Болгарский А.В. - Расчет процессов в камере сгорания и сопле жидкосного ракетного двигателя

А. В. БОЛГАРСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И СОПЛЕ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Дотиииено Мииистерсзззом вывсиего| образования СССР «а«евсее у«диого яофбия| для авиационных вузов ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ОБОРОННОЙ ПРОМЪ|ШЛЕННОСТИ Москва 1957 Книга посвящена вопросам горения и истечения при высоких температурах в ЖРД. В ней дается подробная методика термодинамического расчета рабочего процесса, иллюстрируемая решением ряда практических задач. Обосновывается возможность применения графического метода для расчета параметров ЖРД, намного облегчающего этот расчет.

Подробно излагается методика построения таких номограмм. В конце книги приложены построенные автором 2 номограммы для двух видов топлива. Книга рассчитана на студентов авиационных вузов, изучающих теорию горения и истечения, но может быть полезна также для инженеров, работающих в этой области. Рецензенты: доцент Ю.

К. Застела докт. техн. наук проф. А. В. Квасников Редактор инж. Г. Ю. Яновский Зав. Редакцией инж. А. гт. Соколов ПРЕДИСЛОВИЕ В предлагаемой книге изложен разработанный автором метод расчета процессов сгорания топлива и истечения продуктов сгорания в жидкостных ракетных двигателях. Весь расчет основан на использовании обычного уравнения энергии, известного учащимся из курса аэродинамики. Описание предлагаемого метода сопровождается подробным изложением порядка расчета н примерами.

Помещенные в конце книги диаграммы (приложения Ч, 'Ч1 и ЧП) значительно ускоряют вычисления и могут быть полезны, особенно при ориентировочных расчетах. Если диаграммы окажутся полезными и найдут себе практическое применение, то возможно будет организовать расчет и построение подобных диаграмм для всех применяемых топлив ЖРД. Книга будет полезна не только студентам при изучении теории н проектировании жидкостных ракетных двигателей, но и инженерам, работающим в этой области. Автор выражает благодарность канд.

техн. наук доценту В. Е. Алемасову за его помощь при подготовке рукописи и за разрешение использовать таблицы (приложения 1, П, ! П и ГЧ), тщательно им пересчитанные и проверенные. Автор отмечает также работу лаборанта кафедры тепловых двигателей Л. В. Игнатьевой по оформлению расчетных диаграмм и иллюстрированию настоящей книги и выражает ей благодарность. Автор будет очень признателен лицам, приславшим свои замечания и пожелания по адресу: Москва, И-б!, Петровка, 24, ОБОРОНГИЗ. ВВЕДЕНИЕ Появление нового типа теплового двигателя — жидкостного ракетного — потребовало разработки новых методов теплового расчета, так как процессы преобразования химической энергии в тепловую, а затем в кинетическую в этом двигателе обладают некоторой специфичностью, усложняющей расчеты.

Теоретические температуры горения в этих двигателях значительно выше, чем в других типах тепловых двигателей, что объясняется использованием в качестве окислителей жидкостей, более богатых свободным кислородом, чем атмосферный воздух. Действительно, при теоретически необходимом количестве окислителя весовое количество продуктов сгорания 1 кг керосина округленно равно: при окислителе — атмосферном воздухе — 16 кг, при перекиси водорода — 8,5 кг, при азотной кислоте — 6,3 кг, при жидком кислороде— 4,5 кг.

Между тем, количество выделяющегося при сгорании тепла при различных окислителях почти одинаково. Вполне понятно, что при меньшем количестве продуктов сгорания они должны нагреваться до более высокой температуры. Высокая теоретическая температура горения вызывает весьма значительную диссоциацию в камере сгорания и частичную рекомбинацию молекул прн протекании газов в сопле, где при расширении температура газов понижается. Необходимость учитывать эти явления затрудняет проведение теплового расчета. С другой стороны, никаких принципиально новых явлений в тепловых процессах жидкостных ракетных двигателей не происходит, а следовательно, и весь тепловой расчет должен быть построен на основе общепринятых в теплотехнике положений.

В книге А. В. Болгарского и В. К. Щукина 1чРабочие процессы в жидкостно-реактивных двигателях», Оборонгиз, 1953) были изложены основы метода расчета тепловых процессов в ЖРД, построенного на общих положениях и понятиях теплотехники и тепловых двигателей. Настоящая работа представляет собой расширенное и подробное изложение метода расчета, являющегося логическим развитием общих тепловых расчетов и распространенного на новый тип теплового двигателя.

Основываясь на том, что все процессы, происходящие в камере сгорания и сопле жидкостного ракетного двигателя, представляют собой взаимопреобразования энергии из одного вида в другой (химическая — тепловая — кинетическая), автор в основу всей методики кладет обычное уравнение энергии (см. гл. Н); в этом уравнении из общего количества тепла Я он выделяет то тепло, которое было получено при сгорании топлива. В книге рассматриваются только наиболее простые, часто применяемые топлива, представляющие собой химические соединения в системе С, Н, 0 и И.

