CC BY
96
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
УДК 621.454.2
А.Ю. Казаков, A.Yu. Kazakov, e-mail: [email protected] Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
СПОСОБЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ В ГАЗОВОЙ РАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ
METHOD OF THERMAL INSULATION OF THE COMBUSTION CHAMBER IN A GAS ROCKET PROPULSION ENGINE
В статье рассмотрены основные способы охлаждения камеры сгорания ракетных двигателей.
The article describes the main methods of cooling the combustion chambers of rocket engines.
Ключевые слова: камера сгорания, ракетный двигатель
Keywords: combustion chamber, rocket engine
Обеспечение теплоотведения в камере сгорания (КС) ракетного двигателя является важнейшей задачей в организации рабочего процесса.
Температуру стенок КС ЖРД можно поддерживать в допустимых пределах с помощью одного из следующих способов [1-3]: наружного (или регенеративного) охлаждения; внутреннего охлаждения; смешанного охлаждения; радиационного охлаждения; абляционного охлаждения; защиты внутренних стенок термостойкими покрытиями; емкостного охлаждения; транспирационного охлаждения.
Рассмотрим основные способы охлаждения и выявим возможности их применения для ГРД.
Наружное охлаждение
Простейшая схема наружного охлаждения одним из компонентов топлива приведена на рисунке 1. Охлаждающей жидкостью может служить и горючее, и окислитель.
Следует отметить, что каждому топливу и давлению в камере рк соответствует минимальная тяга, ниже которой только наружного охлаждения становится недостаточно.
При сопоставимых тяге и давлениях для медленно горящих топлив, требующих большего времени пребывания, наружное охлаждение может оказаться недостаточным даже при большей тяге.
4 2 I 3 2 1
Окислитель —..
I Горючее —
------------------И JL
4 2 12 1
в
Рис. 1. Схема наружного охлаждения: а - одним КРТ; б, в - двумя КРТ; 1 - входной коллектор; 2- охлаждающий тракт; 3 - выходной коллектор; 4 - головка
232
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
При очень ограниченных количествах горючего и окислителя для охлаждения иногда применяют оба компонента. Один из них охлаждает сопло РД, а второй - КС (рис. 1, б). Иногда второй компонент используется для снижения температуры компонента, непосредственно охлаждающего камеру РД, и при этом подогревается сам (рис. 1, в). Наружное охлаждение компонентами также может применяться и при их пользовании в качестве топлива паров низкокипящих компонентов (например, кислорода и водорода). Специфика такого наружного охлаждения заключается в том, что охладитель находится в жидком состоянии только на начальном участке охлаждающего тракта, основная же часть поверхности камеры охлаждается газообразным охладителем.
Для ГРД одним из вариантов является регенеративное охлаждение КС посредством ввода газифицированных КРТ в рубашку охлаждения и дальнейшую их подачу в смесительную головку. Преимуществом такой схемы является хорошее охлаждение и высокая температура газов КРТ при входе в КС. Недостатком схемы является возможность возникновения кавитации в рубашке охлаждения, что приведет к закупорке тракта и, как следствие к нарушению охлаждения.
Другим вариантом для ГРД является регенеративное охлаждение, где охладителем является жидкое горючее необходимое для работы ГГ в системе газификации жидких остатков КРТ. Схема представляет собой замкнутую систему: дополнительные баки - рубашка охлаждения ГРД - ГГ.
Внутреннее охлаждение
При внутреннем охлаждении температура стенки Тстг снижается благодаря защите ее жидкостной пленкой или газовым слоем пониженной, по сравнению с ядром, температуры, создаваемой с внутренней стороны стенки. Такой слой обычно называют пристеночным слоем.
При подаче избытка горючего через периферийные форсунки (рис. 2, а) происходит смешение и горение компонентов у стенки при ОС <<1 с образованием пристеночного слоя продуктов сгорания, который и защищает стенку от высоких тепловых потоков. Преимуществом такой организации внутреннего охлаждения является простота создания защитного пристеночного слоя без каких-либо усложнений конструкции камеры.
Рис. 2 Схемы создания пристеночного слоя для внутреннего охлаждения: а - с помощью периферийных форсунок; б - с помощью поясов охлаждения; 1 - окислитель;
2 - горючее; 3 - стенка камеры; 4 - пограничный слой; 5 - пристеночный слой;
6 - периферийные форсунки; 7 - жидкий охладитель; 8 -пояса
Однако с увеличением длины камеры экономичность этого способа охлаждения ухудшается, так как чем дальше отдален участок стенки от головки, тем больше происходит размывание пристеночного слоя.
