Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 24
Текст из файла (страница 24)
ВОПРОСБ! ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ И ЗАДАЧИ 1. Как записывается уравнение закона сохранения массы для газового потока и для потока несжимаемой жидкости? 2. Как применяется закон сохранения энергии к адиабатическому течению реагирующей смеси газов без учета трения? 3. Что такое скорость звука? 4. Как зависит скорость звука от температуры н состава газа? 5. Как связаны между собой скорость звука в неподвижном и движущемся газе? б.
Что таное критическая и максимальная скорости газа? 7. Что означает число М? 8. Что такое температура торможения? 9. Какую форму имеет сверхзвуковое сопло? 1О. Какое сечение сопла называется критическим? 11. Определите скорость звука в воздухе при Т=ЗОО' абс. 12. Найти расход газа при адиабатическом течении через сопло, если температура его на входе 450' С, давление на входе в сопло 20 ага, площадь нритического сечения 2 сме, ??=ЗО и п„з = 1,22. ГЛАВА 1Ч ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИИ ЦИКЛ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ При анализе рабочего процесса тепловых двигателей, разновидностью которых является жидкостный ракетный двигатель, широко используется метод термодинамических циклов.
В СССР этот метод получил общее признание на основе работ теплотехнической школы Московского высшего технического училища им. Баумана. Термодинамические циклы дают наглядное представление о способе работы и основных особенностях данного теплового двигателя. П од ц и к л о м подразумевается последовательность термодинамических процессов, происходящих в рабочем теле двигателя, в результате совершения которых происходит преобразование тепла в работу. Р а б очи м телом в ракетных двигателях является жидкое топливо и газообразные продукты его сгорания.
При этом после окончания цикла рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, в котором оно находилось к началу предыдущего цикла. Такое положение может иметь место только при обратимом протекании ~всех процессов, составляющих цикл, т, е. в условиях, которые не могут быть осуществлены в ракетном двигателе. Вследствие этого цикл всегда схематизирует и упрощает действительные процессы.
В зависимости от того, насколько точно процессы, из которых мы образовываем цикл, описывают действительные процессы, происходящие в двигателе, можно составить различные циклы. Цикл, наиболее близкий к реальному двигателю, будем называть действительным циклом, наиболее схематичный — идеальным. Кроме того, цикл, составленный процессами, которые можно в настоящее время теоретически рассчитать, будем называть расчетным циклом. $18. КИКЛ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Идеальный цикл ЖРД Идеальный цикл в наибольшей степени упрощает действительные процессы, происходящие в двигателе, а некоторые из них не рассматривает вообще, поэтому идеальный цикл наиболее далеко отстоит от действительных процессов, происходящих в ракетном двигателе.
128 Однако, давая простые расчетные соотношения, идеальный цикл позволяет наиболее четко вскрыть основные факторы, 1влияющие на работу двигателя и особенно на степень использования вводимого в двигатель запаса энергии, а также установить влияние свойств рабочего тела на работу двигателя. Рассмотрим идеальный цикл жидкостного ракетного двигателя 1фиг. 61) . Положим, что в двигатель поступает 1 кг жидкого рабочего тела — топлива при давлении и температуре окружающей среды.
Этот килограмм жидкого рабочего тела имеет объем о, следовательно, начальная точка нашего цикла будет точкой е'. Но так как объем о ничтожно мал, то точку и' заменим точкой е, лежащей на оси давлений. Таким образом, мы пренебрегли объемом о . р„1 Фиг. 61. Идеальный и расчетный циклы ЖРД. евро — идеальный цикл, е'Ий'аы — расчетный цикл. Для подачи в камеру сгоРания жидкие компоненты должны быть сжаты до давления в камере и вытолкнуты в нее под этим давлением. Так как жидкие компоненты практически несжимаемы, то работа сжатия равна нулю. Работа выталкивания также равна нулю, так как мы уже приняли о = О, Состояние жидкого рабочего тела, поступающего в камеру сгорания при давлении р„характеризуется точкой 1, лежащей на оси давлений.
К рабочему телу, поступившему в камеру сгорания, подводится при постоянном давлении р, количество тепла, равное теплотворной способности топлива, Вследствие этого температура рабочего тела возрастает до величины Тй, а удельный объем до ий. В точке 2, характеризующей состояние рабочего тела в конце подвода тепла, начинается адиабатическое расширение рабочего тела постоянного состава от давления рй до того давления ра, которое устанавливается на срезе сопла.
