книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

390 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД

Из формулы объема цилиндрической камеры сгорания двига­ теля вида

следует, что количество форсунок п выбранной производительности Оф и шага между ними t при неизменных значениях dK и /Ео почти обратно пропорционально рк или при неизменных значениях pR и /к.с

не изменяется, то и длина пути перемешивания компонентов топ­ лива также остается почти постоянной. В этом случае при переходе на весьма большие тяги могут возникать чисто технологические трудности, связанные с необходимостью выполнить головку каме­ ры с несколькими тысячами форсунок.

Так как при повышении давления в камере сгорания соответ­

ственно увеличивается расходонапряженность последней, то при постоянстве шага между форсунками должна расти производи­ тельность каждой форсунки. В силу этого потребуется большая длина камеры сгорания двигателя для завершения в ней рабочего процесса. Но относительно длинные камеры сгорания неприемлемы вследствие возможности возникновения в них продольно-акустиче­ ских колебаний. Поэтому с целью уменьшения длины камеры сго­

рания целесообразны двухкомпонентные эмульсионные форсунки, при применении которых уменьшается потребная длина зоны пе­ ремешивания компонентов топлива в камере.

Конструктивное оформление подвода компонентов топлива к форсункам в значительной мере зависит от их типа и выбранной формы головки камеры двигателя.

Например, в ЖРД с предкамерной головкой типа двигателя

А-4 в центре каждой предкамеры или головки устанавливают мощ­

ную струйную форсунку с большим числом отверстий для подачи окислителя, а вокруг нее — форсунки горючего струйного и струй­ но-центробежного типов.

В азотнокислотных двигателях головка камеры может состоять из трех днищ, из которых два плоских образуют нижнюю полость для подвода к форсункам того компонента топлива, который охлаждает камеру, а третье — шарообразное днище со средним днищем головки этого двигателя — образует вторую полость го­ ловки, в которую из бака подается второй компонент топлива для распределения его по форсункам.

В головках камер с концентрическим расположением форсунок компоненты топлива подводятся в соответствующие коллекторы,

объединяющие отдельные пояса форсунок. При этом обеспечивает­ ся примерно одинаковый перепад давлений компонента в форсун­ ках одного концентрического пояса.

При необходимости размещения на головке камеры запального устройства, а также устройств для продувки камеры и т. п. необ­ ходимо по возможности ограничивать площадь, занимаемую эти­

лодную» зону, которая защищает головку от высоких тепловых по­ токов. При наличии на поверхности головки больших площадей,

не защищенных компонентами от воздействия высоких темпера­ тур, легко может прогореть головка в тех местах, где помещены упомянутые устройства, так как наружное охлаждение головки не­ эффективно вследствие малой скорости движения в ней жидкости.

По этой причине необходимо по возможности избегать установки на головке камеры каких-либо устройств, кроме форсунок.

После выбора способа размещения форсунок на головке каме­ ры, производят общую геометрическую компоновку головки и не­ обходимые поверочные расчеты.

Спроектированная и выполненная головка камеры должна обеспечить расчетный состав топлива даже и в том случае, когда

определения гидравлического сопротивления, выяснения характера столкновения струй, размеров образующихся капель, состава смеси и других характеристик распыла уг— То и Дрг=Др0, и поэтому уравнение (8. 35) для коэффициента весового состава смеси прини­ мает вид

Ро^7ф.о

(8.36)

щ/7ф.г

Величину замеренную при гидравлических испытаниях головки на воде, пересчитывают на рабочие компоненты топлива

умножением ее на выражение 1/ —7о-.

V bPrlr

После выбора конструктивной схемы двигателя, формы каме­ ры, ее головки, количества форсунок и схемы их расположения не­ обходимо произвести поверочные расчеты камеры сгорания для

определения коэффициента состава топлива по поперечному сече­ нию и средней удельной тяги двигателя.

$ 8. Размещение топливных форсунок на головке камеры двигателя ЗЭ?

ментов с механической обработкой, поскольку сварные конструк­

ции всегда легче и дешевле в изготовлении. Только в двигателях многоразовых запусков и относительно большого ресурса работы приходится применять некоторые разъемные соединения для удоб­ ства осмотра их деталей и элементов после определенного проме­ жутка работы и замены поврежденных деталей новыми перед по­ вторным запуском двигателя.

