Краткие сведения из теории

Камера ЖРД является агрегатом двигателя, в котором топливо в результате химических реакций преобразуется в вы­сокотемпературные продукты, создающие тягу при истечении. В современных ЖРД преимущественное применение получили цилиндрические камеры сгорания, которые в сочетании с пло­ской смесительной головкой позволяют при высокой расходонапряженности организовать надежное и экономичное охлаждение, а также получить необходимую прочность и жесткость конструкции при высоком массовом совершенстве. Такие камеры достаточно технологичны в изготовлении.

Камера ЖРД (рис. 1, а) состоит из камеры сгорания (1) и сопла (2). Камера сгорания (рис. 1, б) представляет собой часть камеры ЖРД, в которой в основном завершаются про­цессы смесеобразования и сгорания компонентов топлива. Она включает в себя смесительную головку (1) и часть корпуса камеры (2) до начального сечения сопла. Корпус камеры есть часть камеры, представляющая собой оболочку, образующую стенку сопла и камеры сгорания без смесительной головки. В подавляющем большинстве корпус камеры (рис. 1, в) выпол­няется с внешним жидкостным охлаждением и обычно состо­ит из внутренней (1) и наружной (2) стенок, образующих тракт охлаждения (3).

Рис. 1. Основные элементы камеры ЖРД

Корпус камеры работает в теплонапряженных условиях. Способы тепловой защиты внутренней стенки разнообразны. Наиболее широко применяются следующие способы тепловой защиты:

— наружное охлаждение;

— внутреннее охлаждение;

— теплоизоляционная защита.

Процесс теплообмена в камере ЖРД сложен. От продуктов сгорания тепло в результате конвективного и лучистого теплообмена передается стенкам камеры сгорания и сопла, распро­страняется в последних путем теплопроводности и далее пере­дается охладителю.

Известно несколько разновидностей наружного охлажде­ния. В изучаемом образце двигателя применяется проточное охлаждение — это есть наружное охлаждение охладителем, протекающим по каналам в стенке. Этот способ энергетически целесообразен, т.к. тепло, отбираемое от стенок, не теряется, а возвращается с компонентом топлива в камеру сгорания. Недостаток проточ­ного охлаждения состоит в его ограниченных возможностях.

Рис. 2. Схема процесса теплообмена в ЖРД при проточном охлаждении

Типичная схема протекания процесса теплообмена в ЖРД при проточном охлаждении представлена на рис. 2. На рис. 2 обозначено:

— температура продуктов сгорания в камере двигателя;

— температура стенки камеры со стороны горячих газов;

— температура стенки камеры со стороны охладителя;

— температура охладителя;

— толщина пограничного слоя со стороны газа;

— толщина пограничного слоя со стороны охладителя;

— толщина внутренней стенки камеры двигателя;

— зазор тракта охлаждения.

Суммарная плотность теплового потока от газов в стенки камеры двигателя складывается из двух плотностей тепло­вых потоков: конвективного и лучистого , т. е. . Через стенку тепло передается за счет процесса теплопроводности, который описывается уравнением:

,

где — коэффициент теплопроводности материала стенки.

Так как температура стенки камеры со стороны охладителя невелика, то лучистый тепловой поток в охладитель нич­тожен. Поэтому принимают, что от стенки к охлаждающей жидкости тепло передается путем конвективного теплообмена. Плотность теплового потока от стенки к охладителю опреде­ляется выражением

,

где — коэффициент теплоотдачи от стенки к охладителю.

Применительно к теплоотдаче в охлаждающем тракте ЖРД при наличии высоких тепловых потоков для определения коэф­фициента , используется формула М. А. Михеева

,

где — коэффициент, учитывающий направление теплового потока и температурный напор;

— критерий Прандтля;

— комплекс, характеризующий физические свойства охладителя (индекс «х» означает, что свойства охладителя берутся при его средней температуре).

Охлаждающий тракт камеры — это совокупность каналов, которые образованы внутренней и наружной стенками, соеди­ненными между собой ребрами или гофрами (рис. 3). Кроме обеспечения необходимой прочности внутренней стенки, оребрение увеличивает теплоотдачу в охладитель из-за увеличения поверхности, омываемой охладителем, и из-за включения в процесс теплоотдачи части наружной оболочки, присоединен­ной к теплопроводящим ребрам. Увеличение теплоотдачи в охладитель благодаря оребрению оценивается коэффициентом эффективности оребрения :

,

где — коэффициент теплоотдачи в охладитель от гладкой поверхности;

— условный эффективный коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности.

Рис. 3. Охлаждающий тракт камеры ЖРД с ребрами и гофрами

Коэффициент эффективности оребрения находится по формуле:

,

где

— толщина ребра (гофра);

а — расстояние между ребрами;

— высота ребра (гофра);

— коэффициент теплопроводности материала внутренней стенки.

Внутреннее охлаждение обеспечивает уменьшение теплового потока к элементам конструкции путем создания на их поверхности защитного (пристеночного) слоя жидкости или газа. Температура газа в пристеночном слое снижается за счет ис­кусственного обогащения слоя одним из компонентов, который в этом случае и является охладителем. Часто таким компонен­том является горючее, применение которого предпочтительнее, т. к. оно, как правило, не создает агрессивной среды.

Существует несколько разновидностей внутреннего охлаж­дения камеры. Наиболее распространены два способа: завесное охлаждение и внутреннее охлаждение, организуемое сме­сительной головкой. Последний способ применяется в изучае­мом образце двигателя.

Привнутреннем охлаждении, организуемым смесительной головкой, избыток горючего для создания пристеночного слоя подается через форсунки, расположенные по периферии головки. При этом происходит смешение и сгорание компонентов топлива у стенки при коэффициенте избытка окислителя существенно меньше единицы (рис. 4) с образованием пристеноч­ного слоя, который защищает стенку от высоких тепловых по­токов. Преимуществом такой организации внутреннего ох­лаждения является простота создания пристеночного слоя без каких-либо усложнений конструкции камеры.

Рис. 4. Схема внутреннего охлаждения камеры ЖРД, организуемого смесительной головкой

Внутреннее охлаждение имеет недостаток: оно снижает удельный импульс тяги двигателя, т. к. определенная часть топлива в пристеночном слое сгорает при большом избытке одного из компонентов.