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

430 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

ковая скорость истечения газов. Кроме того, это уравнение не учи­ тывает влияние на теплообмен особенностей организации рабочего

процесса в камере сгорания (конструкцию головки, тип и количест­ во форсунок, схему их расположения на головке и др.) и явления,

происходящие в пристеночном слое газов. Вблизи оболочки камеры (в пристеночном слое) происходит повышение температуры газа вследствие его торможения, интенсивная рекомбинация молекул га­ зов с преобразованием химической энергии в тепло и частичной от­

дачей его оболочке, диффундирование газов из области более вы­

двигателях температура газовой поверхности стальной оболочки в большинстве случаев имеет следующие значения:

Для медной оболочки соответственно 300—350; 450—550 и 150—200° С.

Температура газовой поверхности цилиндрической части каме­ ры сгорания считается постоянной и равной температуре на входе

в сужающуюся часть сопла. Распределение температуры tnr по длине камеры между характерными сечениями в первом приближе­ нии можно принять прямолинейным (фиг. 9. 11).

2. Вычисляем теплоемкость и вязкость продуктов сгорания топ­

Значения СРпг и т]п.г зависят от температуры продуктов сгора­ ния у газовой поверхности оболочки, но так как расчет проближен-

ный, то можно считать, что их значения по длине камеры постоян­

ны.

При пользовании табличными материалами нужно обращать внимание на размерность величин и в случае необходимости пере­ водить их в те размерности, которые приняты при применении той или иной формулы.

3. Длину сопла камеры двигателя делим на 10—15 участков (в зависимости от желаемой точности расчета) и для каждого из них вычисляем ак, как для равновеликой трубы, принимая диаметр

ее и заданную температуру средними для каждого участка ка­

меры.

4. Зная ак, определяем qK для каждого участка сопла. По ре­ зультатам расчета строим график изменения qK по длине камеры двигателя (см. фиг. 9.4).

Поскольку головка двигателя обычно создает неравномерное

распределение компонентов топлива по поперечному сечению каме­ ры сгорания, то более точно удельные тепловые потоки в ЖРД можно определить с учетом наличия слоя газов у поверхности обо­ лочки камеры, обогащенного горючим, температура которого ниже, чем в ядре потока.

При таких расчетах удельные тепловые потоки рекомендуется определять на различных образующих сопла двигателя по тем же формулам, что и для случая постоянного по сечению состава топли­ ва х, но величину соотношения компонентов топлива при этом при­ нимают равной хст. При этом предполагается, что состав присте­ ночного слоя, создаваемого головкой камеры, в значительной сте­ пени сохраняется на всем протяжении камеры, вплоть до выхода из сопла.

Конвективные удельные тепловые потоки от газов к оболочке с учетом наличия у стенки камеры обогащенного горючим слоя га­

зов могут быть определены по особой методике.

Приближенно можно считать, что в цилиндрической части ка­ меры сгорания qK постоянен и равен его значению на входе в су­ жающуюся часть сопла.

Параметры газа в ядре потока определяют соответственно соот­ ношениям компонентов топлива в ядре потока хя и в пристеночном слое Хст-

Соотношения компонентов топлива в пристеночном слое опре­ деляют по схеме расположения топливных форсунок на головке,

причем различно для разных образующих камеры.

Снижение величины х У стенки камеры приводит к уменьшению тепловых потоков и облегчает условия охлаждения двигателя. Од­ нако такое снижение х, как уже отмечено выше, уменьшает удель­ ную тягу. При решении вопроса об организации охлаждения ЖРД важно знать связь между снижением тепловых потоков и соответ­ ствующим снижением удельной тяги.

§ 7. Определение радиационных удельных тепловых потоков

от газа к оболочке камеры двигателя

Передача тепловой энергии от одного тела к другому радиацией

(излучением) совершается в виде электромагнитных волн длиной

■от 0,8 до 40 мк.

Твердые тела излучают и поглощают лучистую энергию всех длин волн, а газы — только в определенных интервалах длин волн, различных для разных газов. Такое излучение и лучепоглощение газов называется избирательным, или селективным.

Двухатомные газы обладают весьма малой лучеиспускательной и лучепоглощательной способностями и поэтому для тепловых лу­

чей они оказываются почти прозрачными. Эти газы имеют очень узкие полоски спектров излучения и лучепоглощения. Основную часть излучения продуктов сгорания в ЖРД составляет излучение, связанное с колебательным и вращательным движением молекул газов.

Наибольшей селективностью излучения и лучепоглощения обла­ дают газы Н2О, СО2, SO2, СО и ОН (эти газы перечислены в поряд­ ке снижения степени интенсивности их излучения).

Собственное излучение тела в сумме с отраженным на него из­ лучением других тел принято называть эффективным излучением тела.

Современные ЖРД работают на углеводородных горючих

и окислителях, содержащих в качестве основного элемента кисло­

род.

Вэтих двигателях излучение состоит из трех видов:

1)излучения газов высокой температуры;

2)излучения распыленных твердых частиц углерода, находя­

щихся в газах во взвешенном состоянии;

3)излучения теплового эффекта химической реакции горения топлива (хемилюминесцентное излучение).

ВЖРД лучистый теплообмен обусловлен в основном излуче­ нием водяного пара и частично углекислоты. Газ SO2 в продуктах сгорания топлива часто совсем отсутствует или иногда представ­

ляет собой весьма небольшой процент от всего количества газов.

Остальные газы, входящие в состав продуктов сгорания, принято считать для лучей прозрачными. Излучение частиц сажи и хемилю­

минесценция имеют весьма слабое влияние на лучистый теплооб­ мен в ЖРД и поэтому в расчетах обычно не учитываются. Твердые тела и жидкости в большинстве своем для тепловых лучей не про­ зрачны. Излучение и лучепоглощение в твердых непрозрачных те­ лах происходит только в поверхностном слое, а в газах — во всем

объеме. По длине камеры сгорания ЖРД лучистые тепловые пото­ ки возрастают, а по длине сопла — уменьшаются.

Лучистый теплообмен в каком-либо сечении камеры ЖРД су­ щественно зависит от:

1)состава, температуры и давления газов, определяющих эф­ фективность теплоизлучения;

2)геометрической формы и размеров данного участка камеры

двигателя, определяющих выбор характерного размера для вычис­

ления лучеиспускательной и лучепоглощательной способностей газа рассматриваемого объема;

3) соотношения компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания двигателя, определяющего характер протекания в камере рабочего процесса, поля температур и скоростей газов;

4) положения рассматриваемого участка камеры двигателя,

так как по ее длине изменяются факторы, влияющие на лучистый теплообмен.

Исходными данными для определения радиационных удельных тепловых потоков в камере двигателя являются:

1)форма и размеры камеры сгорания и сопла;

2)давление, температура и парциальные давления газов в ка­ мере сгорания;

3)род материала оболочки камеры и эффективная степень чер­ ноты ее газовой поверхности;

4)вспомогательные графики некоторых расчетных параметров.

Поскольку в газах различной объемной формы длина пути лу­

чей в различных направлениях не одинакова, то для определения лучистого удельного теплового потока необходимо заданную объ­ емную форму излучающих газов заменить эквивалентной ей по объему формой полусферы, в которой длина пути лучей до центра

плоского основания в любых направлениях будет одна и та же.

Радиус такой газовой полусферы и будет представлять собой неко­ торую среднюю эффективную длину пути луча I, характеризующую

излучающую и лучепоглощающую способности газов данной объ­ емной формы.

Для приближенного определения эффективной длины пути луча

где V — объем газа данной формы в м3;

S— поверхность оболочки этого объема газов в м2.

Втабл. 9. 3 приведены значения I газов, находящихся в канале

различной формы (при излучении на боковую поверхность).

Излучающая способность соответствующего газа является функцией температуры и эффективной толщины газового слоя (оптической плотности), представляющей произведение pd ата-м

или pd, где pi—парциальное давление i-ro газа в смеси, Pi=y Jg—

плотность газа в кгсек?/м* и I — эффективная длина пути луча в м,

1 А. М. Михеев. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.

28 371

434 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

Суммарное излучение газовой смеси не равно сумме излучений ее отдельных компонентов, взятых порознь. Так, степень черноты

смеси углекислого и водяного газов меньше суммы их собственных степеней черноты. Это явление связано с частичным взаимным по­ глощением излучения обоих газов в области длин волн, в которых полосы их спектров перекрывают друг друга.

Экспериментальное определение лучистых тепловых потоков в камерах ЖРД чрезвычайно затруднено из-за сложности рабочих процессов в камере сгорания и сопле.

Для определения излучения водяного и углекислого газов в ус­ ловиях работы ЖРД в настоящее время используют данные экстра­ поляции на большие давления и температуры, полученные в типо­ вых промышленных топках при давлении 1 ата и температурах до 2000° С ’. При этом обычно считают, что доля лучистого удель­ ного теплового потока от газов к оболочке камеры ЖРД невелика

(особенно в сопле камеры), и поэтому точность такой экстраполя­ ции практически достаточна, хотя в действительности возможны

случаи, когда этот вид теплообмена может играть существенную

роль в общем теплообмене камеры двигателя.

В связи с тем, что температура газовой поверхности стальной

или медной оболочки в камерах современных ЖРД обычно невы­ сока, излучением оболочки в слой газов можно пренебречь. На этом основании суммарный радиационный удельный тепловой поток от газов к оболочке камеры сгорания при отсутствии защитной заве­

1 А. М. Михеев. См. стр. 433.

2Н. В. Иноземцев и В. К. Кошкин. Процессы сгорания в двигате­ лях. Машгиз, 1949.

436Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД

Вкамерах ЖРД, работающих при высоких давлениях газов или высококалорийных топливах, а также имеющих жароупорную оболочку (например, в случае облицовки оболочки керамикой),

температура газовой поверхности оболочки может быть высокой, и поэтому радиационный удельный тепловой поток от газов в этом случае может играть существенную роль в общем теплообмене дви­ гателя.

Степень черноты СОг и Н2О с увеличением температуры умень­ шается. Поэтому излучение этих газов с повышением температуры

возрастает не по закону четвертой степени, а несколько медленнее. Опыты показывают, что излучение и лучепоглощение водя­

ного пара пропорционально Т3*, а углекислоты 7?’5. Однако в целях

от Н2О и СО2 к оболочке камеры сгорания двигателя в существую­ щей литературе 1 рекомендуются следующие формулы:

При этом суммарный радиационный удельный тепловой поток равен

1 А. В. Болгарский и В. К. Щ у к и и. Рабочие процессы в жидкостно­ ракетных двигателях. Оборонгиз, 1953.

Г. Б. Синярев и М. В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Обо,ронгиз, 1957.

При определении qp в характерных сечениях камеры необходимо учитывать не только изменение геометрических размеров газовой струи, но и изменения температуры, давления и состава газов по длине камеры, что практически связано с громоздкостью расче­ тов и не дает удовлетворительной точности.

Поэтому для всей длины камеры сгорания существующих ЖРД, за исключением ее начального участка длиной около 50—100 мм,

радиационный удельный тепловой поток целесообразнее принять

Фиг. 9. 12. Распределение радиационного удельного теплового потока по длине камеры двигателя.

постоянным и равным значению qPK, вычисленному по параметрам газов в конце камеры сгорания, а у головки камеры считать

^р?«0,25<7р.к.

