увеличении содержания углерода в стали А, уменьшается.
Присадки к стали для повышения ее жаростойкости и жаропроч
ности снижают X.
Коэффициент теплопроводности существенно зависит от состава
итемпературы металла. При повышении температуры X углероди стых сталей и меди понижается, а легированных сталей, алюминия
иего сплавов — повышается (см. фиг. 9. 16 и 9. 17).
Зависимость X от температуры различных металлов определяет ся экспериментально. В случае отсутствия точных эксперименталь ных данных коэффициент теплопроводности отожженных углеро дистых сталей в пределах температур от 0 до 500° С можно опре делить приближенно по следующей эмпирической формуле 2.
к — a-^b |
-\-с V2 ккал м час °C, |
(9.64) |
где а = 66-5,74-1О-2^; 6 = 29,4-8,5-IO"2/1-4-0,7-10~Ч\ |
||
с = 8,0—3,4 • 10~^ + 0,36 -10-4/2; |
коэффициент |
|
t— температура, при |
которой определяется |
|
теплопроводности;
2 = Si 4-Мп+ P + S —суммарное количество добавок к железу соответствующих элементов в весовых процентах.
Эта формула пригодна для определения X сталей, содержащих
добавки в |
количестве 2 = 0,1-4-2,0% (табл. 9.5); точность |
форму |
|
лы ±4%. |
|
|
|
1 Г. Б. |
С ин я рев |
и М. В. Добровольский. Жидкостные |
ракетные |
двигатели. Оборонгиз, 1957. |
|
||
’ «Теплоэнергетика», |
ВТИ СССР, 1955, № 9 |
|
|
|
$ |
13. |
Определение температурных напряжений в |
оболочке |
4 65 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
9.5 |
|
|
|
Значения X углеродистых сталей при 2=0,1 =2,0% |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
для интервала температур 0—500° С |
|
|
|
|
||||||||
\ 2% |
0,1 |
|
0,2 |
|
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
|
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
||
/°с\ |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент |
теплопровод ности |
X |
в ккал)м ч ас СС |
|
|
|||||||||
0 |
63,1 |
|
60,4 |
55,5 |
51,2 |
47,6 |
44,6 |
|
42,2 |
40,5 |
39,5 |
39,1 |
39,2 |
|||
50 |
60,6 |
58,3 |
54,0 |
50,3 |
47,0 |
44,3 |
|
42,1 |
40,3 |
39,0 |
38,4 |
38,1 |
||||
100 |
58,1 |
56,1 |
52,3 |
49,0 |
46,1 |
43,6 |
|
41,5 |
39,8 |
38,4 |
37,6 |
37,0 |
||||
200 |
52,9 |
|
51,5 |
48,7 |
46,2 |
43,9 |
41,8 |
|
39,9 |
38,2 |
36,8 |
35,4 |
34,4 |
|||
300 |
47,8 |
|
46,8 |
44,9 |
43,1 |
41,2 |
39,6 |
|
38,0 |
36,5 |
35,3 |
33,7 |
32,4 |
|||
400 |
42,3 |
|
41,7 |
40,4 |
39,1 |
37,8 |
36,6 |
|
35,4 |
34,2 |
32,9 |
31,8 |
30,6 |
|||
500 |
36,9 |
|
36,4 |
35,5 |
34,7 |
33,8 |
32,9 |
|
32,0 |
31,1 |
30,2 |
29,5 |
28,7 |
|||
Коэффициент теплопроводности хромоникелевых |
аустенитных |
|||||||||||||||
сталей в пределах температур от |
100 до 900° С можно определить |
|||||||||||||||
приближенно по формуле 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Х=13,3 — а-)-(1,1 +Ь) 10~2 ккал'мчас °C, |
|
(9.65) |
||||||||||||
где а=10(о—0,5); |
Ь— 1,15(о—0,5); |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
t—температура, при которой определяется коэффициент теп |
||||||||||||||||
|
лопроводности; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
С |
, |
Si |
, |
Мп |
Сг |
Ni |
, W , |
Nb |
, Mo . |
т. |
д. — |
|
||
|
о =-----1--------------------- ------- ------- Н------------- н и |
|
||||||||||||||
|
|
12 |
28 |
1 |
55 |
52 |
59 |
184 |
1 |
93 |
96 |
1 |
|
|
|
|
характеристика состава стали, представляющая суммарное количе ство граммов элементов, исключая железо, содержащихся в 100 г стали.
