Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 88
Текст из файла (страница 88)
чем больше скорость полета, тем больше абсолютное давление в камере и выше эффективность теплоподвода к воздуху. При малых скоростях полета из-за низкой величины пуз ПВРД малоэффективен. Но с увеличением скорости полета сила тяги и тяговая мощность этого двигателя возрастают сильнее, чем в ТРД, а максимальные значения тяги и тяговой мощности ПВРД достигаются при существенно больших, чем в ТРД, скоростях полета. При этом простота конструкции, малая лобовая масса и отсутствие турбокомпрессорной группы позволяют рассматривать ПВРД в качестве целесообразного типа 435 двигателя летательных аппаратов определенных классов даже в области меньших скоростей полета, при которых ТРД имеют существенно лучшие характеристики.
Вследствие того, что ПВРД не развивает тягу на старте при нулевой скорости полета, а при малых скоростях полета он малоэффективен, летательные аппараты с ПВРД различных типов должны быть снабжены двигателями для создания тяги на старте и при разгоне до тех скоростей полета, при которых использование ПВРД окажется целесообразным.
13.1. ОСОБЕННОСТИ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПВРД В соответствии с областью применения прямоточные воздушно-реактивные двигатели могут быть разделены на три основных типа; дозвуковые, сверхзвуковые (СПВРД) и гиперзвуковые (ГПВРД). Па рис. 15.1, а приведена схема дозвукового ПВРД, на которой обозначены характерные сечения и изображены закономерности изменения параметров потока (давлеиия р, скорости с и температуры Т) по проточной части.
Схема сверхзвукового ПВРД и характер изменения основных параметров потока по его тракту приведены на рис. 15.1, б. При увеличении сверхзвуковых скоростей полета до значений, соответствующих числам Мп = 6 ... 12, резко возрастает температура сжатия потока, и даже воздушная часть тракта СПВРД становится «горячей». Действительно, равновесное значение температуры воздушного потока на выходе из воздухозаборника при скорости в камере, соответствующей Х, =- 0,2, составляет =1600 К при скорости полета, соответствующей М, = 6, а при М, = 10 уже достигает 3600 К.
Соответственно этому росту температуры потока возрастают удельные тепловые потоки в стенки. Ф «с з а хс с Б Р, т, Рнс. 1б! Схемы ПВРД н измерение параметров по проточной части: а лозвукьеоа пвпд; б — спвпд; «в гпвпд Поэтому при гиперзвуковых скоростях полета крайне сложно обеспечить работоспособность СПВРД и в особенности СПВРД с регулируемыми воздухозаборником и реактивным соплом. При гиперзвуковых скоростях существенно увеличиваются потери при сжатии воздуха в воздухозаборннке и расширении продуктов сгорания в реактивном сопле в результате увеличения степени повышения давления воздуха н степени понижения давления продуктов сгорания в процессе истечения, а также вследствие увеличения потерь, обусловленных вероятностью неравновесного протекания процесса расширения ".
Все это приводит к заметному ухудшению эффективности СПВРД по мере увеличения значений Мп свыше 6 ... 8. При существенном уменьшении степени сжатия воздушного потока с сохранением сверхзвуковой скорости на выходе из воздухозаборника можно рассчитывать на уменьшение удельных тепловых потоков в стенки (из-за снижения уровня статических температур потока) при одновременном улучшении эффективности цикла из-за значительного уменьшения потерь в воздухо-забор- нике и реактивном сопле. Поэтому при гиперзвуковых скоростях полета (М„~ 6 ... 8) наиболее вероятным типом воздушно-реактивного двигателя следует считать ПВРД со сверхзвуковой скоростью в камере сгорания (ГПВРД). Принципиальная схема ГПВРД с обозначением характерных сечений и изображением закономерностей измерения р, Т и с по проточной части приведена на рис.
15.1, в. Основные элементы ГПВРД (входное устройство, камера сгорания и сопло), выполняя те же функции, что и соответствующие элементы СПВРД, имеют ряд особенностей, связанных со спецификой организации рабочего процесса двигателя этого типа: воздухозаборник ГПВРД, в котором воздушный поток сжимается до сверхзвуковой скорости, непосредственно переходит в совмещенную камеру смешения и горения, на начальном участке которой осуществляется впрыск топлива.
В камере постоянного сечения при теплоподводе к сверхзвуковому потоку происходит сжатие потока, и для увеличения степени теплоподвода в ряде случаев оказывается необходимым увеличить площадь сечения канала (участок КС' — КС на рис.
15.1, в). Вследствие того, что продукты сгорания топливо-воздушной смеси в ГПВРД уже имеют сверхзвуковую скорость, увеличить ее при расширении можно, придавая соплу расширяющуюся форму. Гиперзвуковые ПВРД в настоящее время могут рассматриваться в качестве возможных типов силовых установок для гиперзвуко- ' Прн высоких температурах воздушного потока значвтельная часть тепла, подведенного в камеру сгорання с топливом, будет расходоваться на днссоцнацню образовавшихся продуктов, а прн достаточно низких величинах абсолютного давления н теь~пературы на выходе нз сопел СПВРД прн больших степенях поннження давления время пребывания продуктов сгорания в сопле может оказаться меньше времени, необходнмого для воссоединения двссоцннрованных продунтов сгорания в более сложные молекулы с возвратом тепла в цикл, т.
