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 теплооб­мена qi, T_r и 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.

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 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_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.

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.

Некоторые современные керамические материалы хорошо проти­востоят нагреву, химическому и эрозионному воздействию газового потока, однако имеют и существенные конструктивные и эксплуатационные недос-

татки. К ним относятся довольно низкое сопротивление разрыву и изгибу, хрупкость (опасны удары и сотрясения) и недостаточное сопротивление теп­ловому удару: керамика склонна к растрескиванию при быстром изменении температуры (запуск или остановка двигателя).

Тугоплавкие материалы могут применяться для изолядии основного материала стенки со стороны огневой поверхности. Так как тугоплавкие по­крытия имеют обычно низкую теплопроводность, то температура основного материала значительно ниже температуры огневой поверхности. Как видно, в этом случае низкая теплопроводность не является недостатком (если темпера­тура плавления покрытия достаточно высока). Изменение температуры в ос­новном материале, имеющем большую теплопроводность, менее значительно. Толщина тугоплавких покрытий составляет 0,1— 0,6 мм.

Уместно отметить, что аналогичную керамическим покрытиям роль в эксплуатации двигателя выполняют плохо теллопроводящие отложения сажи, кокса и шлака.

Тугоплавкие материалы лучше нержавеющей стали по таким показа­телям, как допустимая температура, удельный вес, теплоемкость, коэффици­ент линейного расширения.

В качестве примера можно назвать покрытую керамикой "Ниафракс А" камеру ЖРД американского управляемого снаряда "Найк", работающую без жидкостного охлаждения 35 сек. (Компоненты топлива - углеводородное горючее с азотной кислотой, Т гор = 2780°С). Экспериментальные сопла, вы­полненные из "Ниафракса", работали в условиях ЖРД до 60 сек.

Абли рующие ТЗП

При организации теплозащиты абляцией материал стенок должен об­ладать высокой теплотой плавления или сублимации и в то же время - низ­кой теплопроводностью. В этом случае количество тепла, отводимого уноси­мым материалом, преобладает над количеством тепла, аккумулируемого в сохраняющихся слоях материала стенок.

При расчете характеристик ЖРД, сопло которого имеет теплозащиту абляцией, необходимо учитывать изменение площади проходных сечений со­пла (прежде всего критического) по времени.

Теплозащитные покрытия, полученные на основе полимерных мате­риалов, являются практически единственными теплозащитными системами, позволяющими наиболее эффективно защищать конструкцию ДУ от воздейст­вия высокотемпературных газовых потоков.

Указанное обстоятельство определяется многообразием форм погло­щения тепловой энергии полимерными материалами в результате их плавле­ния, сублимации и деструкции.

Большинство исследователей при рассмотрении механизма работы полимерных ТЗП указывает на образование при термодеструкции в полимер­ных покрытиях трёх подвижных зон взаимодействия со средой:

- зона, непосредственно примыкающая к газовому потоку;

- переходная зона, в которой происходят основные реакции пиролиза полимеров;

- зона практической незатронутости материала.

Теплозащитные свойства полимерных ТЗП складываются из их спо­
собности поглощать и задерживать тепло (химические факторы абляции) и
противостоять механической эрозии газовой струи (механические факторы
абляции).

Факторы химической абляции. Тепло, подводимое к поверхности ТЗП, первоначально поглощается за счёт большой теплоёмкости полимеров, а скорость продвижения изотермы ограничивается малой теплопроводностью. Однако замедление продвижения тепла вглубь материала приводит к резкому увеличению температуры в поверхностных зонах покрытий, что ускоряет де­струкцию материала полимеров.

Дальнейшее поглощение части тепловой энергии, подводимой к ТЗП, осуществляется за счёт различных фазовых превращений, претерпеваемых полимерным материалом в процессе прохождения термодеструкции. Выде­ляющиеся при термодеструкции газообразные продукты, диффундируя в ок­ружающую среду, охлаждают нагретые внешние слои материала, тем самым дополнительно поглощая ещё некоторое количество тепловой энергии. Указанный "термоблокирующий" эффект зависит от количества материала подвергнутого деструкции; скорости абляции материала и энтальпии газового потока. Кроме того, немаловажное значение на величину поглощённого тепла оказывают состав и количество газообразных продуктов деструкции. Наи­больший теплрпоглощающей способностью отличаются летучие продукты, содержащие большое количество водорода.

Следующий возможный фактор, в результате которого поглощается ещё некоторая часть тепловой энергии - поглощение тепла за счёт излучения нагретой поверхностью. В данном случае тепловое излучение зависит, в ос­новном, от степени нагрева поверхности материала и определяется уравне­нием Стефана-Больцмана, как функция температуры поверхности в 4-й степе­ни. Отсюда следует, что наибольшей излучательной способностью должны обладать полимерные материалы, у которых процессы абляции сопровожда­ются более высоким нагревом поверхности (т.е. материалы, содержащие неор­ганические наполнители, различные обуглероженные материалы и т.п.).