Здесь С, Si, Мп и т. д. — содержание элементов в стали (в весо вых процентах); в знаменателях формулы стоят атомные веса этих элементов.
Эта формула применима для определения X сталей, содержа
щих 0=0,54-0,8.
Низколегированные стали имеют 0=0,0484-0,99; хромистые не ржавеющие 0 = 0,2734-0,63; аустенитные хромоникелевые 0=0,5=
0,9.
В табл. 9. 6 приведены значения X хромоникелевых сталей, вы
численные по формуле (9. 65) (точность формулы для этих сталей составляет ±4%); для хромомарганцевых аустенитных сталей X
ниже табличных данных примерно на 10%.
1 «Теплоэнергетика», ВТИ СССР, 1955, № 9. 30 371
466 |
Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД |
Таблица 9. 6
Значения X хромоникелевых сталей для интервала температур 100—900° С
|
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
|
Коэффициент теплопроводности X в ккал[м час °C |
|
|
||||||
0,5 |
14,3 |
15,4 |
16,5 |
17,7 |
18,8 |
19,9 |
21,0 |
22,1 |
23,2 |
0,55 |
14,0 |
15,1 |
16,3 |
17,4 |
18,6 |
19,7 |
20,9 |
22,1 |
23,2 |
0,60 |
13,5 |
14,7 |
16,0 |
17,2 |
18,4 |
19,6 |
20,8 |
22,0 |
23,2 |
0,65 |
13,0 |
14,2 |
15,6 |
16,8 |
18,2 |
19,4 |
20,7 |
21,9 |
23,2 |
0,70 |
12,6 |
14,0 |
15,3 |
16,6 |
18,0 |
19,3 |
20,6 |
21,9 |
23,2 |
0,75 |
12,2 |
13,6 |
15,0 |
16,4 |
17,7 |
19,1 |
20,5 |
21,9 |
23,2 |
0,80 |
И,8 |
13,2 |
14,6 |
16,1 |
17,5 |
19,0 |
20,4 |
21,9 |
23,2 |
В табл. 9. 7 приведены приближенные значения теплопроводно |
|||||||||
сти X, теплоемкости С и |
коэффициента |
температуропроводности а |
|||||||
1—вольфрам. 2—молибден, 3—закись алюминия.
(см2/сек) некоторых температуростойких материалов, а на фиг. 9. 21
и 9. 22 даны предел прочности аь и соответственно коэффициент ли
нейного расширения а в зависимости от температуры.
468 |
Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД |
Чем больше X, тем меньше перепад температуры в оболочке ка меры, выражаемый формулой
U=t |
-t |
» |
*п.г |
‘'п.ж |
и тем в более благоприятных условиях работает оболочка с точки
зрения ее температурных напряжений.
Фиг. 9. 22. Зависимость коэффициента линейного расширения а от температуры.
/—<х-графит, 2—графит, 3—окись алюминия, 4— молибден, |
5—вольфрам, |
6—карбид кремния. |
|
Из приведенного здесь уравнения получаем отношение |
|
= — град мм, |
(9.66) |
Л5
которое называется температурным градиентом оболочки.
Здесь X представляет средний коэффициент теплопроводности металла, определяемый при средней температуре
_ ^П.Г + ^П.Ж OQ
сР__________ 2
Громадные тепловые потоки, возникающие в оболочке, приво дят к созданию по ее толщине больших температурных градиен
тов, которые в случае стальной оболочки достигают |
нескольких |
||
сот градусов (фиг. 9.23). |
|
|
|
В стальных |
камерах современных |
двигателей |
g/X^lOO-^- |
300 град/мм. Эти |
цифры показывают, что |
во время |
работы дви |
гателя в оболочке камеры возникают весьма большие термические