Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
На сегодняшний день многие крылатые ракеты используют прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД). По сравнению с обычным воздушно-реактивным двигателем (ВРД), ПВРД не имеет большого количества подвижных частей, что дает колоссальное преимущество в упрощении всей его конструкции. В то же самое время необходимо отметить, что у ВРД и ПВРД имеются некоторые конструкции, которые проектируются по одинаковым принципам. К ним относятся, например, жаровая труба как оболочка камеры сгорания и реактивное сопло.
Камера сгорания любого двигателя, в том числе и авиационного, является чрезмерно теплонагруженным компонентом. В ней происходят процессы впрыска, смешения и горения компонентов топливной смеси. Методы конструирования и расчета данного узла частично изложены в [1].
Одной из современных схем является конвективно-пленочное охлаждение стенок. При данном виде охлаждения поток воздуха через пространство между оболочками жаровой трубы попадает на внутреннюю поверхность стенок камеры, создавая так называемую защитную пелену холодного воздуха. Такое конструктивное решение позволяет снизить уровень конвективных тепловых потоков от продуктов сгорания (ПС), что, в свою очередь, понижает температуру стенки с «горячей стороны» [2].
Определение теплового состояния жаровой трубы — задача нетривиальная. Из-за большого количества влияющих друг на друга факторов проблематично с достаточной точностью определить величину тепловых потоков, а также значения температур в интересующих точках.
Однако такую задачу возможно решить в первом приближении с помощью численного моделирования. Данный метод рассмотрен в работах [3–5].
Процесс протекает следующим образом. При полете ракеты набегающий поток воздуха проходит через воздухозаборное устройство, в котором происходит преобразование скоростного напора в статический. Давление и температура поднимаются. Далее, воздух протекает по каналу, ведущему к маршевой камере. Перед самой камерой располагаются форсунки подачи горючего. После впрыска оно смешивается с воздушным потоком и, пройдя через пояс стабилизаторов горения, воспламеняется.
Топливно-воздушная смесь, протекая по тракту маршевой камеры сгорания, выделяет большое количество тепла, поток которого идет в сторону стенок. Для их охлаждения в конструкции предусмотрен кольцевой канал между камерой и внешней оболочкой, по которому протекает воздух. Он отбирается из воздухоподводящего тракта. При этом по ходу течения часть воздуха попадает в щели между оболочками, смешиваясь при этом с пристеночным слоем продуктов сгорания, образуя защитную воздушную пелену.
Жаровую трубу можно условно разбить на два вида участка: на первом участке воздушная защитная пелена еще не омывает внутреннюю поверхность стенки; на втором кольцевая оболочка уже имеет защитный воздушный слой, который поддерживается вплоть до выхода из камеры сгорания.
Ввиду сложности описания протекающих процессов с помощью уравнений, необходимо использовать экспериментальные данные, на основе которых можно с достаточной точностью вводить в известные уравнения теплообмена поправочные коэффициенты. По этой причине искомый расчет обеих зон жаровой трубы ведется по методике, изложенной в [6]. Решение системы уравнений теплообмена проводится на языке программирования Python с использование библиотеки SciPy.
После проведения расчетов получены температуры стенок жаровой трубы со стороны ПС и со стороны охлаждающего воздуха. Данный расчет показал, что использованный метод подходит для примерной оценки потребных температур. Качественная картина распределения этих температур по длине камеры получена в виде, коррелирующем с экспериментальными данными, описанными в [3-5]. В то же самое время данный метод не учитывает ряд важных параметров, например, перенос тепла в поперечном и осевом направлениях. В реальных изделиях эти тепловые потоки вносят вклад в температурное состояние стенок, однако описание этого процесса аналитически является задачей крайне трудоемкой. Поэтому использовать вышеприведенный метод расчета рекомендуется только для качественной оценки. Оценка конкретных значений температуры в первом приближении также может быть проведена успешно.
