Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Эти процессы снижают работу цикла, так как приводят к потере продуктами сгорания кинетической энергии. Вытекание продуктов сгорания из сопла и унос ими энергии, соответствующей их температуре на срезе, в идеальном цикле заменяются фиктивным процессом охлаждения. Такая замена, однако, не вносит ошибки при определении работы цикла, ибо количество энергии, унесенной продуктами сгорания, равно тому количеству тепла, которое надо отвести от продуктов сгорания, чтобы охладить и сконденсировать их до начальных условий. Идеальный цикл, как видно из сравнения его с реальными процессами ЖРД, чрезвычайно схематичен. Он может быть использован для качественного анализа работы ЖРД, но не годится для количественных расчетов и определения параметров газа в камере.
В настоящее время все основные процессы, происходящие в ЖРД, а именно: сжатие жидкого топлива и подача его ~в камеру, сгорание с учетом диссоциации, изоэнтропическое расширение продуктов сгорания в сопле с учетом процесса рекомбинации и тепловой разгон газа в камере сгорания могут быть рассчитаны теоретически. Из этих процессов и со- 9» 131 ставляется расчетный цикл двигателя.
Так же как и в идеальном, в расчетном цикле процесс смены рабочего тела заменяется условными процессами охлаждения и конденсации продуктов сгорания в жидкое топливо. Расчетный цикл, составленный описанными выше процессами, значительно ближе к действительным явлениям в камере и может быть положен в основу количественных расчетов удельной тяги и параметров газа ~в камере Я(РД.
Такой цикл на фиг. 61 ограничивает площадку е'1'2'3'г('. Действительный цикл ра- 1 2 'г детного двигателя определяется действительными Г процессами сгорания и расширения, учитывающими, кроме явлений диссоциации, рекомбинации и теплового разгона газа, все возникаю,„ щие при реальном протекаФнг. 62. Идеальный цикл Жрд, рано- нии процессов потери (физитающего на расчетном режиме. ческое недогорание, трение газа в камере и сопле, отвод тепла в систему охлаждения, потери в системе подачи и т. д.). Учет этих потерь в основном производИтся не теоретически, а на основании экспериментов.
Соотношение между работой цикла н удельной тягой ЖРД Р геа га (1Ч. 1) Работа цикла в этом случае определяется площадкой е123 (см. фиг. 62) и соответствует при адиабатическом процессе расширения между состояниями, определяемыми точками 2 и 3 цикла работе 1,'. Эта работа численно равна падению теплосодержания газа в адиабатическом процессе 2 — 3, 132 Работа цикла, т.
е. то количество работы, которЪе может быть использовано в результате совершения цикла, определяется, как известно, площадью диаграммы цикла, т. е. в случае идеального цикла площадью е12Ы. Эта площадь в соответствующем масштабе выражает работу цикла в кгм. Однако при исследовании жидкостного ракетного двигателя наиболее важным в расчетах является не работа цикла, а удельная тяга двигателя. Поэтому следует найти соотношение между ними.
Рассмотрим это соотношение в простейшем случае, когда двигатель работает на расчетном режиме, т. е. когда давление на срезе сопла ра равно давлению окружающей среды рн (фиг. 62). При этом удельная тяга Р„по формуле (1. 14) равна Скорость истечения в соответствии с (111. 13) и (11. 39) можно записать в виде' тггз = 2е' — )т'У и л — 1 1 — ( — ') =)г'2д1.' =)г'2ф.„.
(! Ч.2) т. Рз ! Объединяя соотношения (1Ч.1) и (1Ч.2), получим Рта= 1 )г 2~1„, или (!Ч. 3) й 19. СИСТЕМА КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ К. и. д. цикла Работа цикла ЖРД представляет собой величину, определяющую удельную тягу двигателя. Чем больше работа цикла, тем больше и удельная тяга двигателя. Источником энергии, из которого возникает работа цикла, а следовательно, и тяга двигателя является химическая энергия топлива, которая оценивается теплотворной способностью Н„.
Степень использования энергии топлива будет определяться отношением работы цикла А1,и (в тепловых единицах) к теплотворной способности Н„ Н АЕ„ (!Ч. 4) Это отношение называется коэффициентом полезного действия цик!а (к. п. д. цикла). Как видно из рассмотрения цикла ЖРД, величина работы цикла ' При использовании формул (11!.13) и (1!.39) нужно иметь в виду, что начальной точкой процесса расширения в сопле )КРд является точка окончания процесса сгорания, т.
