Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Как мы видим из выражения (1, 20), степень расшире ння б при заданных топливе (т. е. Рз низ) и Уши Ренин сопла Тз не Рис 1.8. Зависимость Цзз=11 —, и„, зависит от изменения дав- 1 Р пения в камере сгорания. Соотношения (!. 20) — (1. 25), очевидно, справедливы не только для определения параметров на срезе сопла, но и позволяют определить Риз/Р, М (илн в), дзз!д в любом сечении сопла с 7=Яви. ИспользУЯ Указанные соотношения, можно определить изменение р, ы, о, Т по длине сопла. На рис. 1.
8 приведены графики изменения ушнрения в зависимости от отношениЯ Рзз/Р и изэнтРопы РасшиРениЯ и„,. На рис. 1. 9,а представлены дроссельные характеристики, построенные по уравнению (1. 27) для двигателей с различной степенью расширения и на рис. 1. 9, б — для двигателей, работаюших у земли (Р„=Р,) и в пустоте (Р„=О).
При значительном уменьшении расхода по сравнению с расходом на расчетном режиме произойдет отрыв потока от стенок г и Р Р)гд и Руд ул Рея Р Рул Ри е) Рр Рис. 1. 9, Характеристики ЖРЛ: а, б — дроссельные характернстнкн тяги (Р=)(0)); е, г — дроссельные характеристики удельноа тяги (Р =1(О)). д, е — еысотные характеристики уд сопла (см. $ 2. 7)'.
В этом случае уравнение (1. 27) не будет справедливым и действительная характеристика пойдет в начало координат, как показано пунктиром. Дроссельная характеристика изменения удельной тяги получается из формулы (1. 27): Р„= — + — 8р — — . игз Гз о УзРн у ар При работе двигателя в пустоте (Р,=О) кр (1. 28) (1. 29) 18 т.е. удельная тяга в пустоте не зависит от расхода. На рис. 1. 9, в, г показаны дроссельные характеристики Ртх — — [(Б) и Р „,=[(6) для двигателей с различной степенью расширения и для двигателей, работающих на разной высоте.
Зависимости тяги или удельной тяги от высоты полета (в ы с от н а я х а р а к т е р и с т и к а) определяются непосредственно по формулам (!.1) или (1.4), в которых с изменением высоты изменяется только р„. Из сопоставления этих формул видно, что характеристики тяги и удельной тяги по высоте отличаются только масштабом (рис. 1. 9, е). Высотные характеристики тяги или удельной тяги по высоте работы для двигателей с различными уширениями показаны на рис. 1. 9, д. ПЗ. СИСТЕМЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОТЕРЬ. РАСХОД ТОПЛИВА И ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ СОПЛА Системы коэффициентов для оценки качества процессов в ЖРД Для оценки качества протекания процессов в ЖРД можно использовать либо коэффициенты полезного действия, оценивающие совершенство преобразования исходной энергии в полезную работу, либо коэффициенты, оценивающие потерю удельной тяги (импульса) вследствие некачественного протекания процессов преобразования энергии.
В первом случае это будут так называемые э пер ге т ич ее к не коэффициенты (КПД), во втором — импульсные коэффициенты. В зКРД более распространены импульсные коэффициенты, рассматриваемые ниже. Энергетические коэффициенты подробно освещены в работах [14), [25).
Если обозначить Ф коэффициент потерь удельной тяги, то действительную удельную тягу можно определить как Р =рР (1. 30) Потери удельной тяги в общем случае определяются потерями в камере, в сопле и на тепловое сопротивление,'которые мы будем оценивать соответственно коэффициентом потерь в к а мере ~р„, коз фф н ци ентом сопла ~р, и коэффициентом потерь н а т е и л о в о е с о п р о т и в л е н и е Ф„, так что Т = ТКТСТте Выше мы отметили два основных параметра, определяющих процессы в камере сгорания и в сопле: комплекс р и К .
