Материал: Методические указания к выполнению практических и самостоятельных работ по дисциплине «Конструирование камер жидкостных ракетных двигателей». Скоморохов Г.И., Гуртовой А.А

Составители: д-р техн. наук Г.И. Скоморохов канд. техн. наук А.А. Гуртовой

УДК 621.454

Методические указания к выполнению практических и самостоятельных работ по дисциплине «Конструирование камер жидкостных ракетных двигателей» специальности 160700.65, 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» очной формы обучения / ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"; сост. Г.И. Скоморохов, А.А. Гуртовой. Воронеж, 2015. 19 с.

В методических указаниях собраны задачи, которые соответствуют основным разделам дисциплины «Конструирование камер жидкостных ракетных двигателей». Приводятся примеры решения задач.

Рецензент: д-р техн. наук А.Ф. Ефимочкин Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук

проф. B.C. Рачук

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.

© ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2015

1

МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ И СИСТЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ

1.1.Описание системы охлаждения

ВЖРД широко используют конвективное охлаждение стенки камеры (последнюю образуют камера сгорания и сопло Лаваля). Здесь охлаждение обеспечивают прокачкой жидкости (горючего) по зазору между наружной поверхностью стенки и охватывающей ее «рубашкой». Если расход охладителя и условия теплообмена достаточны для отвода от стенки всей теплоты, которая поступает от высокотемпературного потока газообразных продуктов сгорания, то обеспечен стационарный тепловой режим работы стенки. Чтобы уменьшить отвод теплоты в стенку и снизить ее температуру, на внутреннюю по верхность стенки наносят слой защитного покрытия из жаростойкого материала с малой теплопроводностью (например AI2O3, ZrSi).

1.2. Исходные данные

Заданы: массовый расход 111 г и состав продуктов сгорания; их полные температура Тг° и давление p°; материал и толщина 8п защитного покрытия; материал и толщина 8w стенки; толщина 83 зазора между стенкой и рубашкой; вид охлаждающей жидкости и ее начальная температура Тж . Часть исходных данных приведена в табл. 1.1, состав газа - см. табл. 1.1, значения Tj0 и р°° равны величинам Тсм и рсм в табл. 1.2; режим работы ЖРД - расчетный при наземном старте.

1

Геометрия поверхности камеры сгорания и сопла осесимметричная с известной зависимостью внутреннего радиуса Гг по слоюпокрытия от длины X на всех участка х камеры. Контур камеры сгорания - цилиндрический, контур сужающейся и расширяющейся частей сопла Лаваля - конический. Углы раскрытия этих двух частей сопла 40...60 и 16...24 град соответственно. Сужающаяся и расширяющаяся части состыкованы по критическому сечению (его радиус Гг) со скруглением стыка дугой окружности радиусом 0,4 Гг .

1.3. Расчетное задание

Определить расход охладителя 111 ж, обеспечивающий стационарный режим работы системы, и найти температуру поверхностей стенки со стороны газа Tw и жидкости Тw.

2

1.4. Постановка задачи и последовательность расчетов

Анализ процессов, происходящих в системе охлаждения (радиационно-конвективный теплоподвод от газа к стенке, передача теплоты теплопроводностью в покрытии и стенке, конвективный теплоотвод от стенки к жидкости), показывает, что мы имеем дело с теплопередачей от газа к жидкости через разделяющую их составную стенку. Поскольку в исходных данных ничего не сказано о наличии ребер на обращенной к жидкости стороне стенки, последнюю считаем гладкой. Не оговорены также вид и число элементов, дистанцирующих рубашку от стенки, поэтому зазор принимаем обычным цилиндрическим с неизменной по длине толщиной 83 (контур рубашки повторяет контур стенки).

Следует обратить внимание на то, что температура

стенки переменна не только по толщине y (ymax = 8п +8w ), но и по длине X. Действительно, температура газа Tr и скорость

его течения Wr (а следовательно, коэффициент теплоотдачи со стороны газа ar) изменяются вдоль камеры (по крайней мере, в пределах сопла). Так же ведет себя температура жидкости изза ее прогрева по мере движения по зазору. Кроме того, течение жидкости на части зазора, соответствующей соплу, изменяется вследствие переменности поперечного сечения зазора (здесь не сохраняется постоянным его средний радиус). Поэтому задача теплопередачи является двумерной осесимметричной; аналитическое или численное решение ее выходит за рамки материала, предусмотренного рабочей программой дисциплины «Термодинамика и теплообмен».

По этой причине приходится перейти к упрощенной одномерной постановке задачи, используя следующий прием. Камеру по координате х делят на большое количество коротких участков длиной Ах. Для каждого из таких участков задачу теплопередачи рассматривают как одномерную (теплопередача через цилиндрическую составную стенку с неизменными по длине значениями Тг, Тж, а г, аж, X w, X п). В

3