Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 61
Текст из файла (страница 61)
К термодинамическим процессам, которые могут оказать отрицательное влияние на тяговые свойства сопла, относят недовыделение теплоты в сопле за счет некоторой степени неравновесности и потери теплоты за счет теплоотдачи в стенку или в систему охлаждения. Эти потери отклоняют реальный процесс от идеализированного, и поскольку в обоих случаях имеют место потери тепловой энергии при расширении, то это вызывает и соответствующие потери тяги в сопле.
Полные потери тяги в соплах. В общемслучае суммарный коэффициент, отражающий все основные составляющие потери, (10.5) «рс = «ртр«ра«рч ' где (при «хорошо» спрофилированных и изготовленных соплах): «р,р —— = 0,990 —: 0,975 — коэффициент, отражающий потери тяги из-за трения, зависит главным образом от степени расширения газов в сопле и шероховатости внутренней поверхности сопла; ~р, = 0,990 —: 0,985— коэффициент, отражающий газоди- 095 намические потери, зависит главным образом от формы и особенностей профиля сопла. Основная их составйрд ляющая определяется непараллель- ЛЮ 1й6 р„/рп постыл истечения потока из сопла; «рч = 0,990 —: 0,995 — коэффициент, отражающий потери термодинамиченого сопла в эавнсимостн пт сте- ского характера, зависит главным пени расширения р„/р образом от степени неравновесности, степени расширения газов в сопле и рода топлива.
В итоге, учитывая приведенные выше значения отдельных составляющих, полный коэффициент сопла е«е = 0,975 —: 0,940, т. е. потери тяги в соплах составляют от 2,5 до 6,0%. На рис. 10.1 приведено примерное значение коэффициента профилированного сопла «рс в зависимости от степени расширения р„/р,. Пунктирная кривая расширяет область ~рс в сторону его увеличения при ирнменении сопл с полированной внутренней поверхностью. Схемы сопл ЖРД. Применяемые в ракетных двигателях сопли могут быть разделены на конические, профилированные, кольцевые или сопла с центральным телом.
К о н и ч е с к и е с о п л а. Это наиболее простая в техническом отношении схема сопла. Сверхзвуковая часть сопла выполняется в виде прямолинейного расходящегося конуса, а область критического сечения — по дуге окружности. Несмотря на ббльшие потери тяги по сравнению с профилнрованнымн, эгн сопла во многих случаях используются в ракетных двигателях. Больше того, для двигателей, работающих прн больших противодавлениях среды (подводных) на режимах с отрывом потока в сопле, конические сопла оказываются более предпочтительными. Дело в том, что они имеют лучшие характеристики отрыва потока: отрыв потока от стенки у них происходит ближе к сечению с давлением р = р, и, кроме того, быстрее происхо- 298 дит восстановление давления до давления окружающей среды на стенке после отрыва. Все это, вместе взятое, делает потери из-за перерасширения потока в коническом сопле меньшими по сравнеиню с профилированными.
Ниже будет показано, что с достаточной точностью потери тяги на неравномерность поля скорости на срезе сопла или непараллельность истечения оцениваются соотношением Рис. 10.3. Сравнение профилированныхк и конических сопл: а — нрофилнренинвее секло с Ллвией к, и угле» З«« б — коническое сеиле с клавей "«ао«1 «аир. е — конические секло с тт- З аоаэ р«аа ««Ливией и«иоан>лавр 299 ~р, = 0,5'(1й+ соз р ), (10.6) т.
е. определяются в основном непараллельносгью истечения р,, Для безударности входа сопла область критического сечения рекомендуется выполнять по дуге радиуса Я = (1 †: 0,75)с(„,. Если положить, что кроме потерь на неравномерность потока и трения других нет, то теоретический коэффициент сопла «рс.т ефагртр (10.7) сг будет иметь экстремум при некотором угле конусности.
Действительно, при увеличении угла конусности потери непараллельности растут, потери трения уменьшаются. чй7 На рис. 10.2 приведены кривые зависимости гр,, от угла конусности для ряда значений степени расширения газов в сопле ри/р,. По мере увеличения степени расширения газов, т.
е. увеличения относительной площади среза Р„величина ре,т из-за роста потерь на треча5 78 М хри,град нне уменьшается, экстремум СдВНГаЕГСя На бОЛЬШИЕ УГЛЫ Рис. 10.2. Зависимость теоретического кон усиости. коэффициента фо.т конического сопла Яз графика следует, что От УГЛа ЕГО КОНУСНОСтн 2Рл оптимальные углы конусности 2~3, = 20 —: 25 при рн/р, = ра««а« = 100 —: 1000. Этим данным со- ~а«оа« ответствует значение ф,, = а ра« = 0,978 —: 0,972.
