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

ющуго жидкость, так как растет удельный тепловой поток, и- при неизменном аж несколько увеличивается температура стенки Т „ ж со стороны жидкости (фиг. 10.23).

Положительное влияние на условия охлаждения двигателя может оказать применение жаростойких термоизоляционных по­

поверхность стенки покрыть таким материалом, то общее терми­ ческое сопротивление стенки повысится, что уменьшит удельный

сутствии термоизоляции, причем условия теплообмена со стороны газа и жидкости приняты одинаковыми.

О применении ребер. В некоторых конструкциях для улуч ния охлаждения двигателя стенки снабжаются ребрами. Улучше­

температура ребра по высоте не остается постоянной, а уменьшается вследствие.отвода тепла от

его граней (фиг. 10.25). Поэтому заметное улучшение условий охлаждения двигателя наблюдается лишь до определенной вы­ соты Лр ребра.

Чем больше коэффициент теплопроводности материала стен­ ки, тем ровнее профиль температуры по высоте ребра и, следова­ тельно, тем больше эффект применения ребер. По этой же причи­ не относительное улучшение охлаждения двигателя при примене­ нии ребер будет тем большим, чем меньше величина коэффициен­ та теплоотдачи аж.

Уменьшение толщины Sp ребра также способствует повыше­ нию его эффективности, так как при этом растет число ребер и,

261

стью с температурой Тж. Тепловой поток от стенки в охлаждаю­ щую жидкость в этом случае равен

Q = <*ЖР {Т „ Ж— Тж).

Пусть часть Fi поверхности рассматриваемой стенки покры­ та ребрами. Тогда тепловой поток от стенки в охлаждающую жидкость можно представить как сумму

Q ' = Q i + Q 2 .

где Q\ — тепловой поток от поверхности Fi=>F — F2 стенки, не занятой ребрами;

Q2 — тепловой поток от части F2стенки, покрытой ребрами. Примем, что в случае ребристой стенки величина Т „ ж та

же, что и для неоребренной стенки; тогда

Qi = «>kFi (TCt,k— Тжу,

Q 2 = * p F 2 ( T c.I>K — T x );

здесь ар > «ж — некоторый эффективный коэффициент теплоот­ дачи, учитывающий повышение теплоотдачи, на поверхности, имеющей ребра.

262

Очевидно, •/]р должно быть больше единицы; чем выше величина т)р, тем эффективнее применение ребер.

Для величины ар для плоского ребра при условии, что тем­ пература в каждом сечении по его толщине постоянна, получает­ ся выражение

(10.37)

Здесь th — гиперболический тангенс.

На фиг. 10.26 приведены результаты расчета по этой форму­ ле, показывающие зависимость >)р от высоты ребра и влияние на эту величину коэффициентов яж и Хст ; сплошные кривые на

м2 час град

§10.5. ЕМКОСТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

При емкостном охлаждении температура стенок двигателя с течением времени не остается постоянной,' поэтому время его работы ограничено. Когда температура стенки приближается к температуре плавления материала стенок или к более низкой, выше которой прочность материала стенок становится недоста­ точной, то дальнейшая работа двигателя становится опасной изза возможности прогорания или разрушения стенок. Чтобы замед­ лить процесс нагрева стенки до предельно допустимой температу­ ры (т. е. продлить время работы двигателя), увеличивают толщи­ ну стенок. Увеличение удельной теплоемкости материала стенок также способствует замедлению процесса нагрева. Емкостное ох­ лаждение применяется на двигателях кратковременного однора­ зового действия, поскольку увеличение времени его работы связа­ но с утолщением стенок и, следовательно, с утяжелением двигав теля. Этот способ широко используется в ракетных двигателях твердого топлива.

Двигатели с емкостным охлаждением обычно называются неохлаждаемыми, так как в них отсутствуют специальные конст­

ки,. при которой температура ее не превысит предельно допусти­ мого значения в конце работы двигателя. Точное решение такой

263

задачи весьма сложно. Поэтому сделаем ряд упрощающих пред­ посылок.

Будем считать стенки двигателя плоскими, что допустимо при малых значениях отношения толщины стенки к диаметру. Д а­ лее примем, что коэффициент теплоотдачи а,., а также физиче­ ские параметры стенки в процессе ее нагрева остаются неизмен-

. ными. Для уменьшения ошибки, вносимой этими допущениями,

264

Если Fo <С 0,3 и Bi > 0,1, то следует учитывать и более высо­

кие члены ряда, что осложняет вычисления. В данном случае бо-

&

лее удобно пользоваться графиком для — как функции крите-

&о

риев Bi и Fo, представленном на фиг. 10.28.

Используем полученные соотношения для определения необ­ ходимой толщины стенки.

