7. Система охлаждения камер жрд

7.1. Физическая картина теплообмена в камере ЖРД

На рисунке представлено распределение температуры в системе "полоссть камеры сгорания - внутренняя стенка камеры ЖРД - зарубашеч-ное пространство", т.е. рассматривается процесс теплопередачи между га­зообразной и жидкими средами, разделёнными твёрдой стенкой. Условные обозначения к рис.52:

Т_г, Т_охл, Т_СТ1, Т_ст2 - температуры газового потока, охладителя в зару-оашечном пространстве и поверхностей внутренней стенки, соответственно, К;

W_r и W_0XJI - скорости теплового потока и охладителя, соответственно, м/с.

qx - суммарная плотность газового потока, воздействующая на внут­реннюю стенку камеры сгорания, Вт/м²;

a_r - коэффициент теплоотдачи от газа к внутренней стенке камеры ЖРД, Вт/м²К.

Рис.52

Распределение температуры в камере ЖРД

В первоначальный момент времени при запуске двигателя температу­ра внутренней стенки со стороны газа и охладителя изменяются с течением времени; причём темп изменения температур может быть неодинаков.

Такой тепловой режим называется нестационарным или неустано­вившимся.

Через некоторый период времени наступает установившийся (стацио­нарный) режим, который характеризуется постоянством параметров (Т_ст1, Т_ст2) рассматриваемого процесса (при неизменных режимных параметрах теплооб­менаqi,T_rи Т_охл).

Суммарная плотность теплового потока, воспринимаемая внутренней стенкой камеры ЖРД, может быть определена следующим образом:

где: q_K и q_л - плотности теплового потока, воспринимаемые внутренней стен­кой камеры ЖРД, обусловленные явлениями конвекции и лучистого теплооб­мена, соответственно.

92

где: Сn- приведенный коэффициент лучеиспускания.

7.2. Распределение плотности теплового потока по длине камеры ЖРД

Величина плотности теплового потока и её распределение по Длине камеры ЖРД в основном определяется следующими параметрами, рис.53:

Рис.53

Изменение параметров газового потока по длине камеры ЖРД

• температурой газа;

• скоростью газового потока W_r;

• плотностью газа;

• площадью поперечного сечения камеры F.

Величина конвективной составляющей плотности теплового потока q_K в основном определяется массовой скоростью рабочего тела (W_r p_r) и величи­ной площади поперечного сечения (F):

Величина конвективной составляющей плотности теплового пото­ка q_K в основном определяется массовой скоростью рабочего тела (W_r p_r) и величиной площади поперечного сечения (F):

Величина лучистой составляющей плотности теплового потока за­висит от температуры газового потока Т_г:

Как видно из рис.53 максимальное значение суммарной плотности те­плового потока qs; max наблюдается 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 < T охя.доп ,

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

Величина Тохл.доп выбирается исходя из следующих условий:

1) Т охл < T кип *

где: Tкип, - температура кипения компонента в зарубашечном пространствекамеры 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_OXJI должна 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.