Прямоточные воздушно-реактивные двигатели Бондарюк М.М. Ильяшенко С.М. (1014191), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Пороховые и жидкостные ракеты при той же площади миделевого сечения и при том же весе способны развивать большую тягу, а чем ПВРД; в отношении лобовой и весовой тяги й„= — и Ял = — ПВРД уступают ракетным двигателям. Преимуществом а Р ПВРД по сравнению с ракетами является существенно меньший удельный расход горючего или, что то же,— существенно более а высокая удельная тяга 1= —. се Удельная тяга и коэффициент тяги ПВРД изменяются при изменении состава горючей смеси. Максимальная величина коэффициента тяги сл или удельной тяги У зависит от природы применяемого горючего. В гл. 1П было найдено ~выражение удельной тяги идеального ПВРД: (6.
1) (6. 2) 150 К= — "=' " (В)'Е Ц. с„ Общий коэффициент полезного действия АИЕн Огни Следовательно, иич (6. 3) Аа~н Относительный подогрев при работе на молекулярном горючем т,„1+ И„ (6. 4) ~,„, 1(1+.с) с,т,„ При заданных скорости и высоте полета относительный подогрев 6 определяется коэффициентом избытка воздуха а. При любом горючем, подобрав соответствующим образом состав смеси, можно получить заданный подогрев, с тем чтобы полный к. п, д. и был наибольшим (разумеется, если требуемый подогрев не слишком велик: 9< 9, а)1). При заданном подогреве 6 общий к. п. д. прямоточного двигателя от природы горючего не зависит.
Удельная тяга при постоянном к. п. д. прямо пропорциональна низшей теилотворной способности горючего, Наибольшая величина полного к. п. д., как мы увидим в дальнейшем (гл. Х1), зависит только от потерь в двигателе и практически не зависит от природы горючего; поэтому наибольшую удельную тягу способны развивать ПВРД, работающие на горючем с наиболее высокой Н,.
Коэффициент тяги идеального ПВРД с, =2(1— — -) (6. 5) Максимальным коэффициентом тяги будет обладать ПВРД, работающий на горючем, способном обеспечить наибольший подогрев газов 9. При заданных скорости и высоте полета ш„и Н относительный подогрев достигает максимума, если коэффициент избытка воздуха равен единице: а= 1 (6. 6) ерть,.(1 + Е) Количество теплоты, приходящееся на 1 кг продуктов сгорания при стехиометрическом составе смеси, называется теплопроизводительностью горючего Ят1 %'= (6.
7) 1+Ъ Наибольший коэффициент тяги способен развивать прямоточный воздушно-реактивный двигатель, использующий наиболее теплопроизводительную смесь. В тех случаях, когда требуется получить наиболее высокий коэффициент тяги сл, применяют топлива с высокой теплопроизводительиостью Г. Когда требуется получить наибольшую экономичность, т е. высокую удельную тягу, применяют топлива с высокой тепло. творностью Н . 191 Наряду с теплотворностью и теплопроизводительностью пригодность топлива определяется его плотностью и температурой кипения. Рассмотрим влияние плотности горючего. Допустим, что вес крылатых ракет, использующих различные горючие, постоянен: Р, и= =-сопз1. В этом случае несущая поверхность крыла и его аэродинамическое сопротивление будут постоянными: Я„,=сопз1 Х, = "" =сопз1, (6.8) кр где Й вЂ” аэродинамическое ий ий качество крыла.
йийийий Вес топлива составляет некоторую долю полетного 5ит веса: Р„= тР . С увеличением плотности горючего у, объем топливных баков, занимающих обычно большую часть фюзеляжа, и потребная площадь миделевого се- чения фюзеляжа 5„м будут уменьшаться, а вместе с тем будет уменьшаться вес баков (фиг. 84), иг Лобовое сопротивление и потребная тяга Р уменьшатся 0=Х„+Х = К1 "" +с 5„о~у, (6.9) иг где Х„, и Хе — аэродинамические сопротивления крыла и фюзеляжа.