Глава 9

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖРД

Надежное охлаждение камеры является наиболее важным и трудно разрешимым вопросом при создании длительно работа­ ющих двигателей. Объясняется это тем, что в камере сгорания ЖРД в весьма короткое время обычно сгорает огромное количе­

2000—3000 м/сек — на срезе сопла). Образующееся при этом тепло в единице объема камеры сгорания достигает огромных величин

(до 106—109 ккал/м2 час}.

Соответствующие этим условиям работы двигателя огромные тепловые потоки от газа к оболочке камеры, достигающие иногда в критическом сечении сопла 28 • 106 ккал/м2 час, вызывают быст­ рый ее разогрев и потерю необходимой прочности, даже и в том случае, если она выполнена из самого жаростойкого материала.

Съем с оболочки камеры столь мощных местных удельных теп­ ловых потоков практически представляет огромные трудности. Эти трудности в дальнейшем будут возрастать вследствие непрерывно­ го стремления конструкторов ЖРД повысить удельную тягу дви­ гателя за счет увеличения давления газа в камере сгорания, при­ менения высококалорийных топлив и проведения ряда других меро­ приятий.

Сложность решения задачи охлаждения ЖРД при его проекти­

ровании и доводке усугубляется еще и тем, что процессы тепло-

•обмена в камере зависят от большого числа факторов, количе­ ственный учет влияния которых на теплообмен пока затрудните-

.лен. Теплообмен в ЖРД еще мало изучен.

Так как пока невозможно теоретически полно установить физи­

ческие свойства газов по длине камеры сгорания и сопла двигате­ ля, учесть в них работу трения и другие явления, то и невозможно точно рассчитать охлаждение камеры двигателя. По этой же при­ чине еще нет установившейся методики расчета охлаждения ка­ мер ЖРД.

Существующие методы расчета охлаждения ЖРД, основанные 1на гидродинамической и газодинамической теориях, пока не дают

удовлетворительных результатов и поэтому для практических рас­ четов мало пригодны. К тому же расчеты охлаждения по этим ме­

ЖРД в настоящее время приходится производить приближенно,

пользуясь в основном экспериментальными формулами теории теп­ лопередачи, созданной-применительно к условиям работы промыш­ ленных тепловых установок.

При расчете охлаждения камеры ЖРД наибольшие трудности встречаются при определении коэффициента теплоотдачи от газа

коболочке камеры, вполне обоснованный метод расчета которого

внастоящее время еще не найден.

Дальнейшие пути развития и повышения экономичности рабо­ ты ЖРД (удельной тяги) настоятельно требуют создания точного метода расчета охлаждения камеры сгорания и сопла двигателя.

Эта весьма актуальная задача может быть решена только в ре­ зультате дальнейших глубоких теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена в камерах двигателей с уче­ том особенностей сгорания в них различных топлив при разных условиях, конструктивных особенностей камеры сгорания и сопла, а также характера течения в них газа.

Охлаждение внутренней оболочки камеры двигателя должно обеспечить отвод от нее тепла и не допускать разогрева ее до тем­ пературы, при которой значительно снижаются прочностные свой­ ства материала.

От того, насколько удачно решена проблема охлаждения каме­ ры сгорания и сопла, зависит надежность и продолжительность

работы двигателя.

§ 1. Способы защиты камер ЖРД от перегрева,

их достоинства и недостатки

Одной из основных проблем реактивной техники является со­ здание ЖРД с высокой удельной тягой и значительным сроком службы.

По данным иностранной печати в современных ЖРД удельная

кг тяги

тяга достигает 215—240 ------------------ , тогда как энергетическая

кг топлива^сек

возможность существующих и перспективных топлив позволяет по-

Причина столь большого разрыва между достигнутыми и воз­

можными значениями Рул состоит в исключительной сложности

организации защиты внутренней оболочки камеры двигателя от воздействия на нее продуктов сгорания высокой температуры.

396 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

Основная сложность этого вопроса состоит в том, что тепловой поток от горячих газов к оболочке камеры пропорционален разно­ сти температур между газом и поверхностью оболочки, и поэтому

любое повышение температуры газов вызывает увеличение тепло­

вых потоков, а следовательно, повышение температуры газовой

поверхности оболочки камеры.

Применяемые в настоящее время способы защиты оболочки ка­ меры от перегрева и прогара в ряде случаев малоэффективны или при удовлетворительной эффективности ухудшают рабочий про­

цесс в камере и, следовательно, снижают Руд.

Основным и наиболее экономичным способом защиты оболочки

камеры двигателя от перегрева горячим газом является охлажде­ ние ее снаружи одним или обоими компонентами топлива.

