Жидкостные ракетные двигатели (стр. 20 из 36)

Как видно из рис.53 максимальное значение суммарной плотности теплового потока qs; maxнаблюдается в зоне критического сечения сопла и в некоторых случаях указанная величина может достигать 60 МВт/м², что определяет необходимость создания эффективной тепловой защиты.

7.3. Классификация систем охлаждения ЖРД. Внешнее охлаждение

Проточное охлаждение - это охлаждение элементов, за счет обтекания поверхности нагрева охладителем с внешней стороны.

При автономном охлаждении охладитель после отбора тепла с внешней стороны стенки направляется не в камеру сгорания, а отводится к другим элементам или узлам (схема ЖРД с газификацией охладителя в зарубашечном пространстве).

При регенеративном охлаждении в качестве охладителя используется один из компонентов топлива, который после прохождения по зарубашечно-му пространству направляется в камеру сгорания.

При радиационном охлаждении отвод тепла с внешней стороны элемента осуществляется за счет излучения.

На рис.54 представлена классификация систем охлаждения ЖРД.

Рис.54

Классификация систем охлаждения ЖРД

7.4. Требования, предъявляемые к внешнему (наружному) охлаждению

Основное требование, обеспечивающее создание эффективного внешнего охлаждения может быть сформулировано следующим образом:

1 охп < Tохя.доп ,

где: Тохг.Тоа.доп - действительная и допустимая температура охладителя, соответственно.

Величина Тохл.доп выбирается исходя из следующих условий:

1) Т охл < Tкип *

где: Tкип, - температура кипения компонента в зарубашечном пространстве камеры ЖРД . В противном случае в зарубашечном пространстве будет наблюдаться увеличение давления, что может привести к нарушению целостности конструкции, а за счет образования паровых пробок - к изменению гидродинамики потока.

2) T охл < T разл

где: Тразл - температура разложения компонента протекающего по заруба-шечному пространству. В противном случае на стенках охлаждающего тракта может начаться процесс смолообразования вещества, что приведет к увеличению термического сопротивления стенки, а, следовательно, к росту величины температурного градиента в ней. Кроме того, образования летучих продуктов при разложении компонента может отрицательно сказаться на работе форсунок смесительной головки камеры ЖРД.

3)Скорость течения охладителя W_OXJIдолжна быть равна своему рас
четному значению.

Невыполнение этого условия может привести к существенному увеличению величины гидравлического сопротивления охлаждающего тракта зарубашечного пространства камеры ЖРД.

4)Компонент должен обладать малыми значениями вязкости корро
зионной активности и температуры замерзания. При этом значение теплоем
кости, температуры кипения и разложения компонента желательно иметь мак
симально большими.

Обычно в качестве охладителя используется горючее, однако в некоторых случаях (при недостатке горючего) в качестве охладителя может использоваться окислитель.

7.5. Внутреннее охлаждение

При указанной схеме охлаждения охладитель вводится во внутреннюю полость камеры сгорания, создавая при этом простеночный слой газа с пониженной температурой. Охладитель должен обладать повышенными значениями теплоемкости, температуры кипения и диссоциации.

Для внутреннего охлаждения обычно используют горючее (водород, монометил, гидрозин). При внутреннем охлаждении подача охладителя в камеру ЖРД может осуществляться следующими способами:

1) через периферийные форсунки, расположенные по внешнему диаметру головки камеры, рис.55.

Этот способ охлаждения наиболее прост по своему конструктивному выполнению. Однако, пристеночный слой газа с пониженной температурой отрывается от поверхности внутренней стенки, вследствие интенсивного вихревого движения в камере и пульсации давления в ней.

Поэтому для обеспечения эффективного охлаждения внутренней стенки камеры ЖРД могут быть использованы пояса завес.

Рис.55

Охлаждение периферийными форсунками

1) через пояса завес, которые представляют собой ряд мелких (обычно тангенциальных) отверстий, выполненных во внутренней стенке камеры. Указанные отверстия могут иметь форму окружности или кольцевой щели.

Рис.56

Пояса завес

Обычно пояса завес выполняются перед наиболее теплонапряженны-ми зонами камер ЖРД.

Для ЖРД малых тяг, используемых на высотах до 5км, как правило, достаточно иметь только завесное охлаждение.