Фиг, 84. Схемы крылатых ракет. С увеличением плотности горючего, заливаемого в:ьэроди" амическоЕ баки ти, расчетные размеры крылатой рз- ство всего летательного аппакегы дальнего действия уменьшаются рата с увеличением плотно- (Р =сопз11 сти горючего будет возрати=~,зт г, ', и ти=с,з ~~ '. стать до тех пор, пока топ- ливные баки не станут столь малыми, что их можно будет вписать в толщу крыла и аэродинамиче ское качество всего аппарата приблизится к максимально возможному.
При этом вес оболочки баков станет малым, а относительный запас горючего будет наибольшим Дальнейший рост плотности горючего ( у)2) практически не окажет влияния на возможную дальность полета, так как Я„е минимальна, Р.. =сонэ( и к=А„. На фиг. 84 показаны очертания летательных машин равного веса, одна из которых использует в качестве горючего керосин, другая— жидкий водород.
Вследствие малой плотности водорода объем и лобовое сопротивление фюзеляжа и вес оболочки топливных баков 152 оказываются столь большими, что преимушесвво, даваемое высокой теплотворностью водорода теряет свою силу. Поэтому жидкий водо. род в качестве горючего для ракет не применяется.
При длительном полете со сверхзвуковой скоростью летательный аппарат нагревается до температуры, близкой к температуре торможения воздуха, и горючее в баках может закипеть. Поэтому для сверхзвуковых летательных аппаратов, предназначенных для длительных полетов, предпочтительнее горючее с высокой температурой кипения. Теплотворность, теплопроизводительность, плотность, точки кипения и плавления некоторых химических элементов и соединений приведены в табл, 6.
1, Таблица 6.1 Параметры некоторых молекулярных горючих 1 Тепло- Тепло„,рн„„ дитель- ~ ю~ 1г' ~ккал/кг Температу- ры в'С Атомный номер х Плот- ность Сим- Вещество кипе-~ плавния ~ленин на~из вол Элементы 70 — 268 34,5 807 — 270 28 550 180 1280 2000 3500 1336 4,97 7,65 9,6 11,5 1290 1700 1460' 628 534 1840 1700 1800 7 700 14 800 14 000 7 850 Ве В С 2500 4000 Соединения СН С,Нга СаНе -51,6 — 5,5 — 70 — 50 — 40 642 1160 78,0 — Н4 60 — 46,9 6 400 16 200 790 630 9,0 13,0 СзН,О ВзНэ г Д. К ей и Т.
Ле6 и, Справочник физика-экспериментатора. Изд. иностр. литературы, 1950. МАСА йерог1, № 1037, 1953. т Все остальные химические элементы обладают меньшей теплотворностью, чем углерод. 153 Жидкий водород Литий Бериллий Бор углерод з Метан жидкий Гептан Бензол Бензин Керосин дизельное горючее Алкоголь Пентаборан 415 684 880 750 810 850 -161,5 98,4 83,1 80 140 162 17,25 15,2 1З,З 14,9 14,8 14,8 12 000 11 200 9 500 10 500 1О 200 10 200 656 671 668 663 663 663 $2. РАСЧЕТ ТЕПЛОТВОРИОСТИ ТОПЛИВА ПО ЕГО СОСТАВУ Весовое содержание отдельных элементов, из которых состоит топливо, называется его элементарным составом. Элементарный состав определяется химическим анализом.
Энергия, которая выделяется при образовании топлива из элементов, называется энергией образования Е, Энергию образования определяют по данным калориметрических опытов. Например, энергия образования одной килограммолекулы (1 кгмоля) метана СН~ из 4 кг водорода и 12 кг углерода равна 1б 000 ккал: С+2Н,— э СН, + 16000 ккал. Для того чтобы разложить данное соединение на элементы, надо затратить энергию, равную по закону ее сохранения теплоте образования, Например, чтобы разложить 1 кгмоль метана, надо затратить 16 000 ккал.
