Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Принцип его устройства (рис. 11.65) аналогичен принципу сильноточного двигателя ~СТД), в котором ускорительный канал дополнительно окружен катушкой 2, создающей в зоне ускорения осесимметричное расходящееся магнитное поле. Катод 1 и анод 4 в данном случае также разделены прокладкой В. Плазма в данном двигателе ускоряется под действием сил тока. В отличие от ранее рассмотренных двигателей, в этой схеме электроны дрейфуют вокруг магнитных силовых линий, причем часть из них попадает на анод, а часть уходит вместе с ионами. Последнее является преимуществом торцевого холловского двигателя, так как отпадает необходимость в нейтрализаторе.
Конструктивно эти двигатели могут выглядеть по-разному в зависимости от реализуемого механизма ускорения или, точнее, в зависимости от преобладающего проявления того или иного механизма. Поэтому, не говоря об известном газодинамическом ускорении, возможно электростатическое уско- Глава 1 Ь Термодинамические циклы рение ионов за счет силы Ампера или тепловое расширение в магнитном поле. При электростатическом ускорении и использовании в качестве рабочего тела щелочного металла лития КПД двигателя доходит до 67%. 11.7.9.
Процессы в комбинированных реактивных двигвтелях. Комбинированные двигатели представляют собой комбинации различных типов ВРД или ракетных и воздушно-реактивных двигателей. Рассмотрим турбоирямоточный двигатель (ТПД), представляющий собой гибрид ТРД и ПВРД (рис. 11.66). Основными элементами данного двигателя являются входной диффузор ПВРД 1, входной диффузор ТРД 2„компрессор 3, камера сгорания ТРД 4, турбина д„механизм перекрытия прямоточного контура 6, камера сгорания ПВРД 7, выходное сопло Лаваля 8. Комбинация турбореактивного и прямоточного двигателей призвана расширить работу двигателя в большем диапазоне режимов полета: от М = 0 до М = 2 — 3 (оптимальном диапазоне ТРД) и от М = 3 до М = 4 (оптимальном диапазоне ПВРД). Очевидно, что в каждом диапазоне скоростей должен работать только определенный двигатель. Поэтому на малых скоростях полета, когда турбопрямоточный двигатель работает как ТРД, кольцевой тракт прямоточной части закрывается специальной заслонкой 6.
С увеличением скорости работают обе части, а на больших скоростях, наоборот, турбореактивный двигатель отключается, а работает только ПВРД. Комбинация ПВРД и ракетного двигателя получила название ракетно-прямоточного двигателя (РПД). В ракетно-прямоточном двигателе один из типов ракетных двигателей— ЖРД или РДТТ располагается внутри ПВРД, заполняя центральное тело диффузора. Схема РПД с ЖРД представлена на рис.
11.67, а, а в сочетании с РДТТ вЂ” на — — Э рис. 11.67, 6. Входной диффузор 1, центральное тело с Рис. 11.66 ракетным двигателем 2, ка- 884 11.7. Циклы реактиаиых двигателей 1 2 3 4 3 1 2 3 4 3 3 7 3 а) б) Рис. 11.67 мера смешения 3, камера сгорания 4, реактивное сопло б выполняются по единому принципу. Камера РД 6 и компоненты топлива 7 учитывают разновидность применяемого двигателя. В конструкцию РПД с ЖРД дополнительно включается баллон со сжатым газом 8. Промежуточное положение между ТРД и ЖРД занимает ракетно-турбинный двигатель — РТД (рис.
11.68). Сгорание жидких компонентов топлив в камере ЖРД в этой схеме организовано таким образом, что образуется большое количество продуктов неполного сгорания, т. е. фактически ЖРД превращен в жидкостной газогенератор. Температура в камере газогенератора 4 получается невысокой, и лопатки турбины Б не сгорают. Конструкция двигателя включает входной диффузор 1, компрессор 2, систему подачи топлива в жидкостной газогенератор 3.
Турбина, работающая на продуктах неполного сгорания ракетных топлив, получается компактной, небольшой по массе, с высокими энергетическими характеристиками. Образующиеся продукты сгорания догорают в основной камере сгорания 6 и в дальнейшем ускоряются в реактивном сопле 7. Необходимо отметить, что в последнее время все больше внимания уделяется комбинированным двигателям. Ряд зарубежных фирм разрабатывают различные варианты ракетно-прямо- точных двигателей, более эффективных при использова- 1 2 3 4 Б 3 7 Г нии на ракетах-перехватчиках, чем РДТТ.
У всех современных двигателей объем камеры сгорания ПВРД используется для размещения заряда стартового РДТТ. Рис. 11.68 335 25 — 5550 Глава 11. Термодинамические циклы 11.7.10. Процессы в гидрореактивных двигателях. В последнее время резко возрос интерес к двигателям, аналогичным ВРД, но использующим в качестве частичного источника массы и энергии не воздух, а воду.
Такие двигатели применяются при наличии водной внешней среды, что характерно для ракет, стартующих с подводных лодок. Двигатели, использующие в качестве окислителя воду, реагирующую с находящимся на аппарате другим компонентом топлива, называют гидрореантиеньиии (ГРД). Схема такого двигателя зависит от назначения.
