Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Характер изме- нениЯ.УпРавлающих паРаметРов РегУлиРованиЯ (1„, 1„'р и т'9,"), а также фк, п„и Р, приведен на рис. 15.14, а соответствующие им скоростные характеристики при этом законе регулирования и сс = сопз1 .— на рис. 15.13. Видно, что тяговые параметры ПВРД (Рр и срр при Рпр. части = чаг) приближаются к параметрам идеального ПВРД, а .гтд р,а, остается меньше г' д „„из-за более низких значений пвх мах, чем в идеал~но~ ПВРД. Высотные характеристики.
На рис. 15.15 приведены высотные характеристики ПВРД, рассчитанные в диапазоне изменения Н от 0 до 25 км при числе М„= 4 (при Т„= сопз1). Удельный импульс и коэффициент тяги ПВРД непрерывно увеличиваются, а относительная тяга уменьшается с увеличением высоты полета вплоть до Н = 11 км в результате увеличения относительной работоспособности газа О,", обусловленной увеличением относительной степени подогрева О* из-за уменьшения статической температуры воздуха на входе. В области Н от 11 до 20 км величины т' д, с и Р остаются неизменными из-за сохранения постоянной величины Тк (Тн = 215,5 К). В то же время расход воздуха при Рв = сопз1 уменьшается с увеличением высоты полета до Н вЂ” — 11 км несколько медленнее, 462 Рис.
15.15. Зависимость удельного импульса тяги а'тд, коэффиниеита тяги ср и относительной тяги Р;= = Р!Ра ~ от высоты полета. Топливо — керосин, Мп =- 4,0 (а а у„ и чем в области Н=11 ... 20 км, в которой расход воздуха изменяется прямо пропорционально статическому давлению. В области высот полета Н > 20 км удельный импульс, коэффициент тяги и относительная тяга уменьшаются с увеличением высоты вследствие уменьшения плотности и возрастания статической температуры атмосферного воздуха, приводящих к уменьшению расхода и относительной степени подогрева воз- 4Г духа в ПВРД. Рк гтчгггг гаа таа уаь лlгауиг м Рнс. 15.16.
Зависимость лобовой тяги Рг и удельного импульса тяги а'тд от коэффициента избытка воздуха а. Топливо— керосин, О 11 км, Мп = 40 — — — — Мп = 6,0 о Ф а гс 463 ДРоссельпмехаРпкпгеРистики а а та га га га Ил ПВ РД. Они представляют собой зависимости основных данных двигателя (тяги и удельного импульса) при заданных режимах полета (скорости или числа М„ и высоты Н) и способе регулирования двигателя от степени подогрева воздуха в двигателе. При работе на нефорсированных режимах, т. е. при использовании в качестве топлива горючего, в ПВРД с нерегулируемыми сечениями"проточной части и при регулировании входного устройства н сопла простейшим способом воздействия на характеристики является подача горючего, определяющая коэффициент избытка воздуха а.
Из уравнений для определения удельных параметров ПВРД видно, что относительная тяга непрерывно уменьшается с умень. шепнем расхода топлива (увелнчение а), а удельный импульс тяги имеет экстремум, зависящий от уровня потерь и режима полета. Сила тяги ПВРД зависит от закономерностей изменения О,'и Р,„по а, которые в свою очередь определяются законом регулирования площади проходных сечений двигателя. Типичные закономерности изменения лобовой тяги и удельного импульса СПВРД, использующего в качестве топлива керосин, в зависимости от а приведены на рис. 15.16 для М, = 4,0 и М = 6,0 при Н = 1! км.
Видно, что максимальная величина удельного импульса СПВРД с увеличением М, сдвигается в сторону меньших значений а. Этот результат является закономерным следствием увеличения потребной степени подогрева с увеличением степени повышения давления в цикле, определяемой ростом скорости полета. 16.6. ГИНЕРЗВУКОВЫЕ ПРЯй4ОТОЧНЫЕ ВОЗДУШНО- РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ Ухудшение характеристик СПВРД и возрастание тепло- напряженности элементов конструкции двигателя с увеличением скорости полета до значений, превышающих 4000 ... 5000 км/ч, как уже отмечалось, объясняет целесообразность перехода к гиперзвуковым ПВРД, т. е. к прямоточным воздушно- реактивным двигателям со сверхзвуковой скоростью по проточной части (ГПВРД), в которых путем уменьшения степени сжатия воздуха во входном устройстве до определенной сверхзвуковой скорости удается одновременно с улучшением эффективности цикла (в результате уменьшения потерь в воздухозаборнике и сопле) заметно снизить температуру и давление воздуха на входе в камеру и уменьшить теплонапряженность конструкции, обеспечив тем самым работоспособность двигателя.
