Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Для этого, положив в формуле (3.32) р /р„— ь О, получим максимальное значение коэффициента тяги 2 !1/!в — 1! й кт,внут юлх = 2 ( — ) ' (3.36) в+ 1 лв2 Максимальное значение коэффициента тяги, снимаемой с закритической части сопла, кт. внутв кт. внутлнлх кт. внут!=! (3.3/) Результаты расчетов при различных й приведены ниже: А . . . . . .
. . . . . . 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 кт. вн ' ' 2 88 2 45 2 23 2 08 1'98 что доля тяги, получаемой ри рн/р, =со и А = 1,15 1,2 1,25 1,3 1,230 1,250 1,260 1,1 1,15 1,206 1,224 й . к т. внут Х=-1 1 Рл г»/фгк глр! г г,г Ю,!О 58 70 УО и» ра Рис. 3.11. Зависимость составляю!пик тяги камеры сгорания от рк/р» при рн =сопя! и рн = сопв! 72 73 'глнр = Рнв/Рн = (2/(/г + 1)! Коэффициент к,,„,л 1 при различных/г имеет следующие значения: Следовательно, доля тяги ЬРн,„в = 20 —: 26% от тяги рнр„р или к, „° =0,2 —:0,26. Коэффициент тяги закритической части сопла Кт. внутв = Кт.
внут !"т.внут 1=-1. (3.35) Доля тяги, снимаемой с закритической части сопла, зависит, как это видно из (3.30) — (3.32), от степени расширения газов в сопле и увеличивается с ростом последней. Доля тяги, снимаемой с закритической части сопла, составляет 0,25 — 0,55 при изменении р„/р, от 10 до 100 и /г = 1,15. Из приведенных данных видно, что доля тяги сопла достигает 80% от главной составляющей тяги р„р„р, т. е.
роль сопла в создании тяги, а следовательно, и удельного импульса исключительно велика. Доля тяги ЄÄр получила название главной составляющей тяги камеры, когда степень расширения газов в сопле была небольшой и роль сопла в создании тяги камеры была значительно меньшей, Из приведенных результатов видно, С СОПЛа Камсрм (Кт,внут Кт.внут!) нлвх (наиболее близкий для современных топлив показатель процесса расширения), превышает основную составляющую тяги рнр„р в полтора раза.
Естественно, никто не будет делать сопла с рн/р,- — оо, но следует обратить внимание, что интенсивный прирост доли тяги, снимаемой с закритической части сопла, лежит в технически осуществимых пределах степени расширения р„/р, (порядка нескольких тысяч единиц). Поэтому доля тяги, снимаемой с сопла, превысит основную составляющую тяги р,р„р. На рис.
3.11 представлена зависимость изменения тяги, снимаемой с отдельных частей внутренней поверхности камеры, от степени расширения газов р„/р, при постоянном давлении рн в ней. Рассмотрев доли тяги, снимаемые с отдельных частей камеры при отсутствии давления окружающей среды, определим влияние внешнего противодавления на коэффициент тяги. Разделив левую и правую части уравнения (3.10) на р»Р,Р, получим значение коэффициента к, тяги сопла с учетом противодавления: кт = Кт. ватт кт.н г (3.38) где к ..! = Єл/(Р»Р,р) — долЯ тЯги, снимаемой с внешней повеРхности камерй сгорания, по отношению к р„рнр, или к к,. р р,/р (3,39) Нельзя произвольно увеличивать к,,„путем роста степени расширения газов р„/р, при заданном давлении в камере сгорания за счет снижения давления на срезе сопла для ЖРД, у которых часть или вся траектория проходит в атмосфере.
Из определения коэффициента тяги следует, что характер изменения величины к, от давления на срезе сопла аналогичен характеру изменения тяги от давления на срезе сопла. На рис. 3.11 показан характер изменения к, в зависимости от степени расширения р„/р, (безразмерной площадй сопла) при р„= сопз1. Так же, как и тяга, коэффициент к, уменьшается с отклонением режима работы сопла от расчетного, прй этом интенсивность изменения кт уменьшается с повышением давления в камере сгорания. й З В.