Исходя из вышеизложенного, следует, что тепловой баланс на по­верхности аблирующего ТЗП состоит из слагаемых поглощения подводимого тепла за счёт:

- теплоёмкости полимеров;

- химических реакций (фазовых переходов);

- выделения летучих продуктов деструкции и излучения. При этом следует отметить, что указанные реакции имеют место только в двух первых подвижных зонах, тогда как третья зона (зона незатро­нутого материала) несёт на себе функции теплоизоляционного и конструкци­онного материала.

Механические ф акторы разрушения обусловлены в основном терми­ческими и механическими эффектами. Согласно работам ряда исследователей, разрушение полимерных ТЗП, их эрозионный унос, складывается из разруше­ния материалов вследствие больших термических напряжений, сублимации, испарения, а также чисто механической эрозии покрытий.

Устойчивыми оказались ТЗП, полученные на основе коксующихся полимером, способных образовывать при термодеструкции прочный поверх­ностный слой, предохраняющий нижележащие слой полимера от интенсивно­го разрушения. Величина и прочность образованного поверхностного слоя в ряде случаев является единственной определяющей величиной эрозионной стойкости полимерных ТЗП. Одним из наиболее эффективных методов уп­рочнения поверхностного слоя ТЗП, образованного при термодеструкции кок­сующихся полимеров, оказалось отложение в порах кокса вторичных продук­тов. При термодиструкции подавляющего большинства полимерных ТЗП в струе ЖРД создаются благоприятные термические условия для получения пироуглерода (пиролитического графита), отложение которого на внутренней поверхности стенок пор способствует значительному улучшению физико-механических и теплофизических свойств поверхностного слоя ТЗП. В лите­ратуре приводится прямая взаимосвязь между способностью полимеров обра­зовывать пироуглерод и эрозионной стойкостью ТЗП. Наиболее прочный по­верхностный слой образуется при термодиструкции полимерных ТЗП, полу­ченных на основе коксующихся полимеров и содержащих в своём составе большое количество атомов углерода. Кроме того, на прочностные характери­стики твёрдых продуктов пиролиза существенное влияние оказывает количе­ственное содержание в полимере кислорода, способного вызывать преждевре­менное окисление образующихся при пиролизе обуглероженных продуктов.

На эрозионную стойкость полимерных ТЗП определённое влияние, помимо прочности поверхностных слоев, образующихся при термодиструк­ции, оказывает величина механической прочности ТЗП в исходном состоянии. Экспериментально доказано, что чем больше прочность полимера (величина его разрывного напряжения), тем дольше период разрушения материала. Од­нако, исходя из механизма эрозии, представляющего собой процесс разруше­ния материала за счёт упругих и пластических деформаций, следует ожидать, что указанное равенство справедливо лишь в случае сохранения материалом некоторой эластичности. Положительное влияние эластичности полимеров на их эрозионную стойкость состоит в уменьшении абразивного износа покры­тий за счёт срезывающих усилий, имеющих место при проявлении пластиче­ской деформации.

Таким образом, основными требованиями предъявляемыми к поли­мерным материалам, предназначенным для создания ТЗП, являются:

- высокие температуры плавления или разложения;

- низкий коэффициент теплопроводности и высокая теплоёмкости;

- большая излучательная способность;

- выделение при пиролизе большого количества низкомолекулярных газообразных продуктов;

- образование при пиролизе прочного твёрдого остатка;

- высокая прочность и небольшая величина жёсткости полимеров.

Сгорающие ТЗП

Они представляют собой твердотопливную систему, состоящую из
горючего и окислителя, причем элементов, являющихся горючим существенно
больше по сравнению с тем количеством, которое обеспечивало бы эффектив­
ный процесс горения.

Продукты сгорания такого ТЗП имеют существенно меньшую темпе­ратуру, по сравнению с основным газовым потоком, что определяет возмож­ность создания более холодного пристеночного слоя.

В случае использования указанного типа ТЗП необходимо определить оптимум между толщиной покрытия и массовыми характеристиками двига­тельной установки для обеспечения создания тепловой защиты.

Обычно указанный тип используется для бронировки твердотоплив­ных зарядов РДТТ.

Коксующиеся ТЗП

Они представляют собой матричную систему на основе фенольных смол или каучука. При этом в качестве наполнителя используются асбест, стекло или нейлон. Температура материала, уносимого газовым потоком, су­щественно ниже по сравнению с температурой самого потока. Коксовый оста­ток, образовавшийся на поверхности ТЗП, имеет плотную структуру, что оп­ределяет постоянство сечений каналов.

Коксующие ТЗП могут использоваться вторично при условии их по­следующей пропитки фенольными смолами.

Испаряющиеся ТЗП

Они представляют собой сотовую конструкцию. В качестве материа­ла, образующего соты используются пористые вольфрам или молибден, а в качестве наполнителя - медь.