Такой способ охлаждения двигателя называется регенератив­ ным, так как в этом случае тепло, переданное от оболочки камеры

к охлаждающей жидкости, почти полностью возвращается в каме­

ру сгорания. Обычно для охлаждения камеры двигателя исполь­ зуется тот компонент топлива, который обладает небольшими кор­ розийными свойствами и имеет более высокие значения теплоемко­

сти, теплопроводности и температуры кипения. Наиболее мощным охлаждающим агентом часто является окислитель, так как его се­ кундный расход в двигателе почти в 2—4 раза больше расхода го­ рючего.

Если для чисто регенеративного охлаждения камеры двигателя одного компонента недостаточно, то могут быть использованы оба

компонента топлива (при условии пригодности для охлаждения второго компонента). Так как смешение их вне камеры сгорания недопустимо, то один из компонентов топлива может быть исполь­ зован для охлаждения сопла, а другой — камеры сгорания. Однако

использование для охлаждения двигателя обоих компонентов топ­ лива практически затруднено в конструктивном отношении.

Применение сжиженных компонентов топлива для охлаждения

своим высоким значениям теплоемкости, теплопроводности, темпе­

ратуропроводности и малой вязкости, но для ЖРД летательных аппаратов применение ее нецелесообразно, так как для охлаждения камеры двигателя необходим большой запас воды на снаряде, что утяжеляет последний. Вода часто используется в качестве охлаж­ дающей жидкости камеры сгорания в экспериментальных стацио­ нарных установках.

Регенеративное охлаждение камеры ЖРД в определенных пре­ делах можно интенсифицировать увеличением скорости движения

жидкости в охлаждающем тракте за счет уменьшения проточной площади последнего. При увеличении скорости утоняется ламинар­

ный слой жидкости у поверхности оболочки и в результате этого снижается термическое сопротивление между оболочкой и охлаж­

дающей жидкостью. Однако в случае необходимости снятия с обо­ лочки больших количеств тепла такая интенсификация регенера­ тивного охлаждения может оказаться практически невыгодной, так как при значительном увеличении скорости движения жидкости

неизбежно возрастает гидравлическое сопротивление в тракте, для преодоления которого требуется значительно повысить давление

подачи охлаждающей жидкости и, следовательно, увеличить вес и мощность системы топливоподачи двигателя. Кроме того, выпол­ нение охлаждающего тракта с весьма малым проточным сечением сопряжено с трудностями технологического характера.

Практически возможно уменьшить теплоотдачу от газов к обо­ лочке камеры искусственным увеличением термического сопротив­ ления газовой поверхности оболочки — введением в пограничный слой газов относительно холодного тела (жидкости, газа).

При увеличении давления газов в камере сгорания или в случае

применения высококалорийных топлив для увеличения удельной тяги рабочий процесс в двигателе интенсифицируется, в результа­ те чего тепловые потоки от газов к внутренней оболочке камеры возрастают и могут достигать таких больших величин, при которых снять с оболочки потребное количество тепла чисто регенератив­ ным охлаждением становится невыгодным или невозможным.

К тому же иногда компоненты топлива в силу своих физических

и химических свойств оказываются мало пригодными для регене­ ративного охлаждения двигателя (например жидкий кислород).

В этих случаях, а также при необходимости облегчить условия регенеративного охлаждения двигателя дополнительно к послед­ нему обычно применяют защиту оболочки камеры от перегрева

путем:

1) создания около огневой поверхности оболочки камеры паро­ газовой или жидкостной завесы из горючего, непрерывно подава­ емого в небольшом количестве в пристеночный слой камеры либо

через форсунки, установленные по периферии головки камеры, либо через специальные щели или отверстия в специальных поясах обо­

лочки камеры (фиг. 9. 1);

2)изоляции внутренней поверхности оболочки камеры Ът тепла газов специальным покрытием (керамика, графит, карбид воль­

фрама, кремний, окислы металлов);

3)искусственного ухудшения рабочего процесса в камере сго­ рания (при работе на заданном топливе) чрезмерным увеличением коэффициента избытка одного из компонентов топлива или прибав­ лением к нему воды для снижения температуры сгорания.

Защита оболочки камеры от перегрева в виде завес горючего весьма мощная. Эффективность ее зависит от рода и расхода

жидкости на образование завес и от способа и места образования последних.

в основном не сгорает и в общем для двигателя является потерян­

ной энергией топлива.