Если критерий Bi > 0,1, то задача решается подбором; за­ давшись рядом значений толщины стенки 8 при заданном време-

265

ни работы двигателя, определяют соответствующие значения —

Л

с помощью формулы (10.39) и табл. 4, если Fo>0,3, «ли с помо-

щью графика фиг. 10.28, если Fo< 0,3 . Построив кривую— =Д8),

В этом случае необходимое значение толщины стенки получается

^*стТст I _ &0

Представляет интерес рассмотреть некоторые результаты расчета, проведенного на основе рассмотренной методики. В ка­ честве примера возьмем двигатель со стальными стенками при р к* = 20-ь 30 ата. Будем считать, что предельно допустимой тем­ пературой стенки со стороны газа является температура, близкая к температуре плавления и равная 1400°С. Поскольку стенка приобретает эту температуру в последний момент работы двига­ теля, такое допущение можно признать приемлемым. Результаты расчета для камеры сгорания в виде зависимости необходимой толщины стенки от времени работы двигателя для трех значений температур газа приведены на фиг. 10.29. В расчетах принима­ лись:

Случай Тт* = 3000° абс соответствует примерно работе двигате­ ля без газовой завесы; более низкие температуры газа относятся к работе двигателя с газовой завесой

Пользуясь данными фиг.. 10.29, сравйим веса неохлаждаемого двигателя и двигателя, имеющего внешнее охлаждение. При­ мем, что камера сгорания двигателей с внешним охлаждением имеет толщину стенок примерно 2 -ъ 2,5 мм\ такую же толщину имеет и охлаждающая рубашка. Исходя из этого, можно счи­ тать, что камера сгорания двигателя с емкостным охлаждением без газовой завесы легче камеры сгорания с внешним охлажде­ нием при времени работы меньше 10 сек. При наличии газовой завесы одинаковые веса получаются при т = 13 -ь28 сек.

На участке критического сечения Vocx. естественно, больше. На фиг. 10.30 приведена зависимость 8необх= /(т ) для участка кри-

267

тического сечения ( аг= 5000 ккал!м2час°С) . Видно, что при от­ сутствии газовой завесы необходимая толщина стенки имеет зна­

камеры, эту величину можно считать приемлемой. Приведенные

данные приближенного расчета позволяют заключить, что при емкостном охлаждении двигателя весьма полезным является при­ менение газовой завесы, поскольку последнее позволяет значи­ тельно понизить толщину стенок двигателя, а следовательно, и его вес. Интересно отметить, что в этом случае применение газо­ вой завесы не всегда связано с увеличением потерь в удельной тяге, так как одновременно уменьшается количество тепла, от­ данного в стенки. С ростом давления в камере сопоставимые ве­ са неохлаждаемых двигателей и двигателей с внешним охлажде­ нием получаются при меньшем времени работы. Существенного уменьшения толщины стенки, а следовательно, и повышения вре­ мени работы неохлаждаемого двигателя можно получить также, если покрыть внутреннюю поверхность стенки камеры термостой­ кими материалами, обладающими низкими значениями коэффи­ циента теплопроводности (керамика).

§ 10.6. ПОРЯДОК РАСЧЕТА ОХЛАЖДЕНИЯ

Известными являются размеры и формы камеры сгорания и сопла, дав­ ление в камере, тип топлива, материал и толщина внутренней стенки камеры. Требуется определить необходимую интенсивность внутреннего охлаждения, а также форму и размеры канала охлаждающей рубашки, обеспечивающие необходимый уровень .температур стенок.

J268

Будем считать, что охлаждение производится одним из компонентовтоплива, а внутреннее охлаждение обеспечивается головкой; примем, кроме то­ го, что коэффициент избытка окислителя в ядре потока ая известен. Можно принять следующий порядок расчета:

1. Разбивают двигатель на ряд участков (фиг. 10.31). Поскольку в об сти критического сечения сопла имеет место наиболее резкое изменение удель­ ных тепловых потоков, здесь участки следует брать более короткими.

Гстг °°бс

Фиг. 10.31. К расчету охлаждения ЖРД

2.Задаются примерным распределением температуры Тст,.; наибольшее

значение Уст г имеет место обычно в области критического сечения сопла; по­

двигателя, определяют методом пересчета по формуле (10.9) значение дк Для различных сечений сопла проектируемого двигателя*). Вдоль камеры сгорания до сечения 10 считают конвективные тепловые потоки постоянными и равны­ ми </,( вначале сопла. На участке у. головки (длиной порядка 100 мм), где происходят процессы смесеобразования и сгорания, можно считать, что тепло­ вые потоки монотонно уменьшатся до нуля.

Следует отметить, что для определения конвективных удельных тепловых

ние 9). Вначале лучистый тепловой поток определяют по' парциальным дав­ лениям />Hj0 и р Соа и температуре газа в камере сгорания, соответствующим

*) Если применяют завесу вводом жидкости через стенку, то следует учесть ее влияние на конвективный поток (см. § 10.3).

2 6 9