146989 (Двигатели летательных аппаратов), страница 2

Тяга двигателя регулируется при помощи регулятора кажущейся скорости, установленного на линии горючего, идущего в газогенератор. Этот регулятор получает информацию о текущей кажущейся скорости и сравнивает её с программной. Регулированием расхода рабочего тела через турбину, осуществляется управление оборотами ТНА. На линии расхода окислителя в КС расположен регулятор системы одновременного опорожнения топливных баков.

Наддув бака горючего в полёте осуществляется отбором газа после турбины и управляется клапаном 26, наддув бака окислителя осуществляется инертным газом (гелием) и управляется клапаном 29.

3.3 Останов двигательной установки

По команде на останов ДУ прекращается наддув баков, клапан 24 закрывается, прекращая подачу окислителя в ГГ. Горение в ГГ прекращается, рабочее тело перестаёт поступать на турбину, ТНА останавливается. Закрываются клапаны 7 и 8, прекращая подачу компонентов в насосы, так же закрывается клапан 24. Открываются пироклапаны 17 и 18 и в магистрали за насосами начинает поступать гелий, обеспечивающий дренаж оставшихся компонентов через открывшиеся клапаны 22 и 25 в окружающее пространство.

4. Тепловой расчет двигательной установки

Целью проведения теплового расчета является определение основных параметров рабочего тела в камере сгорания и на срезе сопла, определение основных геометрических размеров двигателя.

Тепловой расчет состоит из следующих частей – термодинамического и газодинамического расчетов.

Целью проведения термодинамического расчета является определение термодинамических параметров рабочего тела (температуры, состава, газовой постоянной) в заданных сечениях камеры сгорания.

Результаты термодинамического расчета камеры сгорания двигателя необходимы для проведения газодинамического расчета, при котором определяются основные характеристики двигательной установки (удельный импульс, массовый расход компонентов) и определяющие размеры камеры сгорания (диаметр критического сечения, диаметр среза сопла).

В настоящее время существуют таблицы результатов стандартных термодинамических расчетов, полученных для различных вариантов значений коэффициента избытка окислителя, давлений в камере сгорания и на срезе сопла. Результаты термодинамического расчета для заданных давлений и коэффициента избытка окислителя могут быть получены при помощи интерполяции значений, взятых из таблицы.

Выбор значения коэффициента избытка окислителя α в соответствии графиком функции I_уд(α) при заданных давлениях в камере сгорания P_К и на срезе сопла P_С. Критерием выбора значения α является максимальное значение удельного импульса I_уд.

При проведении данного расчета считается, что выбранное соотношение компонентов постоянно по сечению камеры сгорания. Однако, для улучшения условий охлаждения камеры сгорания, возле стенок создается пристеночный слой, в котором коэффициент избытка окислителя отличается от своего значения в ядре потока. За счет увеличения содержания горючего в пристеночном слое температура газовой стенки падает, что уменьшает конвективный тепловой поток, передаваемый стенке камеры. Продукты сгорания в пристеночном слое имеют иные термодинамические параметры, нежели в основном потоке. Соответственно, удельный импульс, создаваемый продуктами сгорания в пристеночном слое, будет отличаться (в меньшую сторону) от удельного импульса основного потока.

При проведении стандартных термодинамических расчетов считается, что вся энергия, получаемая в результате сгорания топлива, переходит в кинетическую энергию частиц истекающих газов. При этом не учитывается энергия, затрачиваемая на привод предкамерной турбины. Однако величины потерь составляют небольшую часть от общей термодинамической энергии рабочего тела и не могут быть оценены до проведения расчетов параметров предкамерной турбины.

По результатам проведения расчетов предкамерной турбины, влияния пристеночного слоя, параметры двигательной установки могут быть скорректированы, что потребует повторного проведения теплового и всех последующих расчетов.

4.1 Термодинамический расчет КС

Термодинамический расчёт КС со схемой с дожиганием производится в несколько этапов.

