Система охлаждения камер ЖРД

4.1. Физическая картина теплообмена в камере ЖРД

На рисунке представлено распределение температуры в системе «полость камеры сгорания - внутренняя стенка камеры ЖРД – зарубашечное 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 зарубашечном пространстве и поверхностей внутренней стенки, соответственно, К;

W_г и W_охл – скорости теплового потока и охладителя, соответственно, м/с.

q_Σ – суммарная плотность газового потока, воздействующая на внутреннюю стенку камеры сгорания, Вт/м²;

α_г – коэффициент теплоотдачи от газа к внутренней стенке камеры ЖРД, Вт/м²·К.

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 теплообмена q_Σ, Т_г и Т_охл).

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

,

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

,

где: Сn – приведенный коэффициент лучеиспускания.

.

4.2. 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 Т_г;

- скоростью газового потока W_г;

- плотностью газа ρ_г;

- площадью поперечного сечения камеры F.

Величина конвективной составляющей плотности теплового потока q_к в основном определяется массовой скоростью рабочего тела (W_г·ρ_г) и величиной площади поперечного сечения (F):

.

Величина конвективной составляющей плотности теплового потока q_к в основном определяется массовой скоростью рабочего тела (W_г·ρ_г) 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 q_{Σ 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.

4.3. 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 зарубашечному 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

4.4. Требования, предъявляемые к внешнему

(наружному) охлаждению

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

,

где: - действительная и допустимая температура охладителя, соответственно.

Величина выбирается исходя из следующих условий:

1) Т_охл < Т_кип ,

где: Т_кип - 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) Т_охл< Т_разл

где: Т_разл - температура разложения компонента протекающего по зарубашечному 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_охл должна быть равна своему расчетному значению.

W_охл=W_расч

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

4) Компонент должен обладать малыми значениями вязкости коррозионной активности и температуры замерзания. При этом значение теплоемкости, температуры кипения и разложения компонента желательно иметь максимально большими.

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

4.5. 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.

a) б)

Рис.56

Пояса завес

Обычно пояса завес выполняются перед наиболее теплонапряженными 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 транспирационного 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.