е н неравновесному протеканию процесса расширения, что неизбежно приведет н снижению зффентнвностн использования тепловой знсргнн топлива. 437 вых аппаратов различного назначения, в частности, маршевых гиперзвуковых самолетов с М„= 6 ... 8 и в качестве составных элементов силовых установок разгоняющих устройств орбитальных самолетов и космических аппаратов многократного применения при работе ГПВРД в широком диапазоне режимов полета (М, от 6 ... 7 до 14 ...
16), гиперзвуковых ракет различного класса и т.д. е !дса .к ссс 18,2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ НВРД Эффективность цикла ПВРД, как и любого из рассмотренных выше типов ВРД, определяется двумя основными параметрами: величиной работы цикла р = сопи! (7.! в идеальном цикле и эффективной работы 7., в действительном цикле) и коэффициентом полезного действия, характеризующим степень использования подведенного с топливом тепла в работу (термическим КПД Ч, в идеальном цикле и эффективным КПД Ч, в действительном цикле), На рис.
16.2 в ! — Я-диаграмме показано изменение параметров состояния воздуха в идеальном (штриховые линии) и действительном циклах (сплошные линии). В идеальном цикле хг =- Жрз асса= ЙвТн '1и " 1/ ~ с =й ! в н! /( , г!!'5 а-1 т1, = 7.,Я =! — 17п а-1 й где Л!', = — Из =- — Гс,Т ( л„,та -- 1) — работа сжатия воздуха в воздухозаборнике, прз = р ~1р„= р„'(р„= (1 -1-:Мх;) /г — 1 2 — степень повышения давления воздуха при изоэнтропическом сжатии потока до нулевой скорости, 0 = Т„*!Т„ = Т„"!Т„ 'х й — 1 х (1 + — Мй) — степень повышения температуры цикла 2 (см.
гл. 1). Выражая ярз и 0 через М„и степень теплоподвода 0* = = Т„'!Т„*, получаем Гг й — 1, 0 й — 1 7! ар — й = н Мн й ! 1 = 2 Мн(0 — — 1) Ь'вгн !+~ !М и — 'Мз й — 1 с Ч! = 1+ — Мх 2 и Для представления 7, и Ч, ПВРД в форме, аналогичной соответствующим выражениям работы и КПД действительного цикла ГТД, несовершенство процессов движения рабочего тела 438 5а.сг 5аса5лг5с 5н Хв Рис.
!8.2. Изображение цикла ПВРД в ! — з-диаграмме. и — в — к.с' — с — к— действительный цикл, н — в — к.с" — сз — н — идеальный цикл ' 5 а 7 (! — М' на Ч й — 1 — Мз 2 н В-1 и!'5 а !ви !н а!вн аг ! (нрновхок.с) а -1 г (н! нова) аг — 1 !«.с !сн !!!рз Чк.с гк.с свн гр.сх «г! а аг ! ( ! + Мй) ' (овхок с) сг"! а аг-1 —;)'-' " .„"— по проточной части удобно оценивать по КПД отдельных элементов: Ч, — КПД повышения давления, характеризующий степень совершенства процесса сжатия воздуха в воздухозаборнике, Чк, — КПД процесса сжатия рабочего тела в камере сгорания и т!р — КПД процесса расширения продуктов сгорания в реактивйом сопле. Связь между этими КПД, коэффициентами полного давления в элементах и М„ может быть описана с помощью уравнений йг ек.с ес ер (пнповво!е.еос) чр о!Рв йг 1 ек.е еве (нуаокяп с) йг — 1 йг! й йг ! ( й — 1 1+ — М' й ' йг (оьвок,о,) йг — 1 и) йг! й ( —.:)"' ' Эффективная работа' цикла еачсчк.вчр („й 1) й-1 ь -в; в; = ' а,г„(,—,— ~)~ е р в й 1 Приведенная эффективная работа цикла еачвчк.вчр ( — — .
й-1 1) Чс+! — в к й-1 Че =- 0 = ° =- — — (П1,З вЂ” 1) Х к.ен вь й ! срвФ явЧ,Ч. сЧ,Янрзй — 1) Ч, + 1~ — 1 й-! йг Напомним, что е = —" — 14„(1 -- 11п йг )) — Я (1— й-1 — — 1/и ) -- коэффициент, учитывающий различие между ят, 1т„и А и 1с„соответственно й-1 1 + ЧтИ„Ну~ н 1 + чтИ и!туз Чг !+Р,н„(!+ й -'-м'„) 1+ЧтИ„Чг(! — й ' Ма,) 440 — идеальная величина степени повышения температуры цикла при коэффициенте полноты сгорания Ч„= 1,0 и коэффициенте избытка топлива а в 1,0 или й-! !+йкну,' 1+йв(1+ З М ) Оп =- О " "~ й ! — 8, пРиа(10, 1 + И„ч„пуз 1+н ч (!+ — м 1 2 ) кг( ч и) Н„= Н„)с Тн — приведенная величина низшей удельной теплоты сгорания топлива, Н„= Нк!Ьв — отношение приведенной низшей удельной теплоты сгорания топлива к теоретически потребному количеству воздуха для сгорания 1 кг топлива, ср Р = эффективное значение удельной теплоемкости рабочего тела в процессе теплоподвода в камере сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
