книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

в обычных пределах, то на малых режимах он будет недостаточ­ ным для надлежащего распиливания и смешения, что может при­ вести к ухудшению процесса сгорания и к нарушению устойчивой работы двигателя.

Если делать перепад давления А р$ на минимальном режиме относительно высоким, то на максимальном режиме при большом диапазоне регулирования тяги перепад на форсунках может ока­ заться очень большим, что приведет к значительному увеличению давления подачи и к утяжелению двигателя. Поэтому, когда не­ обходимая степень изменения тяги велика, в ряде случаев дви­ гатель делают многокамерным (число камер бывает равным 2, 3 и 4). В многокамерном двигателе возможны различные мето­ ды изменения тяги.

Одним из возможных методов изменения тяги у многокамер­ ных ракетных двигателей является выключение отдельных камер без регулирования каждой камеры. В этом случае при изменении

ЖРД. Например, тяга двигателя может изменяться не только вы­ ключением отдельных камер, но и регулированием каждой каме­ ры. Очевидно, что степень дросселирования каждой камеры будет меньше, чем в случае однокамерного ЖРД, при одном и том же диапазоне изменения тяги двигателя. Следовательно, в меньшей степени будет меняться давление в камере и перепад давления на форсунках.

Небольшие изменения перепада давления на форсунках при относительно большом диапазоне изменения тяги (а следователь­ но, и расхода топлива) можно обеспечить и на однокамерномЖРД. Это можно получить, например, выключением отдельных форсунок на малых режимах; тогда расход жидкости через каж­ дую форсунку будет меняться в меньшей степени.

Выключение отдельных форсунок может привести к ухудше­ нию процесса в камере сгорания из-за нарушения равномерности распределения топлива по сечению головки.

Относительно небольшого изменения перепада давления на

щадь сопла или коэффициент расхода. Поэтому при одном и том же изменении расхода перепад давления у регулируемых форсу­ нок меняется в меньшей степени, чем у нерегулируемых.

Нужно отметить, что многокамерным двигатель может быть выполнен не только из условия его регулирования. В некоторых случаях многокамерными выполняются и двигатели с неизменяе­ мой тягой. Для двигателей с большой величиной тяги применение многокамерной конструкции может облегчить экспериментальную доводку, поскольку доводка камеры малой тяги проще, чем каме­

2 21

ры большой тяги. В некоторых случаях применение нескольких малых камер вместо одной большой может привести к уменьше­ нию веса и длины двигателя и к более благоприятным условиям с точки зрения устойчивой работы.

Выше было отмечено, что в отдельных случаях представля­ ет интерес дроссельная характеристика по расходу топлива. Рас­ смотрим зависимость тяги от расхода для отдельной камеры сго­ рания. Из формулы (9.4) с учетом (7.5) и (9.3) получим

Ф н г. 9.9. Зависимость тяги и удельной тяги от расхода топлива:

2 -г- нерегулируемое сопло

в отличие от последней в данном случае на характеристику влияют импульс давления 8ИДи коэффициент потерь <рк в камере. Это исно, поскольку тяга двигателя при данном расходе зависит от удельной тяги, а на последнюю влияют Р„д и шк . В остальном вид зависимости Р от GSceк подобен зависимости Р отр,*, поскольку мы рассматриваем дроссельную характеристику одной камеры при FKp= const, когда в широком диапазоне имеет место прямая пропорциональность между Gs сек и р к*.

§ 9.4. ВЫСОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Высотной характеристикой ракетного двигателя называется зависимость тяги и удельной тяги от высоты полета при постоян­ ном значении давления в камере, а для ЖРД, кррме того, и неиз­

2 2 2

менном коэффициенте избытка окислителя (если топливо двух­ компонентное). Расход топлива при этом остается неизменным, поскольку давление в камере не меняется, а изменение наружно­ го давления не может оказать влияние на расход газа через соп­ ло, так как перепады в сопле всегда сверхкритические.

Расчетной высотой Нр называют высоту, на которой при данном давлении в камере р к* сопло работает на расчетном режи­

Поскольку р к* = const, то Р Пуст =; const, и изменение тяги от вы­ соты полета будет иметь вид, показанный на фиг. 9.10. Если рас­ четная высота сопла велика, т. е. расчетный режим работы сопла имеет место на больших высотах, то на малых высотах из-за сильного перерасширения газа может быть отрыв потока от стенок сопла. Это обстоятельство должно быть учтено при пост­ роении высотной характеристики.

Зависимость удельной тяги от высоты полета при безотрыв­ ном течении в сопле определяется формулой (9.6) и, как нетрудно

равных условиях приводит к увеличению тяги в пустоте, действи­ тельной тяги, а также и к уменьшению расчетной высоты сопла (так как рассматривается нерегулируемое сопло; FKp = const;

Fc =! const).

