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

•здесь g3f=---- ------относительное количество газов, образующих

в удельной тяге будут иметь значения, приведенные в табл. 10.3. Сравнение данных табл. 10.3 с данными фиг. 10.4 показыва­ ет, что ценой незначительных потерь в удельной тяге можно су­

щественно понизить теплоотдачу от газа в стенки двигателя. Следует, однако, иметь в виду, что вычисления, результаты ко­ торых даны в табл. 10.3, проведены исходя из некоторого мини­ мально необходимого расхода топлива на газовую завесу. Зада­ ча проектирования головки — обеспечить это минимально

•необходимое количество.

Создание газовой завесы имеет и другое преимущество: стен­ ку в этом случае обтекает газ с малыми значениями коэффициен­ та избытка окислителя, в котором практически отсутствуют сво­ бодные окислительные элементы. Этот слой газа предохраняет стенку от Выжигания, что, несомненно, способствует увеличению ресурса двигателя.

При правильном проектировании головки можно добиться существенного понижения тепловых потоков при сравнительно небольших потерях в удельной тяге. Неправильно спроектиро­ ванная головка может быть причиной прогара стенок двигателя из-за горения топлива непосредственно на стенке, а также ввиду попадания окислителя на стенку.

Засорение форсунок горючего на периферии головки может привести к росту тепловых потоков вдоль соответствующей обра­ зующей камеры, а поэтому к местному повышению температуры стенки и, возможно, к прогару стенок.

Т а б л и ц а 10.3

Процент потерь в величине удельной тяги в зависимости от аст (для топлива типа азотная

Организация внутреннего охлаждения вводом жидкости через стенку. В данном случае в том или ином сечении двигателя через большое число специальных отверстий в стенке вводится жид­ кость (чаще горючее, иногда инертная жидкость, например вода), ■образующая тонкую пленку, которая изолирует стенку от воздей-

242

отвия горячих газов. Пленка жидкости движется по направлению

имеет температуру, близкую к температуре кипения жидкости Ts, поскольку почти все тепло, отдаваемое газами, воспринимается жидкостью. Лишь часть лучистого теплового потока (лучи с дли­

крыта пленкой жидкости.

Фиг. 10.9 Схема подачи жидкости на внутреннее охлаждение через стенку

Теплообмен, особенно конвективный, между жидкой пленкой и газами существенно отличается от такового между газом и твердой стенкой. Пары, отходящие от пленки, в известной мере изолируют пленку от горячих газов, что, естественно, понижает конвективный теплообмен между газом и жидкой пленкой. С другой стороны, если пленка образуется компонентом топлива, то пары, идущие от пленки, могут вступать в химическую реак­ цию, что повышает количество тепла, идущего на нагрев и испа­ рение пленки.

Значительное влияние на теплообмен и стабильность пленки оказывает состояние ее поверхности. Если толщина пленки пре­ восходит толщину ламинарного подслоя (подсчеты показывают, что последняя равна всего 10-3-ь10-4 мм), то поверхность плен­ ки находится в зоне турбулентного движения и под воздействием турбулентных пульсаций делается волнистой, что усиливает теп­ лообмен и способствует, отрыву частиц жидкости от пленки; это ведет к ускорению ее разрушения.

На скорость испарения жидкой пленки влияют физические параметры жидкости: теплота испарения, давление насыщенных паров и др.

При организации ввода жидкости через стенку важное значе­ ние приобретает вопрос обеспечения устойчивого движения плен­ ки жидкости, при котором пленка прилегала бы к стенкам. Ус­ тойчивость движения пленки тем выше,- чем она тоньше. На ус­ тойчивость ее движения значительно влияет конструкция ввода жидкости на стенку. Если ввод жидкости производится через ра­ диальные отверстия (фиг. 10.10,а), то для того, чтобы она не фон­ танировала внутрь камеры сгорания, а стекала бы вдоль стенки,

движение пленки, является по-

55о д в х л а ч д а ю щ е и

дача жидкости через тангенциальные отверстия (фиг. 10.11).

Благодаря вращательному движению под действием центробеж­ ных сил пленка устойчиво прилегает к стенке и движется по ней.

Вводить жидкость через стенку на внутреннее охлаждение нужно перед наиболее напряженными участками камеры, напри­ мер, перед областью критического сечения.