3) через пористые вставки (транспирационное охлаждение). Охладитель подается в камеру ЖРД через вставки, выполненные из пористого материала, уставленные во внутренней стенке камеры. В качестве преимущества указанного способа охлаждения необходимо отметить равномерное распределение охладителя по внутренней поверхности камеры. К недостаткам транс-пирационного охлаждения можно отнести высокое гидравлическое сопротивление материала вставок, пониженное значение прочности, сложность закрепления вставки в стенке камеры, а также зашлаковывание пористых вставок в процессе эксплуатации.

7.6.Система теплозащитных покрытий (ТЗП)

Использование ТЗП на наиболее теплонапряженных элементах двигательной установки при неизменных внешних тепловых нагрузках позволяет снизить габаритно-массовые характеристики ДУ на 15-20 %, если бы обеспечение нормативно-прочностных характеристик осуществлялось путем увеличения толщины элементов конструкции или постановкой дополнительных ребер жесткости.

Различают активные и пассивные ТЗП. К пассивным ТЗП относятся теплоизоляционные и емкостные, а к активным (аблирующим) - сгорающие, коксующиеся и испаряющиеся.

Абляция - комплексный процесс разрушения материала, включающий нагрев, плавление, испарение, разрушение и механический унос материалов.

Процесс абляции является планируемым, то есть толщина покрытия зависит от условий эксплуатации и может быть рассчитана.

Условия работы стенок камеры осложнены тем, что вследствие неравномерности смешения компонентов топлива даже при значениях среднего коэффициента избытка окислителя меньше единицы вблизи стенок могут возникать местные участки с наличием свободного окислителя. При высокой температуре окисление металлов протекает очень быстро и может привести к прогоранию стенок.

Высокие скорости газового потока в сопле способствуют эрозии — размыванию материала стенки. Процесс эрозии усиливается при достижении стенками температуры размягчения материала, а также при наличии в потоке твердых частиц (сажа, твердые продукты полного и неполного горения). Эрозия может привести к недопустимому уменьшению толщины стенок камеры и их разрушению.

Таким образом, для обеспечения надежной работы стенок камеры требуется защита их от чрезмерного нагрева, окисления (коррозии) и размывания (эрозии). Основным требованием, предъявляемым к системам защиты стенок, является надежное обеспечение необходимого ресурса при минимальном снижении удельной тяги и минимальном увеличении веса камеры.

Емкостные ТЗП

На аккумуляции тепла стенками камеры в процессе нестационарного теплообмена с газом основан метод так называемого емкостного охлаждения камеры.

Очевидно, что время безопасной работы камеры при емкостном охлаждении будет ограничено временем, за которое температура огневой по-верхности достигнет предельно допустимой, которая близка к температуре плавления материала; при этом глубинные слои стенки должны обеспечивать необходимую прочность. Время достижения опасной температуры зависит от уровня температуры плавления или сублимации для данного материала, его теплоемкости и теплопроводности.

Чем выше теплоемкость материала, тем большее количество тепла может аккумулироваться в массе стенки, тем медленнее будет расти температура стенки со стороны газа. Увеличение теплопроводности материала позволяет быстрее отводить тепло от огневой поверхности и также замедляет рост Тст.г.

Различные материалы имеют различные сочетания значений теплоемкости и теплопроводности, поэтому в одинаковых условиях время безопасной заботы для них различно.

Время безопасной работы медной стенки, несмотря на ее более низкую, чем у стали, температуру плавления и примерно одинаковую теплоемкость, существенно больше. Причина в значительно большей теплопроводности меди.

В стальной стенке тепло, воспринятое огневой поверхностью, не отводится в глубь стенки с такой же скоростью, как в медной, поэтому температура поверхности возрастает очень быстро, в то время как соседние слои материала относительно холодные. Таким образом, теплоемкость стальной стенки используется лишь частично, а время безопасной работы лимитируется теплопроводностью.

Материалы, относящиеся к емкостным ТЗП должны обладать хорошими теплоаккумулирующими способностями при высоких значениях температуры разрушения материала (вольфрам, молибден, медь и т.д.).

Теплоизоляционные ТЗП

Защита стенок камеры облегчается при использовании материалов, более тугоплавких, чем современные конструкционные металлы. Такими материалами являются карбиды и окислы металлов, различные виды огнеупорной керамики и металлокерамики, графиты, обладающие низкими значениями коэффициента теплопроводности. В связи с более высокой температурой плавления возможно повышение температуры стенки со стороны газа и, следовательно, снижение тепловых потоков в стенку.