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

где

тт

Нетрудно видеть, что формула для пересчета удельных кон­ вективных потоков будет иметь вид

(10.9)

где

Величина 5 зависит от состава и температуры продуктов сго­ рания (что определяется типом применяемого топлива и коэф­ фициентом избытка окислителя) и температуры стенки.

стенку, достаточно велика и ее приходится учитывать. Как пока­ зали исследования, продукты сгорания обычных топлив Ж РД практически не содержат твердых, частичек и излучение их яв-

231

Последний член учитывает то обстоятельство, что полосы излуче­ ния и поглощения для углекислоты и для водяного пара частично совпадают и поэтому энергия, излученная углекислотой, частич-. но поглощается водяным паром и наоборот. В технических расче­ тах можно принимать Дег — 0. Степень черноты газа зависит в общем случае от произведения p tl и температуры

приводятся в виде графиков. Опыт показывает, что для СОг сте­ пень черноты действительно зависит от произведения p tl, а не от каждой величины в отдельности. Что касается водяного пара, то для него зависимость (10.14) не вполне справедлива; в этом слу­

тела. Для некоторых тел значение средней длины луча приведе­ но в табл. 10.2.

Расчет лучистых тепловых потоков в Ж РД ведется по форму­ ле (10.12), для чего необходимо знание трех величин ( Тг, ег и

(табл. 10.1). Степень черноты газа определяется формулой (10.13); значения величин, входящих в формулу (10.13), опреде­ ляются из графиков. Парциальные давления Рсо, и рн^о, необхо­ димые для нахождения еСОг и еНзо »определяются из термодина­ мического расчета.

Величина дпна последнем участке камеры сгорания и в на­ чальном сечении сопла определяется по параметрам продуктов сгорания в камере сгорания, полученным из термодинамического расчета-. На участке сопла лучистый тепловой поток определяет­

238

ся по параметрам газа в данном сечении сопла, причем изменение температуры вдоль сопла может быть определено по уравнению ролитропы, а изменение /?со[ и /?Нао можно с достаточной точно­ стью принять пропорциональным изменению общего давления продуктов сгорания. Следует иметь в виду, что часть лучистого потока из камеры сгорания падает на докритическую часть сопла. Поэтому на начальном участке сопла лучистый тепловой поток выше, чем рассчитанный по температуре газа в данном сечении. Принимают, что величина дл на начальном участке сопла до сече­ ния с диаметром D = 1,2 DKp остается постоянной и равной лучи­ стому потоку в конце камеры сгорания.

Изменение удельных тепловых потоков вдоль камеры сгора­ ния и сопла. Из вышеизложенного нетрудно видеть, что величина дк вдоль двигателя меняется из-за изменения температуры газа,

Фиг. 10.3. Распределение удельных теп­ ловых потоков

коэффициента теплоотдачи аг и температуры стенки '.Тстг. Для простоты рассуждений примем температуру стенки Т„ г со сторо-

•ны газа вдоль двигателя одинаковой; в действительности она не­ одинакова; изменение ее зависит от организации охлаждения дви­ гателя, причем обычно наибольшее значение достигается в обла­ сти критического сечения сопла. Сделанное допущение не влияет на характер распределения конвективного удельного теплбвого потока. Проследим, как меняется <*г вдоль двигателя. Измене­

ние его определяется главным образом изменением плотности то­ ка [см. формулу (10 .6)]; поэтому аг вдоль камеры сгорания меняется мало; вдоль сопла «г до критического сечения растет, (ввиду роста плотности тока), а затем падает. Температура газа

234

вдоль камеры сгорания вначале растет вследствие развития про­ цесса сгорания, а затем остается практически постоянной, так как теплоотвод в стенки мал по сравнению с полным теплосодержани­ ем газа. В итоге распределение Як по длине двигателя имее» вид, указанный на фиг. 10.3. На начальном участке камеры сго­ рания qK растет, так как увеличивается температура газа и затем до сопла остается почти неизменным. В сопле на докритическом участке .величина Як резко растет, а на закритическом участке уменьшается главным образом из-за соответствующего изменения <*г.

Рассмотрим изменение лучистого теплового потока вдолькамеры ЖРД. Величина Ял определяется в основном температу­ рой газа и степенью черноты газа ' вг . Температура газа на на­ чальном участке камеры сгорания растет, а в сопле падает. Сте­ пень черноты газа также уменьшается вдоль сопла вследствие падения давления газа.