Распространение предложенного метода расчета на топлива других типов н построение расчетных диаграмм для других применяемых топлив представляет собой дальнейшую задачу. За основу изложения метода принят расчет на 1 лола горючего, Глава Т РАСЧЕТЫ ТОПЛИВА 1. ХИМИЧЕСКИИ СОСТАВ КОМПОНЕНТОВ Топливо жидкостных ракетных двигателей состоит из горючего и окислителя. Горючими обычно служат нли углеводороды или спирты; наиболее часто применяются керосин, этиловый и метиловый спирты. Окислителями обычно являются: азотная кислота, жидкий кислород или перекись водорода. В дальнейшем за общую химическую формулу горючего принимается С Н ОР, а окислителя Нг)4оО Си.

Если компоненты заданы химическими формулами, то их молекулярный вес вычисляется по формулам Рг = 12п+ т+ 16)т; (1) Р, = 6+ 14и+ 1бо+ 12гг. Пересчет на весовой элементарный состав производится по формулам Сг = — 100 огю 12л Рг Н, — 100 об, Рг О, = — 100 ог6 16р Рг и аналогично для окислителя Н,= ~ 100оо, Ро )Ч, = — 100%, 14гг Ро О, =* — 100 ого, 16о Ро С, — 100 ог6.

12д Ро (2) Если компоненты заданы весовым элементарным составом, т е горючее — С бб, Н М, О Ж, окислитель — Н,бб, О,бб, С,М, И,96, то пересчет на химическую формулу ведется следующим образом; число атомов водорода принимают равным процентному содержа- нию его в компоненте, а затем вычисляют количество атомов осталь- ных элементов, находящихся в компоненте. Таким образом, в горю- чем находится — атомов углерода, — атомов кислорода, а в окислнс, о„ 12 ' 16 теле — — атомов азота, — атомов углерода и — атомов кислорода; 1Чо С о. 14 ' 12 16 получаются следующие условные формулы: горючее — Сс„Нн „Оо„° 12 12 (14) окислитель — Нн,И «аОо, Сс.. 11 1б 12 При этом условный молекулярный вес получается равным 100.

Весьма часто компоненты топлива представляют собой не 10072 вещества, а разбавлены водой (например этиловый и метиловый спирты, азотная кислота, перекись водорода). Наличие воды в компонентах учитывается их концентрацией, выражающей процентное содержание чистого вещества в смеси его с водой, например, если концентрация перекиси водорода равна 801)ю это значит, что в 1 кг этого компонента имеется 0,8 кг чистой перекиси водорода и 0,2 кг воды. Если компонент должен быть выражен химической формулой, то удобнее и количество воды выразить количеством ее молей, приходящихся на 1 моль вещества.

Пусть концентрация вещества равна аЖ, а его молекулярный вес — н, тогда пересчет ведется следующим'образом: в 1 кг кома 100 — а понента находится — кг чистого вещества и кг воды; 100 100 на 1 кг чистого вещества приходится воды 100 — а б 100 — а кг1кг. 100 100 а 100 — а На 1 моль чистого вещества имеется воды 1б кг; выл ражая это количество воды в молях и учитывая, что молекулярный вес воды в,=18, можно получить: 100 — а 100 — б лб= 1б моль/моль. (5) а~а 182 Для компонентов, которые наиболее часто встречаются с концентрацией ниже !00%, значения пб даны в табл.

1. Таблица 1 Концентрация в те Молекуляр- ный вес Наименование компонентов 85 ~ 80 ( 75 70 95 90 0,135 0,284 0,451 0,094 0,198 0,314 0,184 0,389 0,618 0,099 0,209 0,333 При установленных выше обозначениях химические формулы компонентов, имеющих концентрации о,% и а,%, будут иметь вид: С„Н Ор т„Н,О и Н,И„О,Са т,Н,О, (6) где 100 — а„ 100 — аа 18аг !8аа Вес 1 моля компонента, имеющего концентрацию о'%, в дальней-' шем будет называться молекулярным весом компонента и обозначаться через р'.

При любой концентрации этот вес определяется следующим образом: р'=р+18т=р+18р = — ' кг1лгола. 100 — а 100а 18а а (7) В табл. 2 даны значения р' для наиболее часто встречающихся компонентов. Таблица 2 Молекулярный вес при концентрации а М Химическая формула Компоненты 95 90 85 75 100 80 70 Этиловый спирт Метиловый спирт Азотная кислота Перекись водорода 45,3 48,6 Для компонента, выраженного химической формулой, при концентрации его меньше 100% вычисление его весового элементарного состава ведется следующим образом. Пусть горючее задано химической формулой С Н Ор ° т,НаО. Этиловый спирт Метнловый спирт Азотная кислота Перекись водорода 46 32 63 34 с,н,О СН О Н1ЧОа Нто 46 32 63 34 48,4 33,6 66,3 35,7 51,1 54,1 35,5 37,7 70,0 74,1 37,7 40,0 О, 639 0,445 0,875 0,472 57,5 40,0 78,8 42,5 0,852 1,095 0,593 0,762 1,167 1,500 0,630 0,809 61,3 65,7 42,6 45,7 84,0 90,0 Общий вес 1 моля горючего 12п+тЧ-16р+18тг.

На основе формул (1) и (7) можно найти 12я + т + 16р + 18т, = р, + 18т„= р'„. Следовательно, весовой элементарный состав горючего (см. уравнение (2)) будет выражаться следующими соотношениями: Рг Н' = —,— "100об, г о' = 16(р+ ') ю086. гг (8) Аналогично для окислителя получается: С; = —, 100 об, 12а га Н' = с+2 ' Юооб, Ио (8') 16(о+ т,г) во Ы;=14", Юоою Ио Пример 1.