Отличие ГРД совместного истечения (рис. 11.69) от ГРД раздельного истечения (рис. 11.70) заключается в том, что в двигателях первого типа тепловая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию смеси нагретых продуктов и избыточной воды, вытекающих из сопла двигателя 7 с большой скоростью. Избыточная вода непосредственно поступает в сопло через специальный вход 8. Рабочий процесс двигателя начинается с подачи воды через водозаборник 1, расположенный в носовой части, затем по водоводу подается к форсункам 4 камеры сгорания Б под действием скоростного напора. На этапе разгона срабатывает воспламенительное вещество (баллистический порох 3) без доступа воды, а затем гидрореагирующее топливо 2 вступает в реакцию с забортным окислителем — водой.
Дополнительное повышение давления после камеры сгорания 5 происходит в диффузоре. В ГРД раздельного истечения (см. рис. 11.70) тепловая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию только избыточной воды. Это обеспечивается тем, что продукты 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 11 70 Рис. 11.69 ЗВВ 11.8. Двигатели с внешними источниками энергии реакции твердого горючего 1 с забортной водой приводят во вращение турбину 4„на валу которой находится винт Б. Химическая реакция при р = сопз$ происходит в камере сгорания 2 после подачи туда воды через форсунки 3.
В качестве гидрореагирующего горючего используются щелочные и легкие металлы К, )ч)а, 1Л, Ыа, А), а также сложные гидрореагирующие вещества. Горючее можно использовать как в виде шашек, так и порошка. 1 1.8. Двигатели с внешними источниками анергии 11.8.1. Двигатель Стирлиига. Ранее рассматриваемые двигатели внутреннего сгорания построены так, что рабочий процесс в них происходит вследствие выделения теплоты непосредственно в самом ТРТ за счет химической реакции окислителя топлива, ядерной реакции, электромагнитных процессов.
В рассматриваемом двигателе, предложенном в 1816 г. Робертом Стирлингом, осуществляется подвод теплоты к ТРТ извне, в простейшем случае через теплопроводящую стенку цилиндра с поршнем. Если представить замкнутый объем с подвижным цилиндром (рис. 11.71), то при подводе теплоты извне рабочее тело будет нагреваться и поршень совершит рабочий ход. При отводе теплоты рабочее тело сжимается и поршень при отсутствии потерь возвратится в исходное состояние, завершая рабочий ход. Практическая невозможность частой смены температуры теплопроводящей стенки при подводе и отводе теплоты привела к необходимости для создания двигателя усложнить конструкцию и создать постоянные горячую Г и холодную Х полости (рис.
11Л2). В связи с этим рабочее тело во время цикла последовательно перемещается из горячей полости в холодную и наоборот. Перемещение рабочего тела, циркулирующего по замкнутому контуру в двигателе, обеспечивается вытеснителем и рабочим поршнем, движущимся по определенному закону. Так же как и в рассмотренных ранее двигателях, здесь сохраняется принцип сжатия ТРТ при более низкой температуре и расширения при более высокой, обеспечивающей прямой цикл теплового двигателя. Рис. 11.71 387 Глава 11. Термодинамические циклы Схема двигателя Стирлинга 8 представлена на рис.
11. 72. В цилиндре двигателя нахов ~ Ь с к1 дится определенное количест- 7. во газа, которое поочередно ;" В перепускается из пространства над поршнем под поршень и обратно, поочередно нагреваясь и охлаждаясь. Возвратно-поступательное движение О О поршня преобразуется во вращательное с помощью так наа зываемого ромбического мед Ь ! — + ханизма, состоящего из двух коленчатых валов, вращающихся в противоположных наРис.
1 1.72 правлениях. Из трех шатунов, установленных на каждой из шеек валов, два боковых соединяют вал с рабочим поршнем 2, в то время как средний соединяет его с перепускным поршнем 1. Положениям коленчатого вала а, Ь, с, д отвечают положения поршней, показанные на рис. 11. 72. В исходном положении а рабочее тело нагревается в трубках 6 от внешнего источника энергии Б. Рабочее тело, заключенное в цилиндре, расширяется и передвигает поршни 1 и 2 в нижнее положение Ь. Этот процесс а — Ь вЂ” рабочий ход двигателя. При вращательном движении коленчатого вала из точки а в точку Ь оба поршня движутся вниз и сближаются. Все рабочее тело будет находиться в верхней части цилиндра над поршнем.
При дальнейшем вращении вала, т. е. при переходе из положения Ь в с, пространство между поршнями начинает увеличиваться, горячее рабочее тело перетекает из верхней части цилиндра по трубкам б в регенератор 4, где отдает тепло, а оттуда в радиатор 3 и обратно в цилиндр, в пространство между поршнями 1 и 2.
Когда коленчатый вал перейдет из положения с в д, перепуск рабочего тела закончится и почти все охлажденное рабочее тело будет находиться внизу, между поршнями 1 и 2. Теперь поршень 2 начинает подниматься вверх и сжимать холодное рабочее тело, которое вытесняется через радиатор 3, нагревается в регенераторе 4 и 388 ! Ьв. двигатели с внешними источниками энергии в трубках нагревателя 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
