11. Охлаждение жрд. Процессы теплообмена и защиты стенок камеры сгорания. Особенности теплообмена. Способы охлаждения. Расчет охлаждения.

Из-за высокой тепловой напряженности в камере двигателя возникают огромные тепловые потоки от газов к стенке камеры, которые могут привести к перегреву стенки и к разрушению камеры. Для исключения прогорания стенки камеры её необходимо охлаждать. Основная задача охлаждения заключается в том, чтобы температура стенки не превышала некоторого допустимого предела. Охлаждение стенки осуществляется за счет отвода тепла от стенки камеры охлаждающей жидкостью, протекающей по охлаждающему тракту (наружное проточное охлаждение), и путем снижения тепловых потоков от газов к стенке камеры (внутреннее охлаждение).

Наружное проточное охлаждение. При наружном проточном охлаждении отвод тепла от стенок камеры сгорания и сопла производится охладителем (компонент топлива), который после прохождения охлаждающего тракта поступает через головку внутрь камеры сгорания. При этом теплота, отобранная охладителем от стенки, идёт на предварительный нагрев компонента топлива и вместе с ним возвращается в камеру сгорания, т.е. регенерируется. Поэтому наружное проточное охлаждение называют также регенеративным. Простейшая схема регенеративного охлаждения: один из компонентов топлива до впрыска его в камеру сгорания омывает снаружи стенку камеры. Для этого стенка выполняется двойной. В зазоре между внутренней стенкой и наружной стенкой обычно по специальному каналу течет охлаждающая жидкость. Проходя по охлаждающему тракту, жидкость отбирает тепло от стенки. Нагретая жидкость выходит из рубашки в коллектор и через головку поступает в камеру сгорания. Наиболее простым в изготовлении является охлаждающий тракт в виде гладкого щелевого (кольцевого) канала. Основной его недостаток в том, что камеры двигателя с таким трактом имеют малую жесткость. Для увеличения жесткости вдоль канала иногда предусматривают ребра. Охлаждающий тракт можно изготовить из трубок, плотно прилегающих друг к другу и спаянных между собой. Внутри трубок проходит охлаждающая жидкость.

Внутреннее охлаждение. Охлаждение, при котором охладитель вводится внутрь камеры и создает вдоль стенки слой пониженной температуры, называют внутренним или плёночным. При таком методе охлаждения задача состоит в том, чтобы снизить тепловые потоки, идущие к стенке камеры двигателя. Плёночное охлаждение конструктивно обеспечивается двумя способами: специальным расположением форсунок на головке камеры или подачей горючего на внутреннюю поверхность стенки через специальные отверстия. Большой недостаток пленочного охлаждения заключается в том, что компонент топлива, поступающий для охлаждения, не участвует полностью в процессе сгорания и удельный импульс ЖРД с плёночным охлаждением меньше, чем удельный импульс ЖРД с регенеративным охлаждением.

Обеспечить охлаждение ЖРД только регенеративным способом или только пленочным охлаждением обычно не удается, поэтому применяют одновременно оба метода. Такое охлаждение называют комбинированным (смешанным).

Охлаждение ЖРД:

1 - температура в ядре потока;

2 – температура пристеночной зоны;

3 – температура торможения около

стенки ;;

4 – температура около стенки со стороны газа ;

5 – температура огневой стенки со стороны

охладителя ,; 6 – температура охладителя жидкости;

Тепловые потоки от газа в стенку:

Конвективный тепловой поток:

,из эмпирических данных (формула Бартца);

1. , из эксперимента: --КС, дозвуковая часть сопла, критика; -сверхзвуковая часть сопла.

2. , гдединам. вязкость газа,кинематическая вязкость газа.

3. , гдетеплопроводность газа,теплоёмкость газа.

4. - поправочный коэффициент, учитывающий сжимаемость газа и зависимость теплофизики от температуры.

;задаёмся

Лучистый тепловой поток:

- меньше, чем.постоянная Стефана-Больцмана;степень черноты стенки,;степень черноты газа.

Суммарный тепловой поток сдвинут в сторону дозвуковой части и равен: .

Рис.1

Передача тепла через огневую стенку(механизм теплопроводности): З-н Фурье

Температура стенки со стороны жидкости:

Передача тепла от огневой стенки в охладитель (конвекция):

- гладкий щелевой канал

Рис.2 Гладкий щелевой канал

Если внутренняя стенка имеет ребра жесткости, то охладительная жидкость течет между ребрами.коэффициент оребрения.

для ребра жесткости;

Рис.3Рис.4

b- толщина ребра;a- расстояние между рёбрами.

теплосъём со стенки увеличивается.

Р

T

ис.5

Условия надёжного охлаждения: 1. ; 2. отсутствие плёночного кипения в рубашке охлаждения.

Пузырьки параплёнка паракризис теплообменатеплосъём от огневой стенки упалпрогар

3. отсутствие объёмного кипения в рубашкеотсутствие разложения компонентов; 4. мероприятия по наружному охлаждению: -конвективный тепловой поток газ-стенка; -передача тепла через стенкуплёночное кипение; -передача тепла через огневую стенкуплёночное кипение; -охлаждение труднее; -толщина рубашки охлажденияскорость жидкости в каналекоэф. теплообменатеплосъём от огневой стенки; -выбор оптимального коэффициента оребрения.