Динамические процессы в ЖРД (1049221), страница 20
Текст из файла (страница 20)
При этом будет наблюдаться глубокое уменьшение расходов компонентов и разгрузка турбины. Описанное аномальноеявление устраняется повышением кавитационных качеств насосов,уменьшением значений массовых коэффициентов bit увеличениемвремени выхода на режим, временным увеличением наддува и другими путями.Для днища и арматуры будем иметь:(2. 340)(2.341)где пга — нагреваемая масса арматуры.Тепло, израсходованное на нагрев жидкости, будет равно:(2.
342)Поскольку масса жидкости У ш достаточно велика, приращениетемпературы жидкости обычно оказывается незначительным.В результате теплообмена наблюдается изменение внутреннейэнергии газа. Учитывая, что количество газа в баке непрерывноизменяется, найдем, что(2. 343)§ 9. П Р И Б Л И Ж Е Н Н Ы Й МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬИ КОЛИЧЕСТВА ПАРОВ, КОНДЕНСИРУЮЩИХСЯ В БАКЕИсследование систем наддува баков показало, что теплообменмежду газами, поступающими в бак из аккумулятора, и поверхностями, ограничивающими объем газа, оказывает существенное влияние на процесс вытеснения жидкости.
Кроме изменения тепловогобаланса, учтенного в § 4 введением производных Qa и Qs, в некоторых случаях наблюдается уменьшение количества газа в полостибака, примыкающей к зеркалу жидкости, вследствие конденсациипаров на холодных поверхностях. Процесс конденсации будет протекать и на поверхности жидкости.Рассмотрим теплообмен без учета конденсации паров.
Подробный расчет может быть произведен при наличии конкретной схемыбака, системы наддува, а также двигателя в целом, и заданныхусловий работы. С целью иллюстрации метода приближенного расчета рассмотрим упрощенную задачу.Газ, поступающий в верхнюю полость бака, при условии, что еготемпература Т выше температуры внутренней поверхности стенкиТс, будет нагревать верхнее днище бака, вытесняемую жидкость,стенки и арматуру, расположенную в баке.
В случае только конвективных тепловых потоков будем иметь:где Y — количество газа в баке в рассматриваемый момент времени;cv — теплоемкость газа.. Уравнения теплового баланса запишутся в следующем виде.Во-первых, количество тепла, отданное поверхности нагрева,равно-повышению теплосодержания нагреваемых масс, следоваТО ГГ Г_ Т 1 Г\(2. 344)(2. 345)(2.346)(2.
347)Во-вторых, количество тепла, полученное нагреваемыми массами, равно изменению внутренней энергии газа:(2. 348)(2. 338)где а, — коэффициент теплопередачи;Si — нагреваемая поверхность.В результате нагрева стенка бака получит тепло(2.339)где Ес — коэффициент, учитывающий разницу между средней температурой стенки и температурой Гс — ее внутренней поверхности;ос — толщина стенки бака;гс —теплоемкость материала стенки бака.162Поверхность днища(2.349)где ед — коэффициент, учитывающий отличие формы днища отплоской;г — радиус бака.Поверхность зеркала жидкостиг(2. 350}Де е ж — коэффициент, учитывающий увеличение поверхности жид-ткости за счет ее неровностей и отклонения вектора полного ускорения полета от направления, совпадающегос осью ракеты.11*163Объем жидкости, вытесненной из бакабудет равен:кмоменту времени t,Температура стенки первого кольца к концу первоговремени составит:периода(2.357)(2.351)Количество газа в баке в рассматриваемый период времени будет равно:где Ож —секундный массовый расход жидкости из бака.Объем, заполняемый газами, составит:(2.
358)(2. 352)Уменьшение температуры газа в баке составит:(2. 359)Поверхность стенки бака(2. 353)где 8С — коэффициент, учитывающий отличие формы бака от цилиндрической;V'n — начальный свободный объем бака.Количество газа в баке в момент времени t, без учета конденсации, будет равно:(2.
354)где рб, Гб —давление и температура газов в баке.Рассмотрим одну из возможных последовательностей расчетатеплообмена между газом и стенкой бака, без учета конденсациина стенках. Разобьем бак по длине на отдельные кольцевые секции,высотой А/ каждая (фиг. 17). Расход жидкости из бака будем считать постоянным. При этом опорожнению каждой секции соответствуют одинаковые промежутки времени At. Расчет ведем по усредненным значениям параметров, предполагая скачкообразное перемещение жидкости в баке.После перемещения жидкости на величину Л/ обнажается внутренняя поверхность первой кольцевой секции, которая будет взаимодействовать с газом в течение At секунд.
Нагрев первого кольцав течение первого промежутка времени характеризуется следующими уравнениями.Тепло, переданное от газа к стенке:(2. 355)где индекс «О» отмечает начало процесса.Для определения приращения температуры стенки имеем:Фиг. 17. Схема, иллюстрирующая теплообмен в баке.Новое значение температуры газа будет:(2. 360)На этом заканчивается расчет нагрева первого кольца в первыйпериод времени.Во второй период времени наблюдается нагрев уже двух колец,однако начальная температура первого верхнего кольца Tlcl вышеначальной температуры 7^ второго кольца, только что появившегося из-под зеркала жидкости.Масса газа, поступившего из генератора за время At, равна:(2.361)(2.
