Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А. (1014157), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Область Рп//т,)1 соответствУет Режимам Работы с пеРе- расширением газа в сопле. На этих режимах работы удельная тяга двигателя с постоянным соплом всегда меньше, чем на расчетном режиме (коэффициеит ~з„р<!). Заметим, что дзига~ели с малымн степенями расширения газа более чувствительны к отклонению режима работы сопла от расчетного (прп малых Ро/р, графики зависимости фнр от Ра/ра имеют ббльший угол наклона саар к оси абсцисс).
Практическое значение этого вывода состоит в том, что прп низких давлениях в камере тяговые характеристики двигателя оказываются гораздо чувствительнее к — правильному выбору геометрпРв Ри рл ческой степени расширения сопла /„чем при больших. Это объясняется тем, что прн малых рз отрицательный члсп тяги г=- Р„Е, является относительно большой величиной по Рнс.
2Л7. Зазванность казффн- сравнению с реактивной сипнента р„от велювны —" прн лой /с, С повышением Р отпо- лз Рс различных степенях расшнреннн сительная величина г убывает газа в сопле и ее влияние на тягу и удель- ную тягу уменьшается. Следует также иметь в виду, что коэффициент <рар не играет существенной роли в проектных расчетах камеры двигателя, так как давление в камере, давление на срезе сопла, соответствующие им геометрическая степень расширения сопла /, и нерасчетность режима работы Рп/р, выбираются из других соображений (см. главу 1Ч). Поэтому формула (2,78) используется обычно для оценки внешних потерь удельной тяги уже спроектированной камеры.
Это уменыпение оценивается коэффициентом внутренннт потерь удельной тяги теуд.ээс эн тэ уд, теОр (2.79) Чтобы проанализировать внутренние потери удельной тяги и определить величину ср,„, используют зависимость гуд = К„7„ !3! которая удобна тем, что каждый из сомножителей ее правой части характеризует в отдельности работу одной из двух основных частей камеры двигателя — камеры сгорания и сопла. Нам уже известно из й 2.2, что совершенство работы камеры сгорания характеризуешься удельным импульсом давления !л, а качество работы сопла — коэффициентом тяги в пустоте Кто Этими величинами, т.
е. 1р и Кко удобно пользоваться еше и потому, что они легко и просто определяются как расчетом, так и экспериментально. Сравнивая же теоретические значения !„и К, с опытными, можно оценить потери удельной тяги в камере сгорания и сопле по отдельности и тем самым определить направление работы по уменьшению этих потерь, т. е, по повышению удельной тяги ЖРД. Потери удельной тяги вследствие неполного сгорания топлива. Сгорание топлива в камере двигателя может быть неполным как вследствие простого выброса из ее пределов некоторой части капель горючего и окислителя (механический недожог), так и неравномерного распределения компонентов топлива в поперечном сечении камеры сгорания (химический недожог) . Сущность химического недожога состоит в том, что в каждой точке поперечного сечения камеры топливо сгорает не при оптимальном соотношении между компонентами, и, следовательно, его химическая энергия преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания не с той полнотой, которую можно было бы ожидать прп данных условиях ведения процесса.
Механический недожог возникает в том случае, если неправильно выб>раны размеры камеры сгорания. Химический же недожог, наоборот, свойствен ЖРД, поскольку никакая система впрыска не у>оже> обеспечить в поперечном сечении камеры идеально равномерного поля соотношения компонентов й, а также из-за наличия пристеночного слоя, сознатель. но обогацшпного одним пз компонентов топлива для тепловой зд>ц>тры с>инок камеры.
! !рн пот [олином расходе >пплпва его неполное сгорание, вызванное лнобым видом недожога, сниукает давление и температуру продуктов сгорания 1по сравнению с теоретическими значениями этих параметров), а следовательно, уменьшает удельный импульс давления и удельную тягу камеры. Для количественной оценки потерь удельной тяги вследствие неполного сгорания топлива используется коэффициент полноты .щвления рр: (р экс (р теор Действительно, прпба = сонэ( и без учета потерь в сопле 1К„= сопэ1) (туа. энс, нс (тн(рэка ((уа, теор (т н(р теор где (суд, „„„, — действительная удельная тяга двигателя в пустоте при неполном сгорании ~оплива (без учета потерь в сопле).
Тогда (тук. экс. нс (р экс = — = Ф (рун, теор (р теор 12.80) Таким образом, по величине рр можно судить об изменении удельной тяги, вызванном только неполным сгоранием топлива. Напомним, что при определении ср экспериментальное значение ( должно вычисляться по данным измерений р„о,к, 6т и г'„р при огневых испытаниях двигателя, т. е, Ра эксркр ~ок. экс + ~т. экс (р эна Теоретическое же значение (р должно либо определяться термодинамическим расчетом при ро=роана и соотношении компонентов й = й,„, = ' "' без учета каких-либо потерь, либо заимствоваться из таблиц, в которые сводятся результаты подобных термодинамических расчетов. Отмеп1м также, что при нахождении срр все величины, определяющие его значение, всегда с высокой точностью измеряются при обычных огневых испытаниях двигателей, Следовательно, чтобы установить срр, не требуется постановки никаких дополнительных экспериментов и измерений.