В отличие от тяги удельная тяга двигателя в пустоте, как это было показано выше, не зависит от давления в камере. Поэтому зависимость удельной тяги от высоты при разных/?к*ймеет вид, показанный на фиг. 9.11, из которой, в частности, видно, что чем выше давление в камере, тем меньше зависит удельная тяга от высоты полета.

223

Рассмотрим относительное протекание высотных характери­ стик ракетного двигателя при разных величинах выходного сече­

ния сопла или, что то же, при разных / с. Поскольку характер протекания тяги и удельной тяги по высоте одинаков, мы рас­ смотрим лишь удельную тягу. Пусть для камеры с соплом, гео­

метрическая характеристика которого равна / с1, высотная харак­ теристика имеет вид, показанный на фиг. 9.12 (кривая 1); для этого сопла расчетная высота Я р, = 0. Если увеличить_ выходное

расчетном режиме удельная тяга двигателя имеет наибольшую величину, то, следовательно, на высоте Яр1 удельная тягаЯуд1^> ~^>Руд.2, а на высоте Яр,, наоборот, Р уд „ > Р у д 1 . Поэтому зави­

симость удельной тяги от высоты для сопла, имеющего / C2> / C|i

показана там же кривой 3. Штрихпунктирная кривая показывает протекание характеристики д л я /с3на малых высотах без учета отрыва газа от стенок сопла.

Руд , кггещкг

25Ь

22S

200

Фиг. 9.12. Влияние степени расширения сопла на протекание высотной характеристики

Из фиг. 9.12 видно, что чем больше степень расширения соп­ ла / с , т. е. чем выше расчетная высота сопла, тем круче зависи­ мость удельной тяги от высоты. Из графика следует также необ­ ходимость подбора степени расширения сопла при определенной высоте полета. В случае полета на разных высотах необходимо, подбирать некоторое «компромиссное сопло», учитывая при этом также вопросы габаритов, веса и охлаждения. Наиболее жела-

224

тельно е.точки зрения удельной тяги регулируемое сопло, при ко­ тором на каждой высоте достигался бы расчетный режим; для случая р к* = const и 0 2сек=| const достаточно регулирование только выходного сечения сопла. Для такого «идеального» сопла высотная характеристика представляла бы огибающую высот­ ных характеристик двигателя, построенных при разных / с (пунк­ тирная кривая на фиг. 9.12).

IS- Т. М. Мелькумов, Н. И. Мелвк-Пашаев

Г Л А В А X

ТЕПЛООБМЕН В ЖРД

Как уже известно, продукты сгорания современных топлив имеют температуры, доходящие до 3000°С и выше. Распростра­ ненные конструкционные материалы плавятся при значительно меньших температурах (сталь — 1400-*- 1500°С; медь — 1083°С;

большие градиенты температур являются источником темпера­ турных напряжений деталей.

Действие высоких температур может сказаться также в эф­ фекте «выжигания» стенок. Окислительные элементы, имеющиеся в горячих продуктах сгорания (при относительно бедных смесях), образуют окисную пленку на стенке. Последняя, менее прочная, чем основной материал стенки, разрушается и сносится газами, движущимися с большой скоростью. Окисление и отщепление ма­ териала стенки может привести к аварии двигателя.

Создание надежно.работающего двигателя возможно лишь при успешном решении защиты стенок от воздействия высоких температур; при этом защиту стенок не следует понимать только как защиту от прогорания. Очевидно, для надежной работы дви­ гателя стенки его должны обладать определенной прочностью, по­ этому температура стенок не должна превосходить некоторой до­ пустимой величины, выше которой прочность материала стенок становится недостаточной.

Для зашиты стенок от воздействия высоких температур при­ меняются различные способы охлаждения.

§10.1. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ГАЗОМ

ИСТЕНКАМИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И СОПЛА

Передача тепла от горячих газов к стенкам камеры сгорания и сопла Ж РД происходит путем конвективного теплообмена и лу­ чеиспускания.

226

Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен в ЖРД

характеризуется турбулентным состоянием потока газа. В этом случае перенос тепла в основной части потока осуществляется за счет беспорядочного движения малых объемов газа, которые пе­ реносят энергию. Вблизи стенки, где находится тонкий ламинар­ ный подслой, передача тепла происходит за счет молекулярной теплопроводности. Конвективный теплообмен между газом и стенкой описывается уравнением Ньютона

В Ж РД температура Т * на начальном участке камеры сгора­ ния возрастает, вследствие сгорания топлива, достигая к сечению, где сгорание практически закончено, максимального значения. Нч дальнейшей длине камеры, включая сопло, температура 7Г* практически остается неизменной. Коэффициент теплоотдачи может быть определен из критериального уравнения теплообме­ на, уточняемого обычно по данным опыта.

