Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А. (1014157), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Природа этих потерь была рассмотрена в главе 1! Чтобы обеспечить высокую экономичность ~КРД, необходимо свести этп потери к минимуму и организовать процесс истечения газа из сопла с максимальным показателем его качества (максимальным оо). Кроче того, для улучшения весовой характеристики двиГателя необходимо создавагь с~!пз!а с напменыпим габаритом н весом. Поскольку основныс размсрь! сопла (г1к, !тир и с(и) уже определены, дальнейшая задача заключается в том, чтобы найти профиль сопла, удовлетворяюший двум основным требованиям: максимуму ос и минимуму веса. Рассмотрим некоторые из методов профилирования сопел ЖРД.
Конические сопла Конические сопла выполняются с пошоянными углами раствора входного (дозпукового) и выходного (сверхзвукового) участков сопла. Основным проектным параметром ьониче. ских сопел является угол раствора 25 выходного конуса. ('с йИ д!'2 !г мгагьга згза гд Рис. 4.2. Зеиисимость Ое от ДВ дли коиических сопел Очеш!дно, что кошшеское сопло с заданной степенью расширения газа (пли с заданным значением 1,) должно иметь некоторый оптимальный угол 23, при котором суммарные потери удельной тяги минимальны. Действительно, при уменьшении 25 потери па непараллельность уменьшаются, а потери на трение увеличиваются (из-за увеличения длины сопла), и наоборот. На рис.
4.2 изображена экспериментально установленная зависимость коэффициента ч!, от угла раствора 23 конических сопел. Видно, что для этих сопел оптимальное значение 2й составляет 20 — 25'. Коэффициент ис у конических сопел с оптимальным значением 2(1 равен 0,96 — 0,9? [31.
205 Сопла с криволинейным контуром Конические сопла целесообразны только при малых степенях расширения газа ( — н < 50), так как прн больших сте- ~ Рп пенях расширения газа длш~а (и вес) таких сопел становятся непомерно большими. В современных камерах рсалпзук~тся спспснп расшпрсася 200 — 500 и более. Поэтомэ их сопла вьшолиякггся, как правило, профилированными, т.
с. с криволинейным контуром сверхзвуковой части, Профилирование заключается в том (рис. 4.3), что соответствшощим выбором контура сопла по- Рнс. 4.3. Конто ри н ~нппесного и профнпсро. аанпосп сопел ток газа застав пякп сначала быстро распшряться (уско. ряться) сразу же после прохождения им критического сечения, а в дальнейшем плавно сводят к минимуму отклонение от оси периферийных струй газа, умсныпая потери на непа. раллельность истечения.
Для это~о начальный участок у профилированных сопел выполняют с углом конусности, большим, чем у конических сопел, а затем этот угол постепенно уменьшают до значений, меньших, чем у конических сопел. Преимущества профилированных сопел по сравнению с коническими состоят в том, что они при одинаковом габарите (длине и Га) имеют меньшие потери удельной тяги на непараллельность истечения (более высокий ср,) или при одпнако. вых потерях — меньшую длину и вес. Профиль сопла, обеспечивающего полностью равномерный и параллельный осп спектр скоростей газа в выходном сечении, находится сложным и трудоемким методом:сарактсристик, изложение когорого выходит за рамки данной книги.
Причем методом характеристик строится только сверхзвуковая часть профиля сопла. Входная (дозвуковая) часть сопла обычно сопрягается с выходной дугой окружности, радиус которой равен (или больше) диаметру критического сечения. Заметиэм, что, для того чтобы получить в выходном сечении 206 идеально однородный поток газа, требуется сопло большои длины, А это значит, что сопла с полностью равномерным и параллельным спектром скоростей газа в выходном сечении ие являются самызш лучшимп, так как они имеют большую длину, а слсдовагсльно, большой вес и значительные потери на трение. Исследования показали, ч~о некоторая неравномечность поля скоростей газа в выходном сечении сопла не отражается существенно на величине удельной тяги, но зато позволяет значительно сократить длину (и вес) сопла.
Эти укороченные профилироваиные сопла имеют оптимальный угол раствора на срезе й~,,ьь при котором суммарные потери удельной тяги минимальны. Контур таких «оптимальных» сопел можно получить следую~ням образом. Вначале методом характеристик необходимо построить профиль сопла с полностью равномерным и параллельным истечением, но с заведомо большим выходным сечением. Затем это исходное сопло надо обрезать в том сечении, где касательная к профилю образует с осью сопла угол 3,. „,. Но так как помимо угла рв,„, надо обеспечить и заданную плошадь выходного сечения (заданную степень расширения газа), то необходимо строить целый ряд исходных сопел, прежде чем будет найдено нужное, Однако рассчитать и построить профиль сопла методом характеристик — задача трудоемкая.