В итоге распределение удельных лучистых тепловых потоковвдоль двигателя имеет вид, показанный на фиг. 10.3. На началь­ ном участке камеры сгорания Ял растет вследствие роста темпера­ туры газа, затем вдоль камеры сгорания и на начальном участке сопла (до сечения с диаметром D = 1,2 DKp) лучистый тепловой поток остается практически неизменным, а на остальном участке сопла Ял уменьшается в связи с уменьшением температуры и сте­

Яг= (1 5)-106 ккал мг яас

при этом на долю удельного конвективного теплового потока при­ ходится

Як= (0,6 -г- 0,75) ?г;

в критическом сечении сопла

qr = (5 - 15) • 106 ккал мг нас

причем

Як = (0,95 -г- 0,97) qT\

ввыходном сечении сопла

?Р = (0 ,5 - 3 ) . 10» ккал

м* нас

причем

Як=» (0,95 -3-0,98) Яг-

2 3 5

I

Удельные тепловые потоки могут оказаться и больше указан­ ных величин.

Доля <?л в величине дгзависит от абсолютных размеров дви­ гателя, так как ими определяется степень черноты газа. Если рас­ сматривать полное количество тепла, отдаваемое газом в стенки двигателя в единицу времени, то оказывается, что лучистый-поток составляет 10—25% от суммарного. Очевидно, что доля лучистого потока зависит от состава топлива, соотношения размеров камеры сгорания и сопла и абсолютных размеров двигателя.

Таким образом, основую роль в теплообмене между газом и стенкой в Ж РД играет конвективный теплообмен. Роль лучистого теплового потока относительно велика в камере сгорания. В закритической части сопла она мала и соизмерима с величиной точ­ ности определения суммарных тепловых потоков. Максимум пол­ ного удельного теплового потока приходится на область критиче­ ского сечения сопла, поэтому эта часть двигателя является наи­ более нагруженной в тепловом отношении.

Влияние различных факторов на тепловой поток от газа к стенке. С ростом температуры продуктов сгорания растут как конвективные, так и лучистые тепловые потоки. Так, при примене­ нии жидкого кислорода и керосина удельные тепловые потоки на 60—70% выше, чем при применении азотной кислоты и керосина.

Ф и г. 10.4. Зависимость удельного теплово­ го потока от коэффициента избытка окис­ лителя

Коэффициент избытка окислителя через температуру'газа и отчасти его состав также оказывает влияние на величину тепло­ вых потоков. На фиг. 10.4' показана примерная зависимость удельного теплового потока от коэффициента избытка окислителя; там же приведено изменение удельной тяги.

С увеличением давления в камере сгорания растут тепловые потоки. Рост конвективных тепловых потоков связан с увеличе­

236

нием коэффициента теплоотдачи из-за увеличения плотности газа. Из формулы (10.8) следует, что

Имея в виду, что лучистый тепловой поток составляет относи­ тельно меньшую долю в суммарном, при приближенных расчетах можно полагать

Если двигатель работает при пониженных значениях коэффи­ циента избытка окислителя а или имеет неравномерное распре­

деление компонентов по сечению с малыми значениями а в при­ стеночном слое, то влияние 7'стг на тепловые потоки сильнее (фиг. 10.5). Это обстоятельство может быть использовано, напри­ мер, при внешнем охлаждении двигателя для уменьшения количе­ ства тепла, отдаваемого в охлаждающую жидкость, путем повы­ шения температуры стенки (если этого допускает материал стенки).

237

§ 10.2. МЕТОДЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖРД

Основная задача охлаждения двигателя заключается в том, ■чтобы в процессе работы температура стенки была не выше неко­ торого допустимого предела, определяемого свойствами матери­ ала стенки и ресурсом двигателя. Отвод тепла от стенок камеры сгорания и сопла производится жидкостью, обычно окислителем и горючим, а чаще — одним из них. Такой метод охлаждения дви­ гателя называется внешним проточным охлаждением.

Фиг. 10.6. Схема внешнего проточного охлаж­ дения

Камеры с внешним проточным охлаждением (см. фиг. 10.6) снабжаются охлаждающей рубашкой. В зазоре между стенкой ка­ меры и рубашкой протекает один из компонентов топлива, кото­ рый Затем поступает через головку в камеру сгорания.

Для охлаждения может быть использована также и жид­ кость, ненужная непосредственно для процесса в камере, напри­ мер вода, которая обладает хорошими охлаждающими свойства­ ми. Так, вода применяется на самолетном Ж РД «Скример», ра­ ботающем на жидком кислороде и керосине. Из охлаждающей рубашки вода через отверстия в стенке поступает внутрь каме­ ры (фиг. 10.7).

