Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Из (4.2) видно, что тяга в пустоте прямо пропорциональна давлению в камере сгорания. Графически она выражается прямой, проходящей через начало координат (рис. 4 4). Разделив левую и правую части (4.2) на величину расхода топлива и используя (4.1), получим зависимость для расчета удельного импульса в пустоте при работе двигателя по дроссельной характеристике: 1 = Р 1т = с,р„1(сР„) = с„ (4. 3) где с, =- с,(с = сопз1. Из (4.3) видно, что удельный импульс в пустоте не зависит от давления в камере сгорания (естественно, при тех предположениях, на основе которых строились дроссельные характеристики). С уменьшением давления в камере сгорания, особенно при низких давлениях, ухудшается рабочий процесс, возрастает степень диссоциацни ПС, а тяга и удельный импульс будут меньше расчетных.
Протекание дроссельной характеристики существенно зависит от характера влияния противодавления на режим работы сопла. Рабочий процесс в сопле может не зависеть от давления окружающей среды, но может и зависеть от него, если в сопло входит скачок уплотнения. До момента вхождения в сопло скачка уплотнения тяга и удельный импульс определяются уравнениями (4. 4) Р = Р— Р„Р,; 1т — — Р 1т — Р„Р,1т, или, используя формулы (4.2) и (4.3), сьРн РнРа 1ч сэ РэРа1гп ' (4.
5) в камере сгорания от расхода топлива. Отклонение экспериментальной зависимости от теоретической р„1р„„, =- 1(т/т„,„) при низких р„ объясняется уменьшением полноты сгорания топлива в КС в связи с ухудшением распыла топлива из-за уменьшения перепада давления на форсунках и увеличением степени диссоциация ПС. Для хорошо отработанных двигателей различие теоретической и экспериментальной зависимостей р„ = 1(т) по дроссельной характеристике в существующих пределах изменения тяги невелико. В то же время давление в камере сгорания более наглядно характеризует изменение режима двигателя и для многих агрегатов является задающим параметром.
Кроме того, давление в камере сгорания измеряется более точно, чем расход топлива. На практике дроссельную характеристику строят по давлению в камере сгорания. Для получения уравнения дроссельной характеристики в пустоте подставим в (3.15) значение ш из (4.1), при этом будем считать, что безразмерная площадь сопла Р„ степень расширения а = Р„!Р, и ш, — величины постоянные, тогда (~р,.
= сопз(, ~р„=- сопз() Из (4.5) следует, что тяга линейно зависит от давления в камере сгорания и графически (рис. 4.4) представляет собой прямую линию, но смещенную вниз на величину Р„Р, от Р„. С уменьшением давления в камере сгорания удельный импульс падает, так как абсолютная величина отрицательного члена Р„Р,1т растет.
При отсутствии скачка уплотнения в сопле можно пользоваться формулами (4.4), (4.5) для расчета тяги и удельного импульса в пустоте по результатам испытаний двигателя при каком-то противодавлении, например прн атмосферном, так как тига снимается с внутреннего контура, не меняется с изменением давления окружающей среды. Начиная с некоторого давления р„в сопло входит скачок уплотнения, и пользоваться формулами (4.4) и (4.5), справедливыми при отсутствии скачка уплотнения, нельзя, так как это приведет к неправильным выводам. Например, при неработающем двигателе, т.
е. при р„= О, он развивает отрицательную тягу, что физически невозможно. Следует отметить, что фиктивная точка Р„Р, полезна для построения дроссельной характеристики в области режима работы сопла без скачков уплотнения (зона 11), так как достаточно знать тягу при каком-то одном давлении р,-,, чтобы построить дроссельную характеристику. С момента вхождения скачка уплотнения в сопла для расчета дроссельной характеристики следует пользоваться формулами (3.80), (3.81) или (3.82), (3.83). Начиная с момента вхождения скачка уплотнения в сопло тяга с уменьшением давления Р„изображается некоторой кривой, определяемой закономерностями движения скачка уплотнения и восстановления давления за скачком уплотнения (зона 1).
На рис. 4.4 штриховой линией нанесены изменение тяги и удельного импульса в предположении бесскачкового течения газа во всем диапазоне изменения давления р„. Интенсивность падения тяги и удельного импульса камеры с уменьшением давления р„при бесскачковом режиме работы сопла значительно больше, чем при режиме со скачком уплотнения. Уменьшение интенсивности падения тяги и удельного импульса становится ясным из следующего примера. Допустим, что при определенном давлении в камере сгорания и давлении окружающей среды мог бы в одном случае реализоваться режим течения газа в сопло без скачка уплотнения, а в другом — со скачком уплотнения. В последнем случае тяга, снимаемая с внутреннего контура камеры, будет больше, так как давление, действующее на стенку сопла после скачка уплотнения, больше давления, действующего на ту же часть сопла, при бесскачковом (изоэнтропическом) течении газа в сопле.