Профилированн ы е б с о п л а. Профилированные «а«а=«а«о«~ сопла в настоящее время ши- «н«о«« роко распространены. Контур сверхзвуковой части выполняется по специальной образующей, которая сначала резко отклоняется от осн сопла, а затем, достигнув максимального угла отклонения в точке перегиба М, плавно выравнивается к концу сопла, как показано на рис.
10.3, где дано сравнение профилированных и конических сопл. Профилированные сопла обладают определенными преимуществами по сравнению с коническими: а) при одинаковой длине (вариант а и б) будут иметь меньшие угол конусности на срезе и потери на непараллельность; б) при одинаковой конусности на срезе (вариант а и в) и соответственно одинаковых потерях на непараллельность будут значительно более короткими. Построение криволинейного контура производится по специальным схемам, основанным на свойствах сверхзвукового потока.
В основе большинства схем профилирования лежит метод характеристик, который рассматривается дальше. Независимо от схемы построения контура профилированные сопла, так же как и конические, имеют при определенных условиях экстремальное значение коэффициента сопла гр,. Действительно, если считать что сопло имеет только потери на трение и неравномерность потока, то теоретический коэффициент грс т=грогр,р будет иметь максимальное значение при определенной длине сопла. В самом деле, прн данной схеме профилирования с увеличением длины сопла уменьшается угол непараллельности на срезе и, следовательно, уменьшаются потери на неравномерность потока.
С другой стороны, с увеличением длины сопла растут потери на трение. Отсюда произведение гр гртр, так же как и при конических соплах, будет иметь где-то экстремум. Оптимальные йрс профилированных сопл лежат при углах конус- ности на срезе порядка 2ра=10 —:15', соответствующие ри/ро= = 500-ь 1000. К о л ь ц е в ы е с о п л а. Одним из перспективных методов уменьшения габаритов двигателя является использование вместо обычных круглых сопл Лаваля кольцевых или сопл с центральным телом. В этих схемах принцип разгона газового потока до сверхзвуковой скорости остается прея(ним — геометрическим: дозвуковой поток разгоняется до скорости звука в сужающемся канале, а затем в расширяющемся канале достигает сверхзвуковой скорости. Разница между обычным и новым соплом состоит в том, что новая схема сопла имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую или деленую. На рнс. 10.4 представлена схема сопла с простым кольцевым критическим сечением.
Контур этого сопла получается, если вращать контур обычного сопла Лаваля с осью х — х вокруг центральной оси 1 — 1. Для образования кольцевой или щелевой формы критического сечения сопла, как видно из схемы, внутри сопла располагается тело вращения, называемое центральным телом. Для сопла с центральным телом наиболее подходит торовая форма КС. В этом случае центральная часть КС и сопла (внутренняя полость центрального тела) оказывается свободной.
В ней очень хорошо можно расположить турбонасосный агрегат, а также и все остальные ЗОО агрегаты, обслуживающие двигатель. В результате двигатель с новым соплом получается очень компактным и коротким. В качестве примера, подтверждающего сказанное, на рис. 10.5, а приведены габариты двигателей ракеты «Сатурн-5» Ф-1, имеющего тягу Р = 7000 кН с обычным соплом на рнс. !0.5, б — габариты двигателя ракеты «Сатурн-1В» Н-1 с тягой Р=900 кН, на рис. 10.5, в — габариты двигателя Ф-1 с кольцевым (тарельчатым) соплом. Как видно, двигатель с кольцевым соплом оказывается в 100140 = = 2,5 раза короче и равным по длине двигателю с тягой, почти в 8 раз меньшей. Отсюда соответственно уменьшаются габариты и всей ракеты, что в конечном итоге приводит к заметному выигрышу в массе. Причем в полости центрального тела размещаются все агрегаты двигателя вместе с турбонасосом.
По этой причине кольцевые сопла с центральным телом изучаются и в будущем могут быть использованы для двигателей большой тяги. й 10.2. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ПОТЕРЬ В СОПЛАХ Потери иа трение. Если; — напряжение трения на стенке (рис. 10.5), то сила трения, возникающая как равнодействующая по всей обтекаемой поверхности сопла, к и к АР, = ~ тчРг(х = 4Р„р ~ тРгух, (10.8) е а где Р = РЯ„, — относительный диаметр сечения; х = х/г(„, — относительная продольная координата (в калибрах диаметра критнческо- 301 Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