244

Степень понижения удельных тепловых потоков при рассмат­ риваемой организации внутреннего охлаждения зависит от расхо­ да и свойств жидкости, от конструкции и других факторов.

Ш фиг. 10.12 приведены опытные данные по влиянию на удельный тепловой поток подачи воды на стенку. Видно, что, на­ чиная с'некоторой величины G3 дальнейшее увеличение расхода не улучшает условий охлаждения, так как при этом уменьшается стабильность пленки и дополнительный расход фактически уно­ сится газами.

Фиг. 10.12. Влияние внутреннего охлаж­ дения на удельный тепловой поток:

окислитель — Оа; горючее — 75% С2Н5ОН;

охладитель — вода; . расход топлива

180 г/сек

■'Необходимый расход жидкости для снижения удельных теп­ ловых потоков на заданную величину зависит от конструкций

ввода жидкости на стенку, от свойств жидкости, от параметров газового потока. При прочих равных условиях один и тот же рас-

жен обеспечивать примерно одинаковую степень снижения удель­ ных тепловых потоков.

245

удельных тепловых потоков на 50% необходимый расход G3 во­ ды составляет

Нетрудно видеть, что с увеличением тяги двигателя умень­ шается относительный расход на внутреннее охлаждение g3, а следовательно, и влияние его на удельную тягу.

реннего охлаждения на величину удельной тяги, при вводе воды через стенку.

Разновидностью рассматриваемого вида организации внут­ реннего охлаждения является охлаждение через стенки из пори­ стых материалов. Пористые стенки

нержавеющей стали и др. Температу­ ра пористой стенки существенно зави­

246

(теплоты испарения, химической активности по отношению к потоку газа и др.), так и от параметров газового потока (темпе­ ратуры, давления, скорости, химического состава). Качественное влияние указанных свойств и параметров понятно. Как видно из фиг. 10.14, уменьшение расхода жидкости ниже критического при­ водит к резкому росту Тстг. Последнее указывает на то, что стенка со стороны газа уже не омывается сплошным слоем жид­ кости. В этом случае жидкость, проходя через стенку, частично или полностью испаряется. Такой режим охлаждения, хотя и связан с повышением температуры стенки, но является более вы­ годным, поскольку в этом случае уменьшается расход жидкости.

Опыты показывают, что испарение жидкости в пределах стенки приводит к неустойчивому процессу охлаждения и боль­ шим колебаниям температуры. Охлаждение будет наиболее рав­ номерным и экономичным, если испарение жидкости происходит на внешней поверхности стенки и через поры стенки проходит пар. В этом случае уменьшение теплового потока от газа к стен­ ке происходит за счет вдувания относительно холодного пара в пограничный слой газа. Попадающее на стенку тепло идет на нагрев паров, проходящих через стенку, и на нагрев и испарение жидкости на внешней поверхности стенки.

Охлаждение с помощью пористых стенок не нашло пока практического применения, хотя отдельные исследования показы­ вают, что этот метод является экономичным.

Одной из главных задач является получение материалов вы­ сокой прочности и с равномерной пористостью. Невыполнение по­ следнего условия приводит к неравномерному расходу охлажда­ ющей жидкости через поверхность стенки и к неравномерному полю температур стенки.

Особенности расчета теплообмена между газом и стенкой пр» наличии внутреннего охлаждения. При наличии газовой завесы, как отмечалось выше, конвективный теплообмен между газом и стенкой определяется температурой и составом пристеночного слоя продуктов сгорания. Следовательно, в соответствующие уравнения теплообмена следует подставлять значения этих ве­ личин, отнесенных к коэффициенту избытка окислителя аст. Если пользуются значениями функции 5 (фиг. 10.2), то эту величину также следует брать при аст.

Необходимо также учитывать уменьшение интенсивности лу­ чистого теплового потока. Лучистый тепловой поток определяется температурой наиболее нагретой части газового потока, т. е. яд­ ра. Поэтому при наличии газовой завесы лучистый тепловой по­ ток следует определять по параметрам газа в ядре потока Ял я и затем вносить поправку, учитывающую уменьшение его интен­ сивности

здесь а — поправка, зависящая от коэффициента избытка окис­

247

лителя пристеночного слоя аС1. и толщины его. Эта величина мо­ жет быть получена из опыта.