В результате тяга и удельный импульс изменяются с уменьшением давления в камере сгорания менее интенсивно. Следует подчеркнуть, что режим работы сопла со скачком уплотнения полезен только в отдельных случаях по следующим соображениям. Если бы удалось при работе двигателя изменять площадь выходного сечения сопла в соответствии с уменьшением давления в камере сгорания (регулируемое сопло), то дроссельная характеристика протекала бы более благоприятно, чем при режиме работы сопла со 93 70, мс/кг гааа !» 7000 )ааа р».
и ааааа !вара р» 00000 Рис. 4.6. Зависимость тяга и удельного импульса двух камер от р» с площадями сопл»е»»» 7~» прн рн=о Рис. 4.8. Зависимость Ра»гт = 1(ук) !внут = 1(р») и Р = 1(рн) при заданйом противодавлении !!000 Фаад Г 8 а ар»,наа Рис. 4.8. Экспериментальная дроссельная характеристика камеры ЖРД 94 скачком уплотнения. Из-за больших технических трудностей создания регулируемого сопла приходится использовать нерегулируемые сопла, давление на срезе которых для ряда ракет выбирается достаточно малым по отношению к давлению окружающей среды. На рис. 4.5 показана зависимость удельного импульса, снимаемого с внутреннего контура, от давления ри в области 1 работы сопла со скачком уплотнения. Из рисунка видно, что удельный импульс 1,, ) 1„„, реализующегося в пустоте.
Для определения удельного импульса и тяги в пустоте для камер, у которых в атмосферных условиях входит скачок уплотнения, используются специальные газо- динамические установки, позволяющие около сопла создать необходимое разрежение, исключающее работу сопла со скачком уплотнения. Вид дроссельной характеристики зависит от высотности сопла или величины его безразмерной площади Р,. На рис. 4.6 представлены дроссельные характеристики 1 и 2 двух одинаковых камер, но с различными безразмерными площадями сопл Р„) Р,а Из характеристик видно, что тяга и удельный импульс камер, работающего в пустоте, с большой безразмерной площадью сопла при всех давлениях в камере сгорания выше, чем у двигателя с меньшей площадью. Иной характер имеет дроссельная характеристика (рис.
4.7) прн работе камеры с каким-то давлением окружающей среды. При некотором давлении в камере сгорании Р„тяга и удельный импульс обоих двигателей будут одинаковы. Если давление в камере выше р„, то тяга и удельный импульс двигателя с площадью Г,, становятся боль" ше, чем у двигателя с Р„, и, наоборот, если давление в камере ниже р„, то характеристики двигателя сгт„ становятся лучше. Следовательно, чем меньше отличается давление на срезе сопла от давления ок. ружающей среды, тем лучше его основные характеристики — тяга и удельный импульс.
На рисунке очки ри и р„а обозначают давления в камерах с площадями Р,, и г'„, при которых в их сопла входит скачок уплотнения (штриховые линии — значения тяги и удельного импульса в предположении, что после давлений р„г 'и р„а реализовывалось бы изоэнтропическое течение газов в сопле). Регулирование тяги по дроссельной характеристике широко используется в современных ЖРД, однако при этом уменьшается удель- Рнс.
4.7. Зависимость тяги и удег~ьногоимпульса двух камер с г»т) Р»» ! при заданном противодавленни ный импульс на всех режимах ниже расчетного. С повышением давления больше расчетного удельный импульс возрастает за счет меньшего влияния статической составляющей рнР,/т.
Как на режимах перерасшнрения, так и на режиме недорасширения удельный импульс камеры меньше, чем при заданном рн и расчетном значении давления на срезе сопла. Основная причина уменьшения удельного импульса — работа сопла в нерасчетных условиях. Кроме того, при нерегулируемом проходном сечении форсунок (наиболее часто употребляемый тип форсунок) уменьшение расхода топлива (давления рн) осуществляется снижением перепада давления на форсунках, что ведет к ухудшению рабочего процесса в камере сгорания и дополнительному уменьшению удельного импульса.
Последнее обстоятельство особенно сильно влияет на удельный импульс при глубоком регулировании тяги ЖРД. На рнс. 4.8 представлена экспериментальная дроссельная характеристика камеры, полученная на высоте О =0,6 и 30 км. Из харак- 9Ь теристики видно, что наибольшие потери в тяге и удельном импульсе камера имеет при Н = 0 и режиме минимальной тяги ввиду наиболь- шего отклонения режима работы сопла от расчетного и ухудшения рабочего процесса в камере сгорания в связи с резким уменьшением перепада давлений на форсунках. Если на номинальном режиме удельный импульс 7 ж 2000, то на режиме минимальной тяги 1, ж ж 1200. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