Энергия, выделяющаяся при соединении 1 кгмоля сгорающего вещества с соответствующим количеством кислорода, называется теплотой реакции горения Е (табл. б. 2). Теплоты реакции горения элементов определяют путем калориметрических опытов. Например, теплота образования паров воды из 1 кгмоля водорода и 0,5 кгмоля кислорода равна 57 100 ккал/кгмаль Н,+ — Оз-ьН,0+57100 ккал. 1 2 Из закона сохранения энергии следует, что количество теплоты, выделяющейся при любой химической реакции, зависит только от состава и от агрегатного состояния продуктов реакции и исходных веществ и не зависит от пути реакции (закон Г.
И. Гесса). Продукты реакции горения в момент своего образования бывают газообразными. Если конечная температура продуктов невелика, образовавшиеся окислы могут перейти в жидкое, а затем и В твердое состояние, выделяя теплоту конденсации и отвердевания. Поэтому различают теплоты реакции в газообразном состоянии (исходные и конечные продукты газообразны); теплбты реакции в жидком состоя нив (исходные и конечные вещества — жидкости) и теплбты реакции в твердом состоянии (исходные и конечные продукты — твердые вещества).
Теплоты реакции в твердом состоянии имеют наибольшую величину, в газообразном — наименьшую. Теплота конденсации 1 кгмоля водяных паров ра~вна 9700 ккал. Поэтому теплота горения водорода в жидком состоянии (если образующиеся пары воды конденсируются) равна 57 100+9700= =66 800 ккал. Разделив теплоту реакции горения Е, выраженную в ккал/кемаль, на массу горючего, вступающего в реакцию, Р„в кг, найдем количество теплоты, выделяющееся при сжигании 1 кг данного вещества, т. е.
его теплотворность Н: (6. 10) 154 Таблица 6.2 Теплоты реакций Е нри абсолютном нуле в ннал!кг атель Теплота реакции Реакция Химическая формула 1 С+ — О,-СО 2 1 СО+ Оз С От С+2Нт СНч 1 Н,+ — О,- Н,О 1 — Нт+ОН НтО 1 1 — Н + — С! НС1 2 2 Оз 1,50х 1 2!.!+ — 0 ь! 0 2 2 2А!+1,50х А!тоз 2Р+ 2,50х Ртоз 2В+1 50х- Ввоз 1 Ма+ — 0,-5430 1 Ве+ — 0~ Вео 2 Образование угарного газа Горение окиси углерода Образование метана Горение водорода 16 000 57 100 Соединение водорода с гидроксизом 63 000 Горение водорода в хлоре Распад озона Окисление лития 22 000 34 500 107000 327 000 363 000 302 000 алюминия фосфора бора 144 000 133 000 магния бериллия ч Справочник химика, т. 1, Химиздат, М.— Л., 1952.
Б. Л ьюис и Г. Эльбе, Горение, пламя й взрывы в газах. Изд. иностр. литературы, 1948. Примечание. Окислы металлов при температурах, имеющих место в камерах прямоточных двигателей (около 2000' С), переходят в жидкое или твердое состояние, выделяя теплоту испарения. Исключение составляет окись лития, кипящая при 1230'С. Поэтому теплоты реакций металлов, за исключением 11, включают теплоты испарения. Теплотворность многокомпонентного горючего, состоящего из нескольких химических элементов, можно вычислить, зная элементарный состав, теплоты горения компонентов и теплоту образования горючего из этих компонентов. Теплотворность горючего равна сумме произведений теплотворностей его ко)ипонентов на их весовые содержания минус энергия образования горючего! из этих компонентов чк.ч Е! Е„ Н=~ — и! — —, !Ч ' .г' Весовые содержания компонентов (С) й,=лис — 12 " ит рт [Н] =д„="рс = — ", рг рт (6.
13) 10) =йо= — =16— лро рг рт Теплотворность горючего нс ен е И= — д, + — д„— —, рт (6. 14) Чем больше атомов содержит молекула углеводорода, тем обычно меньше ее прочность и тем меньше энергия образования. Наибольшей энергией образования среди углеводородов парафинового ряда обладает метан.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