Поэтому иа практике отыскивается пе точный, а приближенный профиль сопла, обеспечивающий малый габарит и малые потери удельной тяги. Существует несколько методов приближенного профилирования коротких осесимметричных сопел. Одни нз пих обеспечивают заданный коэффициент тяги при минимальной длине илп поверхности сопла, другие — максимальный коэффициент тяги при заданной длине и геометрической степени расширения сопла. Основное в этих методах состоит в том, что крайняя линия тока, по которой очерчивается профиль исходного сопла (рассчитываемого методом характеристик), заменяется близкой к ней кривой второго порядка (например, параболой или дугой окружности).
Такая замена позволяет аналитически увязать параметры исходного и укороченного (полученного обрезанием исходного) сопел и дает возможность получить зависимости, необходимые для того, чтобы построить приближенный контур. Ниже приводится предложенный Г, Рао метод построения контура профилированного сопла, обеспечивающего максимальный коэффициент тяги при заданной длине 1ч закритической части сопла и геометрической степени расширения ),.
Согласно этому методу околокритическая часть контура сопла образуется дугами двух окружностей (рпс. 4.4), радиусы которых г1 и гз равны соответственно 1,5 ги и 0,45 гизи Контур же закритическои части сопла очерчивается параоолой, которая проводится по двум известным точкам М и В и по известным углам накло- 207 на ))„и 8„касательных к ней в этих ~очках. Значения углов и р, являются функциями двух безразмерных величин г,/гкв и 1,/г„в (рис. 4.5). Для построения контура сопла необ- ХОДИЛ1О.
Хч Рис. 4.4. Построение контура профилирован. ного сопла 1. По графикам зависимости 5и и 5а от га/гкр и 1с/лги (рис. 4.5) определить оптимальные для рассчитываемого сопла значения этих углов. 2. 11а оси сопла наметить произвольную точку О, из которой восстановить перпендикуляр к осп, отложить на нем отрезок 00,.=2,5 г„р и провести из точки О, дугу радиусом О,Л =г~=!,5 ги .
1'д 1 ар 1с б б 1О Ч И 1Б 1б глр Рис. 4.5. Оптимальные з нач енин у гл ов Ри и р„ у проф нл и р о в анны х сопел 208 3. Иа прямой 001 от точки 4 пересечения этой зг и с прямой 00, отложись вверх о~резок ЛОг««гг=-0,45 гкр Из точки Ог радиусом гг очертить начальный участок закритической части сопла. 4. Из точки Ог под углом ~я к прямой 00~ провести линию до пересечения с этой дугой в точке М. Очевидно, что гочка М является началом параболы МВ, так как < АОг И= -'„МКО (углы со взаимно перпендикулярными сторонами). 5.
От точки 0 отложить 1„, восстановить из точки С перпендикуляр и определить положение точки  — второй (конечной) точки параболы МВ (СВ=г„). б. Соединить точки М и В отрезком параболы. Заметим, что графики зависимости углов р„, и р, от „— '"— и 1« — — соответствуют среднему показа1елю нзозптропы ра,.- г«р ширения л|-— — 1,23. От величины л~ гуин с)врнно зависит профиль сопла. Поэтолзу в ответственных рас ~агах для отыскания оптимального контура сопла надлежит руководствовать-. ся специальными методами.
$4.3. РАСЧЕТ ФОРСУНОК Н ГОЛОВОК Исходными данными для расчета системы впрыска являются секундные расходы компонентов топлива (Ор и О„,), соотношение между компонентами в ядре потока и в прпстсночном слое (Й„и йр,), а также относительный расход топлива в пристеночный слой шь ч и диаметр камеры г1,. Все этн величины к началу расчета системы впрыска уже известны: 6„, 6«я и с(„из газодинамнческого расчета камеры; й„, гг'„, и пт„, из расчета системы охлаждения. Проектирование системы впрыска состоит в выборе типа головки, т, е.
вида, количества и взаимного расположения форсунок, и в расчете форсунок. Выбор типа головки и схемы расположения форсунок В современных двигателях наибольшее распространение получили головки с плоским огневым впишем. В сочетании с цилиндрическими калгерами сгорания они обеспечивают высокую однородность полей расходонапряженностн и соотношения компонентов л по поперечному сечению камеры, требуемые параметры газа в пристеночном слое и имеют простую конструкцию. Их недостаток (малую жесткость) можно устранить, установив специальные подкрепления, В--даач обй П > типу распыдиваюших устройств различают форсуночные, струйные и сссссз пыс головки, а также головки смешанного м>па. Форсуночной называют головку, набранную из центробежных форсунок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