Отличие действительного значения комплекса рх, полученного на основании опытных данных по формуле (1. 9), от рассчитанного по уравнению (1.!О) свидетельствует о некачественности организации и протекания процессов в камере сгорания, т. е. о потерях в камере сгорания (подробно см. $3. 6). Таким образом (1.
32) Если при сравнении расчетного и действительного значений комплекса р действительный, расход установить равным расчетному и расчет р проводить при действительном значении )„р, т. е. принять Од= 6 и [„р — — („р, то Таким образом, 22„ характеризует величину потерь давления вследствие некачественности процессов. Поэтому ф„часто называют к о э ф ф и ц иентом полноты давления. Подставив в уравнение (1. 32) значения (2 по формуле (1. 10), по- лучим Ь'!г Т ). хх /— откуда, принимая атгн=йг, 2х 2 у 'К' (1.
34) (1. 35) аг» ='сссфн. Общие потери в камере сгорания находятся в пределах ~р,=0,95 —:0,99. Потери в сопле определяются как отношение действительного значения коэффициента тяги в пустоте Кнзь определенного на основании результатов опытных данных по формуле (1.17), к теоретическому, рассчитанному по формуле (1.15): до.а Кн Онн в общем случае складываются из потерь на рассеивание потока (арр„), на трение (ср,р), входных (ар,„), на неравновесность процесса расширения (ср„,р), на неадиабатичность (рр,х„), а также нз потерь, связанных с наличием пограничного слоя (рр,р ), и потерь прн расширении двухфазного потока (срф). Таким образом, ссс аррас'Ртрсаавхсснсртохарсрнссф (1.
37) (Подробно см. ф 2. 2). Потери на тепловое сопротивление имеют место только прн скоростной камере сгорания. Расчет их приведен в работах (2), [1101 Для изобарической камеры сгорания ар сон=!, и тогда выражение (1. 3!) примет внд (1. 38) ф = срхсаос. ОпРеделение Расхода топлива и площадей сечений сопла г„р и га Рассмотрим, как определяются с учетом потерь расход топлива и площади критического и выходного сечений сопла (1„р и 12) при заданной тяге, известной из теплового расчета удельной тяги Р, и заданных или известных коэффициентах потерь ар„и срс.
Теоретический, т. е. без учета потерь, расход топлива 6= Р,х (1. 39) 20 ФОрМуЛа (1. 34) ПОЗВОЛяЕт Прн ИЗВЕСТНОМ ИЛИ ЗадаННОМ Ча„нрнбЛИЗнтЕЛЬ- но оценить уменьшение расчетной температуры в камере сгорания вследствие потерь в ней. Потери в камере складываются из двух видов потерь: потерь на неполноту сгорания вследствие некачественного протекания процессов превращения топлива в продукты сгорания (см. 9 3.1) (эти потери не поддаются точному учету, обычно определяются экспериментально и характеризуются коэффициентом неполноты сгорания ср„); потерь на неравномерность распределения по сечению камеры соотношения компонентов и расходонапряженности, выражаемых коэффициентом неравномерности ар„.
Таким образом, Действительный, т. е. с учетом потерь, расход топлива, необходимый для обеспечения заданной тяги, О,=— (1. 40) т~'рз Из выражений (1. 39) и (1. 40) получаем соотношение между действи- тельным и теоретическим расходами топлива: О„= —, (1. 41) т. е. для получения заданной тяги необходимо подавать больше топлива, чтобы компенсировать потери. ТеоРетическаЯ площадь кРитического сечениЯ 7к опРеделЯетсЯ из формулы (1. 9) Ук 6р кр (1. 42) Действительная площадь критического сечения ~крд с учетом уравнений (1. 32) и (1.