Схема ГПВРД с соответствующими обозначениями по тракту приведена выше иа рис. 15.1, и. Особенности цикла ГПВРД !го ог !но го гл фРХ фг 4)л ' о)7 (78 Цр бкс Рис. 16.17. Иэображение циклов ПВРД Рис. !Е.!8. Влияние коэффициенв ! — 3-диаграмме н — на — га — с — н — иде- та полного давления в камере сгоальный цикл Брайтона, н — в — г — с — н — ранна ГПВРД иа иэм нение атно- теоретический цикл ПВРД при теплопод- сительной теоретической работы воде в камере постоянного сечения и КПД гГпвгдг 'гврайтена сгорания в камере (71р = 1,0) е,= Г„,дт„= 1е, й =1,4 Чг Чггпврд ' г!гвраатона' и отсутствии скорости в камере (71„., = 1,0 при М, — О). Это означает, что теоретические работа и термический КПД цикла ГПВРД будут всегда ниже соответствующих значений теоретической работы и термического КПД идеального цикла Брайтона, характеризующих работу й'.г и КПД г)г идеального ПВРД. На рис.
15.17 приведено изображение идеального цикла ПВРД и теоретического цикла ГПВРД. Напомним, что теоретическая работа идеального ПВРД й — 1 у., = 7 7.е = ги я — 1! —,— 1, а термический КПД гоз т)г = 1 — 1/пго Теоретическая работа ГПВРД СГ , , СВ Бгг = (-ри — (.Вэт = гг -- (с + —" — (гв — (В) — — ' с- г с о В н ' о йг (15.12) а термический КПД йг Е, ! — !7(о„и, )" роз й-! й — ! „й роз ьг„ ч)㠄— о (15.13) и, — 1 й оз е,— и„ й оз В отличие от ПВРД других типов из-за органических потерь при теплоподводе к движущемуся с большой скоростью воздуху в камере сгорания максимальная работа и КПД термодинамического цикла гиперзвукового ПВРД будут ниже теоретической работы и термического КПД идеального цикла ПВРД, реализуемого при отсутствии необратимых потерь энергии при сжатии воздушного потока (т1, = 1,0), расширении продуктов 464 Видно, что теоретические работа и термический КПД идеального ГПВРД ниже соответствующих значений /.!„и т!!„идеального цикла Брайтона из-за органических потерь в камере сгорания, обусловленных теплоподводом к сверхзвуковому потоку.
При отсутствии потерь, т. е. при ов в — 1,0 и /«г — /!, как и следовало ожидать, уравнения (15.12) и (15.13) обращаются в уравнения для определения работы /.! и КПД !)! идеального ПВРД, соответственно. Чем больше число М, на входе в камеру сгорания ГПВРД, тем меньше при заданной степени теплоподвода (О; или О) величина ов, в и больше отличие Л!„от /.! и т!!г от т!г. С увеличением скорости полета из-за роста прв влияние и„.
в уменьшается (рис. 15.18). В реальном ГПВРД потер!)~полного давления на входе из-за меньшей степени сжатия воздуха в воздухозаборнике будут ниже, а коэффициент полного давления в сопле ов из-за меньшей степени расширения газа в реактивном сопле будет выше, чем соответствующие параметры реальных ПВРД с дозвуковой скоростью в камере (реальных дозвукового ПВРД и СПВРД). В то же время коэффициент полного давления в камере ГПВРД о„, из-за подвода тепла к сверхзвуковому потоку в ГПВРД будет ниже, чем в ПВРД с дозвуковой скоростью в камере. С увеличением ско'рости полета из-за увеличения степени сжатия воздуха в воздухозаборнике и степени расширения газа в реактивном сопле потери полного давления на входе и при расширении газа начинают возрастать и составлять основную долю потерь полного давления по тракту ПВРД. При определенной скорости полета отношение д„гпврд = оз гпврд/оз пврд -— — (о,«п„,вов)гпзрд/(и «пмвпв)пзрд станет больше единицы, т.