При определении радиационных удельных тепловых потоков от газов к оболочке сопла камеры также можно считать:

1)в докритической части сопла до сечения с диаметром

Jr~l,2rfKp радиационный удельный тепловой поток постоянным и равным его значению в конце камеры сгорания qPK;

2)в критическом сечении сопла <7Р^О,5<7Р.к и

3)в закритической части сопла в сечении, где Gfr~l,5dKP,

<7р^О,15<7р.к а в сечении, где dr= 2,5rfKP,— около 0,04^р.к.

Излучение газов, находящихся в камере сгорания, практически

совсем не доходит до оболочки закритической части сопла.

Таким образом, легко рассчитать и построить график для быст­

рого определения qp по всей джше камеры при условии равномер­ ного распределения по ее поперечному сечению компонентов топ­ лива (фиг. 9. 12).

Лучистый теплообмен в ЖРД также существенно зависит от па­ раметров пристеночного слоя газов, образуемого из горючего или из относительно холодного газа, подаваемого со стороны головки

438 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД,

мере приходится делить на два слоя с резко выраженными со­ ставами газов и их параметрами — ядро потока и пристеночный

слой.

Если в двигателе применяют упомянутые выше защитные за­ весы, то в пристеночном относительно холодном слое газов погло­

пристеночного слоя газов при подаче горючего через форсунки при­ мерно пропорциональна шагу между форсунками, а при данном шаге—несколько зависит от масштаба двигателя.

При шаге между форсунками в 11—20 мм начальная толщина пристеночного слоя для азотнокислотных двигателей в 2—5 т с центробежными форсунками одинакового расхода равна пример­ но 15—30 мм. Уже при такой начальной толщине пристеночного слоя интенсивность излучения ядра газа значительно ослабляется в промежуточном и пристеночном слоях газа, и интенсивность лу­ чистого потока, попадающего на стенку камеры, снижается при­ мерно на 20—70% (в зависимости от коэффициента состава топли­ ва в пристеночном слое хст). При этом для двигателей различных тяг и давлений в камере сгорания возможно приближенно принять одинаковым уменьшение интенсивности излучения вследствие на­ личия у поверхности оболочки защитной завесы средней мощности

(при Хст//-я =0,34-0,6).

На этом основании радиационный удельный тепловой поток от

ест эф за 0,8 —эффективная степень черноты стальной оболочки камеры сгорания;

60н-0,70 —коэффициент, учитывающий уменьшение интен­

сивности излучения ядра газов вследствие нали­ чия завесы;

®2 — коэффициент, учитывающий снижение радиацион­ ного удельного теплового потока вследствие уменьшения поверхности излучаемого горячего ядра газов (ввиду наличия пристеночного холод­ ного слоя завесы) относительно поверхности камеры сгорания, который можно приближенно определить по формуле

камеры сгорания и / — шаг между центробежными форсунками.

Распределение радиационных удельных тепловых потоков по всей длине камеры сгорания двигателя при наличии газовой завесы с достаточной для практических целей точностью можно опреде­ лить по приведенному выше методу, вычислив предварительно qpK

при отсутствии в камере защитной завесы горючего.

Вносить в этот метод распределения в данном случае какие-

либо изменения, связанные с наличием промежуточного и присте­

ночного слоев газов вдоль камеры, не имеет смысла, так как опре­

деление состава газа и его параметров, необходимых для расчета <7р для газового потока с переменными по сечению параметрами га­ зов, в настоящее время возможно лишь весьма приближенно.

§ 8. Выбор формы и размеров охлаждающего тракта камеры двигателя

При расчете регенеративного охлаждения двигателя необходи­ мо выбрать соответствующую форму охлаждающего тракта и уста­ новить его размеры по длине камеры.

Охлаждающий тракт камеры двигателя следует выполнять так, чтобы:

1)он был конструктивно простым и эффективным;

2)охлаждающая жидкость при заданном ее секундном расходе снимала с оболочки определенное количество тепла;

3)перепад давления жидкости в охлаждающем тракте был ми­ нимальным для снижения гидравлического сопротивления в трак­