ТЯГА И УДЕЛЪНЫП ИМПУЛЪС ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ БЕЗ ДОЖИГАНИЯ ПРОДУКТОВ ГАЗОГЕНЕРАЦИИ ТУРБИНЫ В предыдущих разделах были рассмотрены расчетные зависимости и закономерности изменения тяги и удельного импульса камеры. Все формулы для их расчета, а также характер их изменения от тех или иных параметров будут справедливы для ЖРД, если ПС топлина поступают в окружающую среду только через камеру. К таким ЖРД относятся двигатели с вытеснительной системой подачи топлива и двигатели,с ТНА, рабочее тело которого дожигается в камере сгорания.
В некоторых ЖРД с ТНА основное или вспомогательное топливо используется для генерации рабочего тела турбины с последующим выбросом его в окружающую среду. Если рабочее тело турбины ТНА выбрасывается в среду без использования реакции выхлопа, то тяга ЖРД практически равна тяге камеры, а удельный импульс двигателя /та — $Р/(т + тт,) = 1г/(1в+ 1), (3.40) гд» т,, — расход топлива на турбину„.! — удельный импульс камеры; ":=т,,/и — относительная доля расхода топлива на турбину. Из (3.40) видно, что удельный импульс ЖРД меньше удельного импульса камеры.
Его величина определяется на основании расчета турбины ТНА или на основании статистических данных. Для ЖРД с выхлопом рабочего тела из ТНА в окружающую среду 1 = 2 —.' 4%, что очень значительно. Причем чем больше давление в камере сгорания, тем больший относительный расход топлива требуется на привод турбины. Эффективная мощность турбины (см. гл. 14) А/е Т'антт. тЧ» (3.41) где Ч, — эффективный КПД турбины; Т,а — адиабатическая работа расширения в ступени турбины: Т. = гс Тго ~1 ( ~' ) ~' (342) )ст — газовая постоянная ПС топлива; Тм — температура торможения ПС перед турбиной; р, — статическое давление после турбины; р„— давление торможения перед турбиной. Из (3.41), (3.42), можно получить формулу расхода топлива через турбину в зависимости от тех или иных факторов: тт т = А/е/(тЪ вЂ” Я Тг ~1 — ( — е) ~ (3 43) Эффективная мощность турбины должна равняться потребляемой мощности насосов: А/, = Д/а,о + Ас,., Потребляемая мощность насосов А/ = Ар„т/Ч„р, ГДЕ Арн = Раасн Ран — РаЗНОСТЬ ДНВЛЕНИй На ВЫХОДЕ И ВХОДЕ В насос; т — секундный расход компонента топлива через насос; Чн — полный КПД насоса; р — удельная плотность компонента топлива.
Следует отметить, что р, составляет незначительную величину от р, и определять давления на входе необходимо для исключения, например, кавитации в насосе. Конечно, р,„, должно быть больше давления в КС для преодоления различного рода гидравлических сопротивлений. В классическую схему ТНА ЖРД входят насосы для окислителя и горючего, тогда потребляемая им мощность а й= н.о+ ».4= Арн.ото/Ровн.о+)Арн.гте/РгЧ».г. В первом приближении, не влияющем на;качественный анализ, положим, что Ара,о = Арн „= Ар„и Ч» о = Ч„„= т1, тсгда мощность насосов А'г» .= гарн (то/ро + тг/рг)/Чн Учитывая, что А/г„= А/„массовый секундный расход топлива через турбину 'пт т ~рп + (зИп/?тТзо( (рп/Ргп) 1(й (/" )1)' (3.44) ~~ ~Рассмотрим случай повышения удельного импульса для двигателя при какой-либо постоянной тяге.