При ас1. 0,4 -и- 0,6 можно считать а — 0,4 -ч- 0,6.

Для расчета теплообмена при внутреннем охлаждении необ­ ходимо знать величину яст. В случае, если внутреннее охлажде­ ние создается головкой, то величина аст может быть оценена пу-. тем холодных пролпвок головки. Более сложно оценить величину аст при организации внутреннего охлаждения с помощью отвер­ стий в стенке.

Кроме того, в последнем случае значительное влияние оказы­ вает жидкая пленка, покрывающая часть стенки. Поэтому, когда внутреннее охлаждение создается вводом жидкости через стенку, обычно используют для расчета экспериментальные данные.

§ 10.4. ВНЕШНЕЕ ПРОТОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Внешнее проточное охлаждение двигателя называют также регенеративным, поскольку при этом практически все тепло, от­ данное в стенки, возвращается обратно в камеру сгорания. Так как в этом случае температура стенок поддерживается постоянной в процессе всего установившегося периода работы двигателя, то толщина стенок не лимитируется их нагревом, а определяется лишь прочностью двигателя. Более того, как будет видно из даль­ нейшего, уменьшение толщины стенок облегчает задачу охлажде­ ния двигателя. Внешнее проточное охлаждение двигателя чаще применяется в сочетании с внутренним.

При внешнем проточном охлаждении тепловой поток от газа к стенке райен тепловому потоку через стенку и тепловому пото­ ку от стенки к охлаждающей жидкости. Если пренебречь разни­ цей между величинами внутренней и внешней поверхностей стен­ ки, то в этом случае можно считать равными и удельные тепловые

*) Здесь а / — условный коэффициент теплоотдачи, учитывающий щ лучистый тепловой поток; см. (10.37').

2 4 8

Величину 1/а/ + о<Хст+ 1 а.к часто называют тепловым сопротивлением. Следовательно, тепловое сопротивление слагает­

(2 — 20)101 ккал м 2 час °С

Изменение температур при передаче тепла в Ж РД от газа через стенку в охлаждающую жидкость показано на фиг. 10.15. Там же указаны примерные значения температур.

Температура

Фиг. 10.15. Характер изменения темпера­ туры при передаче тепла через стенку от газа в охлаждающую жидкость

Вдвигателях обычных схем окислитель и горючее поступают

вкамеру сгорания в жидком виде. Поэтому необходимо, чтобы температура жидкости .на выходе из рубашки Дквых была ниже

•температуры кипения Ts.

Температура жидкости на выходе из рубашки определяется из условия

Сгж — секундный расход охлаждающей жидкости;,

Q— суммарное количество тепла, переданное от стенок

кохлаждающей жидкости (необходимый общий теплосъем, ккал/час).

249

Так как удельные тепловые потоки вдоль двигателя .перемен­ ны, то для определения Q обычно поверхность двигателя разбива­ ют по длине на ряд участков и суммируют тепло, переданное от каждого участка:

Q = SQ,= E ? cp,/v

Здесь qcpi и Z7,-— средний удельный тепловой поток и поверх­ ность стенки отдельного участка камеры.

Теплопередача от стенки к охлаждающей жидкости. При осу­ ществлении внешнего охлаждения двигателя необходимо обеспе­ чить такую величину коэффициента теплоотдачи аж , при которой температура стенки со стороны газа не превышала допустимых пределов. Нетрудно видеть, что для этого температура стенки со стороны жидкости 7’стж должна иметь вполне определенное зна­ чение:

В свою очередь обеспечение необходимой величины Тстж сво­ дится к получению вполне определенного значения аж; на основа­ нии уравнения (10.23) имеем

(10.28)

Т*п Тл ж

Если величина коэффициента теплоотдачи от стенки к охлаж­ дающей жидкости будет меньше необходимой, то это повлечет за собой рост Тстж, а следовательно, и Тстг.

Условия теплообмена между стенкой и охлаждающей жидкокостью в значительной степени зависят от температуры поверхно­ сти стенки, омываемой жидкостью. В Ж РД температура стенки Г„ ж чаще всего не превосходит температуру кипения охлаждаю­ щей жидкости и теплообмен между стенкой и жидкостью проис­ ходит без кипения. В этом случае теплообмен может быть описан следующим критериальным уравнением:

2 5 0