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

§ 14. Выбор материала для внутренней оболочки камеры двигателя 473'

Несущая способность оболочки при нескрепленной схеме и су­

ществующих условиях работы ЖРД весьма мала и явно недоста­ точна для надежной работы камеры. Применение оболочек скреп­ ленной схемы позволяет создать работоспособную камеру двигателя со стальной внутренней оболочкой весьма малой толщины (поряд­

ка 1 мм} и тем самым обеспечить получение высокой Zn-1K при зна­ чительных тепловых потоках. Благодаря этому внешнее охлаждение камеры при скрепленной схеме оболочек позволило создать двига­ тели с более высокой Руд, чем при нескрепленной.

При относительно более высоких тепловых потоках требуется дальнейшее увеличение ta.T и уменьшение толщины внутренней обо­ лочки камерьТ, чтобы внешнее охлаждение было эффективным. Но

внутренней стальной оболочки камеры двигателя практически мо­

камеры возможно лишь при условии применения для ее внутренней

оболочки более теплопроводных материалов, чем сталь, при кото­

рых достигается малая разность температур tn.r—/п.ж, а следователь­

но, меньшее снижение прочностных свойств оболочки вследствие температурного перепада по ее толщине.

Поскольку теплопроводность меди и ее сплавов в несколько раз больше, чем любых марок сталей, то несущая способность медной оболочки камеры с увеличением тепловых потоков снижается зна­

чительно меньше, чем стальной оболочки. Именно по этой причине медная оболочка камеры при прочих равных условиях может быть выполнена относительно большей толщины и, следовательно, с большей несущей способностью при тепловых потоках даже свы­ ше 3 • 107 ккал/м2 час.

Применение стали для изготовления внутренней оболочки каме­ ры позволяет создать относительно дешевые, простые в производ­

стве и в эксплуатации ЖРД.

Многие марки сталей коррозионно устойчивы к окислителям на основе азотной кислоты. В этом отношении стальные камеры удов­ летворяют требованиям, предъявляемым к ЖРД снарядов массо­ вого использования. В то же время внешнее охлаждение при исполь­ зовании стальной оболочки не обеспечивает увеличение удельной тяги камеры.

Применение для оболочки внутренней защиты горючим позво­ лило создать камеры со стальными оболочками и большей Руд, чем при одном только внешнем охлаждении.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы: 1. Основными критериями при оценке механических свойств ма­ териала для внутренней оболочки камеры сгорания и сопла яв­

ляются предел прочности и теплопроводность материала при рабо­

чей температуре оболочки.

2.Прочность оболочки увеличивается до определенной ее тол­

щины, выше которой температурные напряжения вследствие боль­ шого перепада температуры по толщине оболочки сводят на нет запас прочности добавочной толщины оболочки.

3.Чем ниже теплопроводность материала при заданном тепло­ вом потоке и чем быстрее понижается предел прочности материала

сповышением температуры (чем ниже его жаропрочность), тем меньше предельная толщина оболочки (соответственно п. 2).

4. Если величина теплового потока меньше 5* 106 ккал/м2 час,

то медь менее выгодна для оболочки, чем другие материалы; она уступает стали в прочности, удельном весе и сопротивляемости кор­ розии.

материалами для оболочки, так как другие материалы неспособны

6. Пригодность материала для внутренней оболочки камеры сгорания и сопла двигателя и потребную толщину ее можно опре­ делить построением графиков для различных материалов при раз­ ных температурах жидкостной стенки и тепловых потоках в коор­ динатах прочность оболочки — толщина оболочки.

7.При выборе материала для оболочки необходимо также учи­ тывать его пластичность, вес, жаростойкость, технологические свой­ ства, стоимость и др.

8.Внутренняя оболочка во время работы двигателя подвергает­ ся значительным термическим и статическим нагрузкам, поэтому для нее необходимо выбирать материал, имеющий высокую стой­ кость. Стойкость материала оболочки зависит от его теплопровод­ ности и жаропрочности. Чем больше теплопроводность материала, тем в более благоприятных условиях работает оболочка.

Повышение жаропрочности материала позволяет уменьшить толщину оболочки и облегчить условия ее работы.