При этом степень расширения будем увеличивать за счет повышения давления в камере сгорания при каком-либо постоянном, например расчетном, давлении на срезе сопла. Положим, что значения т)„Ч„, /?„Т~„рп/ры останутся неизменными. Учитывая, что можно прийти к следующим выводам. Расход топлива т через КС с ростом р,/р, первоначально интенсивно уменьшается за счет роста скорости ш,(/ ).
В то же время расход топлива на привод турбины непрерывно увеличивается, причем Ьрп возрастает интенсивнее, чем давление в камере сгорания, например из-за увеличения потерь в межрубашечном канале камеры. До некоторого давления р, интенсивность роста удельного импульса камеры из-за повышения степени расширения газов приводит к такому уменьшению расхода топлива через камеру, которое с избытком компенсирует увеличение расхода топлива через турбину, и удельный импульс ЖРД возрастает. Начиная с некоторого давления интенсивность повышения удельного импульса уменьшается и снижение расхода топлива через камеру не компенсируется непрерывно возрастающим расходом топлива через турбину — удельный импульс двигателя уменьшается, несмотря на рост удельного импульса камеры. Для ракетного аппарата определяющим является удельный импульс двигателя, а не удельный импульс камеры.
Следовательно, достигнув оптимального давления в камере сгорания, не имеет смысла увеличивать его дальше. В то же время имеются большие возможности для увеличения удельного импульса за счет повышения степени расширения газов. Чтобы при росте удельного импульса камеры возрастал удельный импульс двигателя, необходимо уменьшать расход топлива через турбину, т. е. необходимо совершенствовать насосную систему подачи топлива.
Какие имеются резервы совершенствования ТНА? Уменьшить расход топлива (3.44) через турбину можно за счет повышения КПД насосов и турбин (в настоящее время зти возможности ограничены), а также за счет увеличения адиабатической работы путем увеличения р„/рп (этот путь требует повышения потребляемой мощности). Постановка подкачивающих насосов для подачи топлива в газогенератор в определенном диапазоне повышения р„ позволяет снизить расход топлива, но усложняет конструкцию и снижает надежность двигателя. Радикальным путем уменьшения расхода топлива через турбину при использовании ранее перечисленных путей является увеличение адиабатической работы за счет повышения ЙпТ~п. В настоящее время для обеспечения необходимой стойкости лопаток турбины мы вынуждены сжигать топливо с большим избытком горючего или окислителя, чтобы температура была порядка 300— — 1200'С (меньшие температуры относятся к продуктам газогенерации с избытком окислителя, а большие — с избытком горючего), т.
е. не используем огромное количество химической энергии топлива. Для качественного снижения расхода топлива на турбину необходимо создать такие жаростойкие материалы, покрытия или простые, падежные и экономичные системы охлаждения турбин, которые позволили бы обеспечить работоспособность элементов конструкции турбины при высоких значениях К,Тщ продуктов сгорания (в основном за счет повышения Тнп так как /?, относительно мало меняется в широком диапазоне изменения соотношения компонентов) и в пределе при соотношениях компонентов в КС, т. е.
при Т„- 3000 †: 4000 К. В этом случае наметится качественное уменьшение расхода топлива на турбину и резкое уменьшение 1. Создание турбин, работающих на ПС топлива подобных параметров, встречает исключительные трудности и пока их не удается осуществить на практике, что заставило искать другие пути более полного использования химической энергии топлива. При выхлопе ПС из ТНА в окружающую среду для уменьшения потерь в удельном импульсе ЖРД продукты сгорания турбины направляют в специальные реактивные выхлопные патрубки (в ряде ЖРД эти реактивные патрубки служат для управления и коррекции полета ракетного аппарата), создающие небольшую дополнительную тягу Рх —— Р+ Рр, (3.45) где Р,, „— тяга, создаваемая реактивными выхлопными патрубками. Тягу камеры, как и тягу, создаваемую реактивными выхлопными патрубками, рассчитывают по обычным формулам, например по (3.10).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