Для случая течения газа в канале при полностью установив­ шемся турбулентном потоке, когда пограничный подслой достиг

X — коэффициент теплопроводности газа; [а — коэффициент динамической вязкости; D — диаметр канала.

Полного развития турбулентный поток достигает на длине ка­ нала L (отсчитанной от начала канала), равной примерно 40D. В Ж РД сопло является каналом переменного сечения, а камера сгорания имеет LJD 2 -ь- 3. Поэтому газовый поток в камере не может быть полностью установившимся. В результате ламинар­ ный подслой будет более тонким, его тепловое сопротивление — меньшим, а коэффициент теплоотдачи и удельный тепловой по­ ток — более высокими. Это обстоятельство можно учесть, если считать коэффициент А в формуле (10.2) переменным по длине

камеры двигателя, т. е. A =>А(Ц, где L — L/D.

Расчеты по обычным формулам конвективного теплообмена типа (10.2) даже с учетом переменности коэффициента Л дают, однако, значительно меньшие величины удельного конвективного теплового потока, чем это следует из опытов на ЖРД, причем рас­ хождение расчета с опытом возрастает с увеличением температур ры газа и уменьшением давления. Как показали исследования, основная причина этого лежит в наличии диссоциированных про­ дуктов сгорания.

Вследствие большого градиента температур в пристеночном слое газа (температура стенки Ж РД в 3—5 раз меньше темпера­ туры газа) в частицах газа, попадающих из области высоких тем­ ператур в область низких температур у стенки, происходит реком­ бинация ранее диссоциированных молекул несоответственно выде­ ляется химическая энергия. Поэтому частицы газа, попадающие к стенке из области высоких температур, переносят туда не толь­ ко тепло, определяемое суммой теплосодержания и кинетической энергии, но и тепло, выделяемое при охлаждении газа вследствие его рекомбинации, что повышает теплоотдачу в стенки.

Теплоемкость диссоциированного газа за счет его рекомбина­ ции выше теплоемкости, вычисленной в предположении постоян­ ного состава газа (т. е. отсутствия рекомбинации):

Здесь Ср — истинная теплоемкость диссоциированного газа с учетом тепла диссоциации (рекомбинации);

Ср' — теплоемкость того же газа, вычисленная в предпо­ ложении постоянного состава;

АНднсе— тепло диссоциации (рекомбинации).

На фиг. 10.1 показано изменение теплоемкости Ср диссоции- . рованных продуктов сгорания топлива: кислород—гептан. Там же показана теплоемкость, вычисленная в. предположении отсутствия рекомбинации.

228

На этом основании можно считать, что количество тепла, приносимое к стенке, эквивалентно величине

Ст *

р1 г >

где Т *— действительная температура газа, вычисленная с уче­ том диссоциации.

Если условно принять, что в процессе сгорания газы не дис­ социируют, то очевидно, что теплоемкость такого газа С .0будет

рассматривается одна и та же затрата тепла, то можно счи­ тать

Для определения конвективного теплового потока необходим мо знание коэффициента теплоотдачи от газа к стенке, температу­ ры газа и температуры стенки. Последняя величина зависит от метода и интенсивности охлаждения двигателя и при расчете обычно задается исходя из свойств материала и ресурса двигате­ ля и затем уточняется при окончательном расчете охлаждения двигателя.

Одним из распространенных методов определения ?к идг в Ж РД является метод пересчета. При этом предполагается, что' для некоторого исходного двигателя известно распределение удельных конвективных тепловых потоков вдоль камеры. Кроме того, известны его геометрические размеры, а также давление, температура и состав газов. Требуется определить распределе­ ние <7к для проектируемого двигателя, для которого известны гео­ метрические размеры, а также давление, температура и состав газов.

329

Для пересчета воспользуемся уравнением (10.2) в форме

Как следует из кинетической теории газов, критерий Рг для газов зависит только от их атомности: для одноатомных газов Рг =; 0,67, для двухатомных Рг = 0,72, для трехатомных Рг = 0,8. Учитывая, что средняя атомность продуктов сгорания различных топлив практически одинакова, величина Рг может быть принята постоянной. Тогда уравнение (10.5) с раскрытием значения Re примет вид

В последней формуле удобно сделать замену:

Обозначим величины, относящиеся к исходным данным, ин­ дексом «1», а к искомым— индексом «2». Разделив «г* на Ori и имея в виду, что в обоих случаях рассматриваются сходственные

сечения (Lx= L2; dx=; d2;/ , = / 2) , получим

230