356)164165Масса газа в баке составит:(2. 362)Секундный массовый приток газов из аккумулятора в бак составит:(2. 371)Температура газа в баке в начале второго периода нагрева, придопущении о постоянстве теплоемкости (поскольку в рассматриваемом процессе изменения температуры невелики), будет равна:При проведении опытов, если известен режим работы аккумулятора, т. е. G ( t ) , и газовая постоянная R, то по результатам измерения ре и Тб можно определить количество сконденсировавшихсяпаров по формуле(2.363)(2. 372)Тепло, переданное от газов к первому кольцу, составит:(2. 364)Или, если использовать выражение (2.352), то получим:Тепло, переданное от газа ко второму кольцу, будет равно:(2.
373)(2. 365)Тепло, отданное газом стенке, Qi равно сумме:(2. 366)Секундный массовый приток конденсата в достаточнослучае, когда pG, Т5, Ож и G переменны, составит:общемУменьшение температуры газа в баке будет равно:(2.367)(2.374)Новое значение температуры газа в баке найдем так:(2.
368)Если PG и TQ постоянны, тоДавление в баке будет равно:(2. 375)(2.369)В третий период времени рассчитывается нагрев уже трех колец, причем методика остается аналогичной той, которая рассмотрена выше.Рассмотрим некоторые закономерности, характеризующие образование конденсата. Количество газа в баке в произвольный моментвремени определится по формуле:(2. 370)где GKOH — количество конденсата, образующегося в единицу времени.1.66Появление конденсата возможно в той части пристеночногослоя, где температура газа меньше значения Т8, подсчитанного длязаданного давления в баке. По мере удаления от зеркала жидкоститемпература стенки увеличивается и на расстоянии 18 достигнет величины TC = TS. При перемещении от центра бака к стенке температура газа будет уменьшаться, и на некотором удалении 6s от неедостигнет значения T=TS. Чем дальше (выше) от зеркала жидкости, тем меньше будет 6S.
На расстоянии /s значение 6g=0. Следовательно, объем газа, в котором в рассматриваемый момент времени имеет место конденсация паров, содержащихся в газе, будетравен:(2. 376)167Заметим, что отсчет величины / производится от зеркала жидкости. Уравнение теплового баланса, при наличии конденсации, записывается в следующем виде:(2. 377)Это уравнение может быть представлено следующими двумя выражениями:(2. 378)(2.379)В уравнениях (2.377) и (2. 378) скрытая теплота конденсации г*введена под знак дифференциала, с учетом возможного изменениядавления в баке. Имея в виду выражения (2. 373), (2.
374) и (2. 353)и считая теплоемкость cv = const, получим вместо (2.377):(2. 380)Если расчет вести по периодам времени At и с использованиемпонятия о кольцевых секторах, имеющих длину А/, то при проведении инженерных расчетов можно положить г*=р5 = Тс = 7б = 0.При этом вместо выражения (2.380) будем иметь:(2.381)168Первое слагаемое левой части уравнения (2.381) характеризуетпроизводную от полного количества тепла, содержащегося в газах,заполняющих верхнюю полость бака.
Второе слагаемое характеризует производную от количества тепла, вносимого рабочим телом,поступающим из аккумулятора в бак. Первое слагаемое правойчасти уравнения представляет собой производную от количестватепла, содержащегося в материале стенки.
Последнее слагаемоеравно производной от количества тепла, израсходованного на конденсацию в пристеночном слое.ческих клапанов. Одним из распространенных способов осуществления резкого открытия клапана является применение разрывногоболта.Глава IIIВЗАИМОСВЯЗЬ Д И Н А М И Ч Е С К И Х ПРОЦЕССОВ§ 1. ХАРАКТЕРНЫЕ СХЕМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ И ВОЗМОЖНЫЕВАРИАНТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИХ РАБОТЫНа фиг.
18 представлена схемадвигателя с баками,нагруженнымивысокимдавлением. Системапитания такого двигателя называется газобаллонной, или нагруженной.Исследования [2, 3, 43] двигателей, выполненных по рассматриваемой схеме, показали, что относительный вес двигателя (равныйотношению веса конструкции двигателя к весу топлива, сгорающего за время полета ракеты) резко возрастает при увеличениидавления в камере сгорания.
Зависимость относительного весаот давления в камере имеет асимптотический характер: по мереприближения давления в камере к давлению в аккумуляторе относительный вес стремится к бесконечности. В связи с современнойтенденцией к повышению давления в 'камере [2, 22] система питания с нагруженными баками с этой точки зрения не представляется перспективной.Исследования [31, 43] показали также, что относительный весдвигателя мало изменяется с ростом тяги; при увеличении размераракеты, массы полезного груза и дальности полета весовые качества двигателяне улучшаются.
Следовательно,применятьдвигатели, оснащенные системами питания рассматриваемого типа,наиболее целесообразно в стендовых установках, где относительный вес не является критерием, характеризующим качество двигателя, а также в маленьких ракетах, при относительно небольшомдавлении в камере сгорания. Предельные значения тяги и давленияв камере увеличиваются в случае применения боле прочных и легких конструкционных материалов.Запуск двигателя может быть быстрым или медленным, протекать в одну или в несколько ступеней. Для осуществления быстрогоодноступенчатого пуска в гидравлических цепях устанавливаютмембраны, прорываемые с помощью пироклапанов или давлениемкомпонентов, возрастающим при быстром открытии клапанов,установленных перед мембранами. Быстрый выход на марш можнообеспечить и без мембран, путем мгновенного открытия гидравли170Фиг.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