Для того чтобы рабочее тело вернулосыв первоначальное состояние е', его надо охладить и сконденсировать до объема о ы при давлении окружающей среды. Так как в общем случае двигатель может работать и не на расчетном режиме, то давление на срезе сопла может быть не равно окружающему давлению р и. Поэтому в общем 129 Г. Б. Синареа и М. И. доароаольский случае охлаждение и конденсацию рабочего тела до первоначального состояния будем проводить в два этапа от точки 3 до точки д по изохоре И и от точки Ы до точки е по изобаре Ые.
Полученный таким образом замкнутый цикл е12И и будет идеальным циклом ракетного двигателя. Работа идеального цикла, как н всякого другого цикла, определяется площадью, ограниченной линиями процессов, составляющих цикл; в данном случае — площадью е12И. Обозначим эту работу 1.„. Работа цикла меньше того количества энергии Н„, которое подве дено к рабочему телу, так как по выходе из двигателя рабочее тело еще обладает определенной температурой и, следовательно, теплосодержанием. Унос энергии с рабочим телом, составляющий потерю прн работе двигателя в идеальном цикле, заменяется фиктивными процессами охлаждения н конденсации рабочего тела.
Соотношение между идеальным циклом и реальными процессами в ЖРЙ Рассмотрим отличия реальных процессов в ЖРД от процессов, составляющих идеальный цикл. В идеальном цикле предполагается, что рабочее тело периодически возвращается в начальное состояние, а следовательно, не нуждается'в замене, в то время как в ракетном двигателе происходит смена рабочего тела, для осуществления которой необходима работа насосов или других приспособлений для подачи компонентов топлива.
Работа, затрачиваемая на сжатие и подачу жидкости, определяется (без учета к. п. д, агрегатов системы подачи) площадью ее'1'1 (см. фнг. 61). В ракетном двигателе работа, затрачиваемая на подачу компонентов в камеру, будет еще большей, так как давление подачи должно превышать давление в камере на величину гидравлического сопротивления системы подачи, т. е. трубопроводов, форсунок и охлаждающей рубашки.
Затрачиваемая на процесс сжатия и подачи компонентов работа соответственно уменьшает полезную работу идеального цикла. Идеальный цикл не рассматривает реального процесса сгорания, а заменяет его процессом подвода тепла в количестве Н» ккалукг, нс учитывая потерь энергии в процессе сгорания. Имеющиеся в камере сгорания потери тепла, связанные как с диссоциацией продуктов сгорания, так и с физическим недогоранием топлива, снижают достигаемую температуру Т,', делая ее меньше величины Тм Кроме того, процесс сгорания сопровождается движением рабочего тела вдоль камеры. В процессе этого движения имеют место потери давления по двум причинам.
Во-первых, рабочее тело, вследствие испарения, а затем разогрева в процессе сгорания, увеличивает свой удельный объем, а следовательно, и свою скорость, т. е. приобретает некоторую кинетическую энергию. Происходит, как говорят, тепловой разгон газа в камере. Этот разгон рабочего тела в соответ- 130 ствии с уравнением закона сохранения энергии должен сопровождаться затратой некоторой работы. Источником этой работы может явиться расширение газа с падением его давления. Работа расширения в камере сгорания определяется площадью треугольника 1'2'с' (см.
фиг. 61). Таким образом, разгон газа обязательно сопровождается падением давления в камере. Величина падения давления определяется скоростью газа, которую он приобретает в конце камеры сгорания. В обычно применяемых камерах, когда поперечное сечение ее велико по сравнению с критическим сечением сопла, скорость в конце камеры сравнительно невелика, а следовательно, затрата работы на разгон газа и понижение давления в камере также невелики. В камерах особых типов, так называемых скоростных, падение давления может доходить почти до половины начального давления. Другой причиной, вызывающей падение давления м камере егора.
ния, является гидравлическое сопротивление ее. Потеря давления по этой причине в обычных камерах также незначительна, Для обычных камер сгорания современных ЖРД общая потеря ~ давления между начальным сечением и входом в сопло составляет ~ 1 — 2'/а начального давления в камере сгорания. Процесс расширения в действительном двигателе происходит не по адиабате расширения газа неизменного состава, а по изоэнтропе равновесного расширения реагирующих продуктов сгорания.
Это приводит к частичному возвращению химической энергии, затраченной на диссоциацию, вследствие чего п (А и работа расширения будет большей по сравнению с работой адиабатического расширения от температуры Т,'. Кроме того, и процессе расширения происходят попутные явления: отвод 'тепла к охлаждаемым стенкам двигателя и трение газа при движении его по соплу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