е. точка 2. Концу процесса расширения соответствует состояние газа на срезе сопла, т. е. точка 3 (см. фиг. 62), поэтому индексы формул (111. 13) и (Н. 39) соответственно изменены. 133 Полученное нами соотношение дает точную связь между удельной тягой и работой цикла только при работе двигателя на расчетном режиме, Однако с очень небольшой погрешностью можно распространить его и на другие условия работы двигателя, тем более, что мы будем использовать понятие цикла двигателя только для качественного анализа работы ЖРД. Поэтому и для нерасчетных режимов мы будем пользоваться соотношением (1Ч. 3), понимая в этих случаях под работой цикла всю площадь в ро-диаграмме, ограниченную линиями процессов, составляющих цикл, например, площадь е123с( на фиг.
61. А7-„определяется качеством протекания процессов сгорания н расширения. Чем совершеннее будут протекать эти процессы, тем больше будет величина работы цикла А7,„, а следовательно, и величина к. п. д. цикла т1„. Таким образом, к. п. д. цикла зависит от совершенства протекания, т. е, от к. п. д. процессов сгорания и расширения '1„='Ч Чм (1Ч. 5) где Ч и Ч вЂ” коэффициенты полезного действия сгорания и расширения. Рассмотрим отдельно каждый из этих коэффициентов.
К. и. д. сгорания Под величиной ч,„понимается степень полноты преобразования энергии 1 кг топлива в тепловую энергию Я (!Ч. 6) В жидкостном ракетном двигателе неполнота превращения энергии топлива в тепловую определяется двумя, коренным образом отличающимися друг от друга по своему характеру причинами. Одна из них —.физическая неполнота сгорания— возникает вследствие плохого перемешивания и неравномерного распределения компонентов топлива по камере сгорания, а также вследствие недостатка времени для полного завершения процесса сгорания. Эти явления вызываются несовершенством конструкции камеры сгорания ЖРД, и с ними можно бороться, улучшая конструкцию двигателя. Другая причина, вызывающая неполноту сгорания и имеющая в ЖРД особенно важное значение,— это д и с с о ци а ц и я п р одуктов сгорания. Высокие температуры, возникающие в ЖРД, приводят к весьма сильной диссоциации продуктов сгорания.
Затрата тепла на диссоциацию может доходить до 25 — ЗОч/ч от Н„. Диссоциация будет тем больше, чем больше теплотворная способность топлива и ~выше температура в камере сгорания, Процессы диссоциации определяются термодинамическими законами и поэтому очень мало средств для борьбы с ними. В основном— это выбор таких топлив, продукты сгорания которых трудно поддаются диссоциации, Для определенного топлива степень диссоциации может быть в весьма незначительной степени уменьшена за счет повышения давления в камере сгорания рь Так как неполнота сгорания зависит от двух причин, то ч1 можно представить как произведение двух коэффициентов: чсг 'адис> (1Ч.
7) где Чч — коэффициент, учитывающий физическое недогорание; мы его будем называть к. п. д. камеры, так как он определяется в основном конструкцией камеры сгорания; р)„,— коэффициент, учитывающий потери на диссоциацию. 134 Величины коэффициентов сгорания в ЖРД составляют эМ=0,90— 0,98; 'Ъ„=0,7 — 0,9 (в зависимости от рода топлива), К. п. д. расширения Коэффициент полезного действия расширения и, представляет собой степень превращения тепловой энергии, выделяющейся в камере сгорания Я, в располагаемую работу расширения Е„(для расчетного цикла без учета затраты работы на подачу компойентов).
АЕ„, 0 (!Ч. 8) Коэффициент полезного действия расширения з1, учитывает потери, происходящие в процессе расширения. Эти потери определяются также двумя различными причинами. Пеовой причиной, вызывающей потери в процессе расширения, является то, что вследствие конечных размеров выходного сечения сопла нельзя расширить продукты сгорания до давления, равного нулю, а следовательно, и до температуры, равной нулю, Таким образом, продукты сгорания на выходе из сопла имеют высокую температуру и уносят с собой определенный запас тепло- содержания. Эта потеря является неизбежной термодинамической потерей и оценивается термическим к. п. д. я~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