В начале находятся параметры в газогенераторе. Горение в газогенераторе осуществляется с большим избытком горючего, температура не должна превышать 1100º К. при такой температуре продукты сгорания находятся в неравновесном состоянии, а следовательно, рассчитать их параметры по обычной методике невозможно. Для восстановительного газогенератора на фторе и водороде в [4] приведены следующие экспериментальные параметры: α=0,06, R=2052, Т=1051º К, n=1,386, С_р=2154 кДж/кг*ºК (выбор произведён для наименьшей температуры).

На втором этапе проводится ряд приближённых расчётов по схеме без дожигания при заданном значении давления и найденных с учётом поправки на давление значениях энтальпии компонентов. Значения энтальпии находятся по формуле:

Полная методика определения энтальпии изложена в [1].

где – энтальпия компонента при заданной температуре, – давление в камере сгорания.

С учётом этих поправок энтальпии будут равны:

Выбор предварительного значения α производится по наибольшему значению произведения (RT)_кс. Выберем α=0,24

На третьем этапе производится серия уточняющих расчётов для схемы с дожиганием. Для этого зададимся значениями:

где – потери от насосов до ГГ, – потери от ГГ до КС, – КПД насосов и турбины.

Далее рассматривается баланс мощностей насосов и турбины:

где – давления на входах в насосы.

Задаваясь значениями , построим графики и определим их пересечение.

После этого найдём , сработанную на турбине:

Определим новую энтальпию генераторных газов после срабатывания на турбине и реальный состав (условную формулу) горючего, поступающего в КС.

Далее проводится повторный термодинамический расчёт параметров в камере сгорания и находится новое оптимальное значение α_кс, после чего оно сравнивается с предыдущим. Если:

то примем новое значение α_кс как искомое, в противном случае уточняющий расчёт проводится заново, с новыми параметрами.

После получения α_кс проводится расчёт истечения по каналу при известном значении n и находятся параметры на срезе сопла.

Полученные данные приведены в таблице 2:

Результаты термодинамического расчета Таблица 2

Расчёты проведены в программе «Термодинамика».

4.2 Газодинамический расчет КС

Целью газодинамического расчета является определение параметров истекающего газового потока в характерных сечениях КС, удельного импульса ДУ основного блока, геометрических размеров критического сечения и среза сопла.

4.2.1 Газодинамический расчёт идеального канала

1) Расчет термодинамических величин в канале и на его срезе.

Наедем газовую постоянную:

где R₀ = 8314 Дж/моль·кг - универсальная газовая постоянная;

Определяем удельный объем:

По результатам программы «Термодинамика»:

Показатель процесса:

2) Расчет параметров критического сечения:

Степень расширения в критическом сечении канала:

Определим скорость потока в критическом сечении канала:

Удельный объём продуктов сгорания:

Находим удельную площадь критического сечения:

3) Расчет параметров на срезе сопла:

Определяем степень расширения на срезе канала:

Скорость потока на срезе канала,

,

По результатам программы «Термодинамика»:

Определяем удельную площадь сопла:

Геометрическая степень расширения сопла,

4) Расчет параметров двигателя:

Найдем удельный импульс на земле:

Расход топлива:

Определяем удельный импульс в пустоте:

Найдем тягу в пустоте:

Площадь критического сечения и среза сопла:

Определим расходный комплекс и коэффициент тяги:

4.2.2 Газодинамический расчёт реального канала

1). Расчет коэффициентов потерь

Коэффициент, учитывающий потери, связанные с недогоранием топлива: φ_к=0,97.

Коэффициент, учитывающий потери на рассеивание потока: φ_α = 0,992 для α_с=10º - угла полураскрытая сопла канала.

Коэффициент, учитывающий все остальные потери в закритической части канала: φ_w^∞ = 0,98.

Коэффициент, учитывающий потери в закритической части канала в пустоте, φ_с^∞: