Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Основой методов профилирования расширяющейся части сопла является метод характеристик. В сверхзвуковой части сопла поток газов расширяется и ускоряется, проходя через бесконечно большое количество волн разрежения (линий Маха, или характеристик). При прохождении потока через волну разрежения изменяется также направление линий тока газа.

Задача профилирования сопла состоит в построении такого контура сопла, при котором газ разгоняется до заданной скорости без образования скачков уплотнения, а движение потока направляется либо под определенным заданным углом О„либо параллельно оси сопла. По длине продольного сечения идеального сопла можно выделить следующие основные участки, характеризующие процессы, протекающие в сопле (рис. 2.8). 1.

Область, находящаяся слева от поверхности АОА ', — это область дозвукового течения газа. В ней происходит разгон дозвукового потока газа до критической скорости. Контур дозвуковой части сопла профилируют, исходя из условия обеспечения отсутствия входных потерь в сопле (см. З 2.2). 11. Поверхность АОА ' — это поверхность, на которой скорость движения газа достигает скорости звука в каждой точке, т. е. поверхность критической скорости. Форма ее в общем случае может быть и плоской, и выпуклой, она определяется контуром дозвуковой части сопла. При различных способах профилирования сопла исходят из различных форм поверхности АОА'.

Наи- Рис. 2.8. Основные области процесса расширения продуктов сгорания в идеальном сопле 2.4. Основные исходные положения при построении профилированного сопла 45 более распространенными являются допущения о плоской или сферической ее форме. !11. Область АА„О„А„'А' — зто область предварительного расширения. Здесь происходит расширение и разгон газа. На участке сопла АА„возникает бесконечное количество слабых волн разрежения А,С,', А1С~, АзСз, ..., являющихся характеристиками. При переходе через волны разрежения происходит уменьшение давления и разгон сверхзвукового потока. При расчете контура сопла криволинейный участок АА„заменяется конечным числом хорд АА и А1Аи ..., А„|А„.

При этом ломаная линия АА1...А„выбирается так, чтобы направление характеристик изменялось на небольшую величину (например, на 2'). Таким образом, бесконечное число волн разрежения бесконечно малой интенсивности заменяется рядом волн разрежения, исходящих из вершин ломаной линии. Эта замена эквивалентна предположению, что расширение происходит не непрерывно, а на малых участках. Угол наклона вектора скорости у стенки АА„относительно оси сопла непрерывно растет и достигает наибольшего значения в точке А„. В точке О„ скорость потока принимает заданное значение скорости на срезе сопла.

ЪЧ. Область А„΄ф— это область выравнивания потока. В ней происходит дальнейший разгон газа и выравнивание направления движения газа. Контур сопла в этой области профилируется из условия, чтобы в точках Сь Съ Сь ... не происходило отражения волн разрежения А,'С,, А~С~, АзСз, .... Для этого необходимо, чтобы в точках Сп Сз, Сь ... направление стенки совпадало с направлением скорости. Поэтому в этих точках угол наклона стенки А,С„изменяют на угол, равный углу поворота потока при прохождении через волну разрежения А,'С,, А~Сз, А',Сз, .... Угол наклона вектора скорости потока у стенки А„С„от точки А„до точки С„непрерывно уменьшается. При затухании всех волн разрежения А,'С,, А~С~, ...

стенки сопла будут параллельны оси сопла (для идеального сопла). Таким образом, начиная от точки А„ угол наклона контура стенки к оси сопла непрерывно уменьшается. Точка А„ является точкой перегиба. На участке АА„угол наклона контура непрерывно растет. При построении профиля на этом участке в зависимости от линии тока, по которой строится профиль сопла, можно получить ббльшую или меньшую длину образующей АА„, и при построении профиля по предельной линии тока участок сведется в точку.

Тогда область ГЧ будет начинаться от критического сечения сопла, в котором контур сопла будет иметь излом (рис, 2.9, а), Поэтому такое сопло называют соплом с угловым входом. При прочих равных условиях длина сверхзвуковой части сопла с угловым входом будет наименьшей. Поэтому в ЖРД целесообразно применять сопла с угловым входом. Глава 2. Сопла ЖРД 46 Ск Ов' О„ в О 0„ а Ск О„ О О г О„ Ч. Область С„О„С„' — это область однородного потока газа.

Для идеального сопла направление движения потока в этой области параллельно оси. Скорость потока равна заданной. Для построения сетки характеристик необходимо знать начальное распределение скоростей в каком-либо сечении сверхзвуковой части сопла. Если известны форма и положение поверхности критической скорости АОА' (см. рис. 2.8), то построение характеристик можно вести от этой поверхности.