Глава 10

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ ЖРД

Следующим этапом разработки двигателя являются расчет

и проектирование системы подачи топлива в камеру сгорания. Подача требуемых расчетных секундных расходов компонентов

топлива из баков в камеру сгорания ЖРД под заданным постоян­

ным давлением является весьма важной и сложной задачей при

проектировании двигателя.

В настоящее время существует несколько различных типов

исхем систем топливоподачи ЖРД, обладающих рядом достоинств

инедостатков, в силу которых та или иная система подачи может оказаться наиболее пригодной при вполне определенных условиях ее использования.

Система топливоподачи имеет весьма больщое значение для нормальной и экономичной работы ЖРД. Однако работа разных

схем топливоподачи до сего времени мало исследована. Особенно мало изучены процессы, происходящие с рабочим газом в вытесни­

тельных системах топливоподачи с учетом его теплообмена со стен­

ками трубопроводов и бака, а также с жидкостью при неустой­ чивой ее поверхности во время полета снаряда, переменном харак­ тере омывания этой жидкости газом, частичном испарении и пере­ мешивании образующихся паров с газом, конденсации паров по­ следнего в баке и т. п.

Система топливоподачи ЖРД должна быть не только конструк­ тивно простой, компактной и эффективной в работе, но она дол­ жна иметь также малый удельный вес, т. е. вес, приходящийся на

1 кг используемого топлива.

На весовую характеристику каждой системы топливоподачи влияет много различных факторов, как то: давление подачи, тяга и продолжительность работы двигателя, его назначение и др.

Для рационального выбора системы топливоподачи необходимо дать сравнительную оценку существующим системам при задан­ ных конкретных условиях работы проектируемого двигателя. При

этом наиболее трудно установить вес предполагаемой, еще не су­ ществующей системы. Теоретическое решение этой задачи не всегда возможно, а имеющиеся данные статистики, на которые можно было

бы частично опираться, пока еще недостаточны. В настоящее время решение этой задачи возможно только приближенно.

В этой главе приведены краткие сведения о существующих си­ стемах топливоподачи ЖРД, их достоинствах и недостатках, изло­

стему топливоподачи.

§ 1. Основные типы систем топливоподачи ЖРД,

их достоинства, недостатки и области применения

Горючее и окислитель обычно подаются из баков в камеру сго­ рания ЖРД либо газом под давлением, либо при помощи насосов.

Совокупность элементов двигателя, обеспечивающих подачу

компонентов топлива из баков в камеру сгорания, принято назы­

вать системой топливоподачи.

Система топливоподачи ЖРД должна обеспечить возможность

заправки двигателя топливом, хранения его в заправленном виде,

запуск двигателя и последовательную подачу из баков в камеру сгорания компонентов топлива в требуемых весовом соотношении и количествах во время работы и слив из системы жидкостей в слу­

чае необходимости.

Система топливоподачи двигателя в общем случае состоит из следующих элементов:

1)баков для горючего, окислителя и вспомогательных веществ;

2)агрегата для создания давления подачи рабочих тел к месту

их использования; 3) трубопроводов и арматуры (топливозаборники баков, запра­

вочные и сливные пробки, отсечные, обратные и другие клапаны,

вентили, реле давления, редуктор давления, разрывные мембраны,

дроссельные шайбы и прочие элементы).

Элементы системы топливоподачи ЖРД конструктивно могут быть выполнены весьма различно и с разными схемами сочетания

их между собой; поэтому число существующих комбинаций систем топливоподачи в настоящее время оказывается большим.

Главным элементом системы топливоподачи двигателя, опреде­ ляющим все остальные ее элементы, является агрегат, создающий

необходимое давление подачи рабочих компонентов к местам их использования.

В зависимости от типа этого агрегата в настоящее время при­ меняют две основные и наиболее характерные системы топливопо­ дачи ЖРД: вытеснительную и нагнетательную.

Вытеснительная система топливоподачи ЖРД в своем составе

может иметь один из следующих агрегатов:

а) газовый аккумулятор давления (ГАД), представляющий собой резервуар, в котором находится запас сжатого газа (воздуха,

б) пороховой аккумулятор давления (ПАД), представляющий собой агрегат, вырабатывающий горячий газ определенного давле-

давления в виде продуктов сгорания компонентов топлива, необхо­ димый для вытеснения из баков в камеру сгорания двигателя горю­ чего и окислителя (фиг. 10. 3).