е. несмотря иа возрастание потерь изза теплоподвода в камере сгорания (уменьшение ов в) относительное увеличение ов „пврд/о„пзрд и о, гпзрд/ов пзрд приведет к росту ох „прад и перепад давления в реактивном сопле реального ГПВРД станет выше перепада давления в реальных ПВРД с дозвуковой скоростью в камере. Величина скорости полета, при которой ГПВРД становится эффективнее ПВРД с дозвуковой скоростью в камере, зависит от уровня потерь в элементах сравниваемых двигателей, степени их регулирования и закономерностей изменения коэффициентов восстановления с увеличением степени сжатия воздуха и степени расширения газа в реактивных соплах: с увеличением значений ов» пврд а„,в пзрд и о пзрд число М„, при котором термодинамическая эффективность ГПВРД и СПВРД становятся одинаковыми, сдвигается в сторону больших чисел М„, т, е.
реальный СПВРД по термодинамическим параметрам становится выгоднее ГПВРД в более широкой области режимов полета. г Уравнение для определения эффективной работы ГПВРД имеет вид: 1. =-/-р.— Б.,=(!+4.) ~(«г -- в)+ ~ ~ — ~(" — ')-/- ~~ » — ! . (р,) — ! в ~~ — ( г' ) в 1 г,!...„,1 1 + (,яр»з — !,)ч, + ! 3 г-, + з ( +/г) з (!5.14) , ' - (У) ' »..! ! ( +вг)чрпс ~.р" — !,) Чг+ ! Эффективный КПД + ( + г с-'„— — )/ '1арз — 1) гв (15.15) Чвг » — ! ~(! 1,,)(О+ '" ) "~~( „" — !) г ° ° в Если заменить «„+ —, = «„, и !, + — == /в! и подставить з'н в уравнения (15.14) и (15.15), то нетрудно видеть, что уравнения для определения /.
и Ч,„совпадают с соответствующими уравнениями для определения Ц и т), ПВРД в дозвуковой камере. Различие состоит только в значениях КПД (или о), определяющих потери в элементах двигателя: чем выше совершенство процессов сжатия воздуха при сжатии воздуха в воздухозаборнике, расширения газа в реактивном сопле и теплоподвода в камере, тем больше эффективные работы и КПД ГПВРД. При одинаковом уровне потерь полного давления на входе и эффективности процесса расширения газа в реактивном сопле реализуемые значения /.„ и т)„, зависят от уровня потерь при теплоподводе к сверхзвуковому потоку в камере.
На рис. 15.19 изображены циклы ГПВРД при одинаковой степени сжатия потока в воздухозаборнике и при одинаковой степени теплоподвода, реализуемого в камерах трех различных геометрических форм: в камере постоянного сечения, в камере при р = сопз! и сужающейся (/,< 1,0). Видно, что при заданных степени теплоподвода и условиях на входе максимальные величины статического давления и работы расширения могут быть реализованы в сужающейся камере, несколько меньше в цилиндрической камере и минимальные в камере с р = сопз( (Лср ) Лср > Жрз!).
Полученный результат закономерен, так как при одинаковом уровне потерь в «холодной» части тракта уровень тепловых потерь, обусловленных тепло- подводом к движущемуся потоку, будет наибольшим в изобариЗОв 467 Рис. !5.19, Изображение циклов ГПВРД при различных законах теплоподвода в ! — 3-диаграмме1 — теплоподвод в камере пра / = Г /Р = 1,0; — — — — теплоподаод а камере г г в Р = сола! (Р = р =- р ), — — — теплооодвод в сужающейся камере др» / к 1,О в " г' г — скоРость потока а камеРе. н — в-к. с — с — н — циил в камеРе с /г — — 1,0; н,с н — в — к. с — с — н — цвкл в камере при / ж 1,0; н — в — к. с — с — н — цикл с теплое е г 1 1 подводом в камере р = сопИ ческой камере, в которой скорость потока при теплоподводе практически не снижается, и наименьшим в сужающейся камере, скорость сверхзвукового потока в которой уменьшается из-за теплоподвода и сужения канала '.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