41) Оказ аЗтк ГУР тк к «р з Ра тРр Рз тктс или 1 Укр к = Укр тс (1. 43) 0 Уа= ~рта (1. 44) бз Уаз = арззуаз (1. 45) Найдем приближенную связь между )а„и 7а. Согласно уравнению (1. 30) (1. 46) тва к = 'с паз На основании уравнения состояния таз Йата Та (1. 47) та (Йатз)з Так Так как и — 1 кз к — 1 кз Та=Та ( ); Так=Так ( ) 21 Это значит, что площадь критического сечения необходимо увеличивать только для того, чтобы пропустить через него дополнительный расход топлива, компенсирующий потери в сопле, дополнительный же расход топлива, идущий на возмещение потерь в камере, увеличения ),р не требует. Определим площадь сечения сопла на срезе. Согласно уравнению Расхода теоРетическое значение 7а и действительное 7а, соответственно будут равны: то в соответствии с равенством (!. 34) т, т = т' т,=т, Подставляя в выражение (1.45) значения 6„, ыз„и уз„из соотношений (1.
41), (1. 46) и (1. 47), с учетом равенства (1. 48) получим ~ 2 2 (1. 49) ттвзуз (т~т~) Мы видим, что влияние потерь сказывается на увеличении ~ах более резко, чем на увеличении (,р . Причина этого заключается в том, что на величину ~з„, кроме увеличения расхода, влияет также уменьшение действительной скорости ызд по сравнению с вм СОПЛА ЖРД В сопле камеры двигателя происходит расширение и разгон продуктов сгорания, т.
е. превращение тепловой энергии, получаемой в камере сгорания, в кинетическую энергию движения газов. От качества работы сопла, его экономичности и веса зависят качество и вес всей двигательной установки. 2. Е ТИПЫ СОПЕЛ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ В настоящее время применяются или исследуется возможность применения следующих основных типов сопел (рис.
2. 1): конические, профилированные и сопла с центральным телом. «ругльуг сопла а) 1)) )г Сопла с ценлтральньуьу пуелоуау кр кр г) 4 е) ьт) Рис. 2. Е Типы сопел ЖРль: о — коническое; б — профнлированное; в — с уклоны» входам; а-кольцевое; д — с полным внешним расширением; е — с частичным внутренним расширением; ис — тарепьчатое со свободным внутрен. ним расширением Конические и профилированные сопла К о н и ч е с к и е с о п л а имеют закритическую часть в виде конуса с прямой образующей (рис.
2. 1, а). Они наиболее просты в изготовлении н широко применялись в ракетных двигателях, 23 По экономичности работы, т. е. по величине потерь, и весовым характеристикам они уступают профилированным соплам и в настоящее время почти полностью вытеснены ими, находя применение только в некоторых двигателях малых тяг. Профилирова нные сопл а имеют образующую закритической части, выполненную по кривой, совпадающей с линией тока (рис 2.
1,б, в). В настоящее время это самый распространенный тип сопел ЖРД. Различают профилированные сопла с плавным входом в закритическую часть сопла (рис. 2. 1, б) и сопла, имеющие излом образующей в критическом сечении. Последний тип сопла называют с о ил о м с у г л о в ы м в х о д о м в сверхзвуковую часть или, просто, соплом с угловым входом (рис. 2. 1,в). Иногда сопла, критическое сечение которых имеет форму круга, в отличие от сопел с центральным телом называют о б ы к н о в е н н ы м и и л и и р у г л ы м и с о и л а м и.
Но обычно под коническими или профилированными соплами подразумевают круглые сопла. Сопла с центральным телом В последние годы интенсивно исследуется возможность применения в ЖРД сопел с центральным телом, принципиально аналогичных типу сопел, успешно применяемых в ВРД. Различают следующие типы сопел с центральным телом. К ол ьцев ы е со ил а (рнс. 2. 1,г), расширение потока в которых ограничено кольцевым каналом с твердыми стенками. Принципиально работа кольцевых сопел не отличается от работы круглых сопел.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