Разновидностью внутреннего охлаждения является так называемое транспирационное охлаждение. В этом случае стенку камеры изготавливают из пористого материала и охладитель поступает через поры равномерно по всей поверхности камеры (рис. 2, б). В качестве охладителя в этом случае могут быть использованы как жидкость, так и газ. При пористом внутреннем охлаждении для создания надежной завесы требуется незначительное количест-
233
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
во охладителя. Выполнять всю камеру из пористого материала нет необходимости, так как устойчивую паровую завесу можно создать и с помощью пористого пояса охлаждения.
Недостатком имеющихся пористых материалов является то, что при работе РД поры
могут быстро засоряться. Поэтому очень трудно создать пористый материал с постоянным по времени гидравлическим сопротивлением на всей поверхности материала.
В известных конструкциях ЖРД внутреннее охлаждение осуществляется либо с помощью периферийных форсунок в головке ЖРД, либо с помощью специальных поясов охлаждения, выполненных в виде кольцевой щели или ряда отверстий на камере сгорания (рис. 3).
"О "0" "6 &
Охладитель
Рис. 3. Схемы поясов подачи внутреннего охлаждения: а - пояс отверстий; б - щелевой пояс
По-видимому, можно так организовать внутреннее охлаждение, что оно обеспечит работу камеры РД в течение необходимого времени без прогара. Однако при одном только внутреннем охлаждении потребуется подавать такое количество компонента-охладителя, что часть его останется несгоревшей и потери удельного импульса будут сравнительно высокими. Поэтому наиболее целесообразно используемое в большинстве ЖРД сочетание внутреннего и наружного охлаждений - смешанное охлаждение.
Смешанное охлаждение позволяет при расходе на внутреннее охлаждение 1...3 % от общего расхода топлива организовать надежную защиту стенок ка меры от прогара при сравнительно малых потерях удельного импульса. При этом используется организация внутреннего охлаждения как с помощью периферийных форсунок, так и путем установки поясов охлаждения (рис. 3.5).
Для ГРД, учитывая небольшие давления и температуры, применение внешнего охлаждения можно избежать, применяя схему охлаждения пристеночного слоя. При сравнительно небольшой длине КС ГРД и использовании в пристеночном слое струйных форсунок, возможно охлаждение КС вплоть до критической зоны.
Термостойкие покрытия
Весьма эффективным способом защиты стенок камер ЖРД от прогара может явиться нанесение на «огневую» стенку термостойких покрытий.
Для камер ЖРД длительного действия (порядка нескольких минут) весьма возможно комбинированное охлаждение - сочетание тонкослойных термостойких покрытий (0,1.. .0,4 мм), например на основе карбида, вольфрама или диоксида циркония, и проточного наружного охлаждения.
Рис. 3.7 Схема неохлаждаемого сопла: 1 - вольфрам, 2 - карбидный слой, 3 - графит, 4 - керамика, 5 - пластмасса, 6 - металлический каркас, 7 - обмотка из пластмассовых тканей
234
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Комбинированное охлаждение часто создается в существующих ЖРД самопроизвольно, благодаря осаждению сажи на внутренней стенке камеры; замечено, что при этом
охлаждение камеры РД улучшается.
Защиту стенок камеры от прогара в течение определенного времени можно также обеспечить, применяя материалы с высокой теплопроводностью. В этом случае тепло, поступающее в стенки камеры, вследствие хорошей их теплопроводности быстро распространяется по всей массе материала, поглощается за счет теплоемкости и таким образом как бы аккумулируется в стенках камеры. Поэтому такой способ называют защитой с помощью аккумуляции тепла, или емкостным охлаждением.
Использование аккумуляции тепла целесообразно при таких условиях работы ЖРД, когда за кратковременной работой следует продолжительный период охлаждения. Для обеспечения работоспособности неохлаждаемой камеры ЖРД в течение длительного времени (60... 100 с) часто используют сочетание термостойких покрытий с аккумулирующими теп-ломатериалами.
Для ГРД нанесение на внутреннюю часть стенки КС теплоизолирующего покрытия является основным способом охлаждения «защиты» от тепловых потоков продуктов сгорания. Применение же емкостного способа охлаждения возможно лишь при небольших промежутках времени работы ГРД (до 100 с).
Библиографический список
1. Добровольский, М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. / М. В. Добровольский ; под ред. Д. А. Ягодни-кова. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 488 с.
2. Теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в газовом ракетном двигателе : отчет о НИР (промежуточный) : этап 4, Ч. 2 / НИИПММ при ТГУ ; науч. рук. В. А. Архипов [и др.]. - Томск, 2010. - 313 с. - Гос. рег. № 01200960927. - Инв. № 02201054123.
3. Алемасов, В. Е., Теория ракетных двигателей / В. Е. Алемасов, А. Ф. Дрегалин, А. П. Тишин ; под ред. В. П. Глушко. - М. : Машиностроение, 1989. - 464 с.