Фиг. 10.7. Схема камеры Ж РД «Скример»:

7—вода для охлаждения; 2 —жидкий кислород; 3 — керосин; 4 -предкамера для зажигания; 5—канал винтовой формы

238

Если не применяется искусственное охлаждение двигателя, то температура стенок не остается постоянной, достигая к конеч­ ному моменту работы двигателя допустимого предела. Тепло, идущее от газа к стенке, в этом случае поглощается материалом стенок. Так как при этом используется аккумулирующая способ­ ность материала стенок, т. е. его тепловая емкость, то такой метод охлаждения двигателя называется емкостным. Длительность ра­ боты двигателя в этом случае зависит от размеров и назначения двигателя, температуры газов, допустимой темцературы стенок й аккумулирующей способности материала стенок.

В Ж РД применяется также внутреннее охлаждение. Под внутренним охлаждением понимаются различные методы пони­ жения удельных тепловых потоков от газа к стенке. Естественно, что понижение тепловых потоков во всех случаях облегчает ре­ шение задачи охлаждения двигателя. Внутреннее охлаждение обычно носит вспомогательный характер и используется в соче­ тании с другими внешним проточным охлаждением или емкост­ ным. Хотя принципиально с помощью внутреннего охлаждения можно довести тепловые потоки до нуля и таким образом обеспе­ чить поддержание температуры стенки на определенном уровне без применения каких-либо иных мер, однако это связано с боль­ шими потерями в удельной тяге двигателя.

Для повышения эффективности защиты стенок от воздейст­ вия высоких температур иногда испульзуют жаропрочные мате­ риалы, которыми покрывают внутренние поверхности стенок в на­ иболее напряженных частях двигателя.

§ 10,3. ВНУТРЕННЕЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Простейшим способом снижения тепловых потоков является понижение давления в камере или температуры продуктов сгора­ ния путем уменьшения коэффициента избытка окислителя или разбавления одного из компонентов инертным веществом, напри­ мер водой. Так, на двигателе ракеты V-2 горючее (этиловый спирт) разбавляли водой в количестве 25%; давление в камере сгорания на этом двигателе равнялось всего 15. ата. Такие методы понижения тепловых потоков являются нецелесообразными, по­ скольку они сопровождаются значительным ухудшением эконо­ мичности двигателя. Поэтому в настоящее время обычно исполь­ зуются специальные, более экономичные методы понижения теп­ ловых потоков.

Камера двигателя имеет относительно небольшую длину, а пульсационные скорости газа, являющиеся источником перемеши­ вания в камере, невелики. Поэтому, если в начале камеры сгора­ ния у головки или в другом сечении камеры имело место неравно­ мерное распределение компонентов и связанная с этим неравно­ мерность распределения температуры и состава газа, то это рас­ пределение в зависимости от масштаба неравномерности сохра­

239

няется на некоторой длине двигателя. Неравномерность в мас­ штабе диаметра камеры сохраняется практически на всей длине камеры (см. § 4.7). В этом случае конвективный теплообмен опре­

температуру газов в пристеночном слое. Снижение температуры газов пристеночного слоя может быть достигнуто обогащением этого слоя горючим, т. е. снижением коэффициента избытка окислителя в пристеночном слое. Таким образом, у стенки со­ здается слой газа с пониженной температурой — газовая заве­ са. Схема газовой завесы показана на фиг. 10.8.

Фиг. 10.8. Схема газовой завесы

/ —профиль температуры газа по сечению потока; 2 —распределение коэффициента избытка окислителя по сечению потока; 3—ядро потока газа; 4—присте­ ночный слой; б—нограннчныА слой; б—стенка

Уменьшить температуру газа пристеночного слоя можно так­ же путем подачи на внутреннюю поверхность стенки инертной жидкости, например воды. Вода, двигаясь вдоль стенок, посте­ пенно испаряется, создается паровой слой, изолирующий стенку от горячих газов.

Конструктивно внутреннее охлаждение в Ж РД осуществляет­ ся следующими способами:

—■с помощью головки;

— вводом жидкости через отверстия в стенке.

Организация внутреннего охлаждения через головку. Было указано, что неравномерность распределения <? по сечению каме­ ры у головки, в зависимости от масштаба этой неравномерности, сохраняется на той или иной длине двигателя. Это обстоятельст­ во используется для создания внутреннего охлаждения с помо­ щью головки.

240