132 Потери удельной тяги в сопле Потери удельной тяги в сопле обусловлены: — трением газа о стенки; — наличием у газа радиальной составляющей скорости на срезе сопла, т. е. непараллельностью оси камеры векторов скоростей газа; — возникновением завихрений и скачков уплотнения; — передачей тепла через стенки в окружающую среду; — неравновеспостью процесса истечения (отклонением состава и па. раметров газа от их равновесны: зца ~сннй). т гттгЛ Мпогочнслснцыс тсоре- / тическис и экспернмен.
Ц тальиые исследования по- уэ казали, что в ЖРД потери удельной тяги, вы- Ргггдх званные передачей тепла в окружающую среду, Х незначительны и ими мож- к но пренебречь. Потери рис. алв, 1С определению величины Р„, удельной тяги, обусловленные отклонением состава и параметров газа от их равновесных значений, соизмеримы с другими видами потерь только у коротких сопел (сопел с малым отношением Р,/Р,р). Эти потери трудно определить. Таким образом, основными причинами потерь удельной тяги в соплах являются трение, непараллельность истечения и скачки уплотнения.
Потери удельной тяги из-за трения. Силы трения между газом и с~виками сопла возникают вследствие вязкости газа. В сумме они дают равнодействующую Р,г, направленную противоположно тяге 1рис, 2.18) и равную Р,р — — ~ т2кгЛ соз ~, (2.81) О Им ~ где т= л~ — ~ — напряжение трения у стенки; лу (т=г т, — коэффициент динамической вязкости газа; ига ~ — — градиент скорости газа у поверхности нк (х=Г сопла; т2ягЛ сов 8 — направленная вдоль оси сопла составляющая силы трения, действующей на элемент поверхности сопла длиной Л.
138 Как видно из формулы (2.81), для расчета Р„необходимо знать изин нонне -. по длинь сопла. Теория пограничного слоя позволяет установить функцию т=-т(1), Исследования этой функции, проведенные различными авторами, показали, что Р„слабо зависит от природы топлива, режима работы камеры, формы и размеров докритической части и формы закритической части сопла. Велггчина Ртп в основном зависит только от длины закритической части сопла. Чем длиннее закритическая часть сопла и выше температуи'а аг ра газа у стенки, тем больше Р„и тем больше по~ври удельной тяги. Количественно потери удельной тяги из-за тре- да ния оцениваются коэффиРис.
2лз. К опредеаеипю потерь удетгь- циентом гртр, равным аой тяги аа непараллельность истечепия ношению удельной тяги в пустоте при наличии трения к теорепшескому значению удельной тяги в пустоте, т. е. Р (2.82) уд. теор У современных ЖРД гр,р=0,98 —:0,99. Потери удельной тяги из-за непараллельности истечения. Формулы (2.12), (2.42) и др., которые определяют тяговые характеристики двигателя, справедливы только в том случае, если на выходе из сопла поток газа движется параллельно оси на~меры со скоростями частиц, одинаковыми во всех точках выходного среза. Такое истечение реализуется лишь в специально спрофилированных соплах, имеющих на конце цилиндрический участок.
Эти сопла оказываются очень длинными и имеют большие потери на трение. На практике, для того чтобы сократить габариты и веса камер, применяют сопла с коническим участком на конце. При истечении из таких сопел удаленные от оси элементарные струйки газа имеют не только осевую скорость ш,и, но и радиальную цга, (рис. 2.!9). Радиальные составляюшие скорости тяги не создают, но на их развитие затрачивается некоторая доля энергии газа, что и является причиной потерь удельной тяги. Количественно эти потери оцениваются коэффициентом гр„которыйг аналогично коэффициенту дгтр равен отношению удельной тяги в пустота при непараллельном истечении к теоретическому значенггнт удельной тяги в пустоте, к е, м ие (2.8:6 уд, ееор 134 Значение ч>, зависит главным образом ог величины угла 2ра [рис.
2.19) закритической части сопла и поддается теоретическому расчету *. Приближенно >ра = 2 (1 + соз Вк) = соз' 2' (2.84) Потери удельной тяги из-за скачков уплотнения, Скачки уплотнения и вызываемые ими потери удельной тяги обусловлены в основном неправильным подбором контура и невысокой чистотой обработки поверхности стенок закритической части сопла. Контур закритической части сопла должен выполняться строго по граничной линии тока.
Если это условие не соб>людается, то сверхзвуковой поток «натыкается» на стенку [как при обтекании клина) и тормозится. Аналогичное явление происходит при наличии шероховатостей, заусенцев и других дефектов обработки поверхности стенок закритической части сопла. При торможении сверхзвукового потока в нем неизбежно возникают скачки уплотнения, которые вызывают потери удельной тяги, так как прн их наличия поток газа вытекает из сопла с меньшей средней по сечению скоростью (но с ббльшими температурой и давлением).
Такое сопло преобразует в кинетическую энергию меньшую долю полной энтальпии газа, чем сопло без скачков, и потому является невыгодным [оно работает с меньшим термическим КПД). Величина потерь удельной тяги из-за скачков уплотнения оценивается коэффициентом грек, равным отношению удельной тяги в пустоте при наличии скачков к теоретическому значен:по удельной тяги в пустоте, т. е. >суа, ск уск г> уд. >сор но теперь уже при условии, что постоянным является удельный импульс давления (7р — — сопз1), поскольку величина >р * Вывод фг>рмулы для ч» имеется, например, в рабпге [З[. 138 Определить расчетом потери удельной тяги из-за скачков уплотнения очень трудно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