Необходимо иметь в виду, что вблизи поверхности скорость течения незначительно превосходит критическую, вследствие чего точность построения характеристик не велика. Поэтому иногда характеристики строят, начиная с некоторого участка, где течение уже обладает сверхзвуковой скоростью. Распределение скоростей на этом участке считают известным.

При профилировании сопел ЖРД используют несколько приемов построения характеристик и профиля. Часто исходят из предположения, что при достаточно плавном профиле дозвуковой части (большом значении Я, ) в узком сечении образуется плоская поверхность критической скорости. При этом сетка характеристик будет иметь вид, показанный на рис. 2.9, а, б. Профиль сопла, проведенный на рис. 2.9, а, имеет угловой вход в закритическую часть (контур с угловой точкой или сопло с угловым входом).

Контур сопла, изображенный на рис. 2.9, б, имеет плавный вход. При этом длина закритической части сопла будет большей, чем в случае контура с угловой точкой. При построении входной части, обеспечивающей плоскую поверхность критической скорости, для профилирования закритической части сопла как с угловым входом, так и по промежуточной линии тока можно воспользовать- Рис. 2.9. Различные начальные условия для построения сетки характеристик и про- филя сопла: а — поверхносп. АО плоская, угловой вход; б — поверхность АО плоская, плавный вход; в — т'т'— рассчитанная поверхность, вход скругленный; г — радиальный поток до поверхности А„О„, кони- ческий вход 2.5. Укороченные и отпимальные сопла 47 ся таблицами параметров сверхзвукового течения газов„составленными О.Н. Кацковой и Ю.Д.

Шмыглевским ~6). Характеристики можно строить и так, как показано на рис. 2.9, в, т. е. от выпуклой поверхности лг'и' в области критического сечения по методике [2, 71. В некоторых работах начальный участок расширяющейся части сопла предлагают выполнять коническим. При этом течение в критическом сечении фактически не рассматривают, а предполагают, что сверхзвуковой поток начинается от источника в точке К (рис. 2.9, а).

На начальном участке течение принимается радиальным и известным до характеристики А„О„(рис. 2.9, г). Построение характеристик начинается от известной в данном случае характеристики А„О„. Однако исследования поля течения в конических соплах показали, что совпадение направлений течения газа и потока от источника имеет место только на очень отдаленных участках сверхзвукового течения.

Кроме того, расширяющаяся часть сопла, построенная в предположении радиального течения на ее начальном участке, имеет плавный вход и получается более длинной, чем у сопел с угловым входом. 2.5. Укороченные и оптимальные сопла Укороченные сопла Основываясь на известном из газовой динамики методе характеристик, можно спрофилировать идеальное сопло, обеспечивающее равномерный и параллельный поток на срезе. Если не учитывать потерь тяги из-за трения, то такое сопло даст наибольшую тягу. Выясним, однако, целесообразно ли применение идеальных сопел в ЖРД. Рис.

2.10. Сравнение идеального сопла с укороченным: ! — тяга без учета потерь из-за трения; 2 — потери из-за трения; 3 — тяга с учетом потерь из-за трения; 4 — тяга идеального сопла; 5 — тяга укороченного сопла; б — контур идеального сопла 48 Глава 2. Савла ЖРД Концевой участок ВС идеального сопла, представленного на рис. 2.10, дает очень малый прирост тяги, так как на этом участке образующая поверхности сопла почти параллельна оси.

Оказывается, что на крайнем участке ВС потери тяги из-за трения превышают прирост тяги на этом участке. Укоротив сопло, можно получить существенное уменьшение габаритов и массы сопла, что очень важно для ракетных двигателей. Таким образом, при определенном уменьшении длины идеального сопла мы выигрываем не только в весе сопла и его габаритах, но еще и в тяге.

Такие сопла, полученные уменьшением длины идеального сопла, называют укороченными. Оптимизация сопел Идеальное сопло, из которого получают укороченное, называют исходным соплом. Очевидно, что для получения укороченного сопла, обеспечивающего, например, заданную скорость (т. е. имеющего заданную величину Е,/Р, ), исходное сопло должно быть рассчитано на какое-то большее число М„нам не известное.

Поэтому необходимо строить семейство исходных сопел с различными М, и выбрать из них оптимальное укороченное сопло, обеспечивающее заданное значение Р;/Р;, при наименьших потерях тяги. Можно также, укоротив, например, все исходные сопла данного семейства до какой-либо заданной длины х„найти сопло заданной длины, позволяющее получить наибольшую тягу с учетом всех потерь.

Характеристики

Список файлов домашнего задания