Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 27
Текст из файла (страница 27)
е. при постоянной температуре и составе продуктов сгорания) скорость на выходе из сопла остается неизменной независимо от давления в камере сгорания, расхода топлива и давления окружающей среды (т. е. высоты работы ЖРД). Так как при работе ЖРД с постоянным соплом степень расширения 8'= — остается неизменной, то давление на срезе сопла рв заРв Рв висит только от давления в камере сгорания рв н ие зависит от давления окружающей среды рн. В зависимости от давления в камере сгорания рв и от давления окружающей среды рн (т.
е. от высоты полета) возможны три случая работы сопла ЖРД. 1) р,=р„, т. е. давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды. Это — расчетный режим работы двигателя. Высота, на которой достигается расчетный режим, называется расчетной высотой Нр. 2) р, >рн, т. е. продукты сгорания расширяются в сопле не до давлейия окружающей среды рн, а только до давления р„ большего, чем давление ргг. Такой режим работы называется режимом яедорасширения. Он возникает, например, если двигатель работает на высотах Н, больших, чем расчетная.
3) рз<ря, т. е. продукты сгорания расширяются в сопле до давления, меньшего, чем давление окружающей среды. Такой режим называется резси)иом перерасширения. Как будет показано ниже, такой режим часто наблюдается при работе ЖРД. Режимы перерасширения и недорасширения возникают при изменении высоты работы двигателя и при регулировании его тяги. Рассмотрим оба эти случая. Возникновение нерасчегных режимов при изменении высоты работы двигателя Рассмотрим, как возникают нерасчетные режимы при работе двигателя с постоянным соплом, если расход топлива 6 и его состав (т.
е. величина Н,) остаются постоянными, а изменяется только высота работы двигателя Н. ыг 'т а) Фиг. 64. Цикл двигателя, работающего иа различных высотах. а — расчетная высста, б — высота беляше расчетнаа (режим нелсрасширения), а— высота меньше расчетнса (режим верерасширевия). В этом случае давление в камере сгорания рз, независимо от изменения давления окружакицей среды, будет оставаться постоянным. Это легко показать, воспользовавшись уравнением (111. 63) . а тг'кт, Рз = — ' = сопи(.
тир Ая Так как для смеси постоянного состава (Н,=сопз1) температура Тз и состав продуктов сгорания И неизменны, то и давление рз в этом случае останется неизменным. Так как о=сопз1, то и давление на срезе сопла рз=орз=сопз1. Таким образом, давление на~ срезе сопла не зависит от высоты работы двигателя и может быть как больше, так и меньше давления 142 в окружающей среде в зависимости от того, как выбран расчетный режим двигателя. На фиг.
84 показаны циклы двигателя, работающего на расчетном ,н нерасчетных режимах. Расчетная высота этого двигателя больше нуля и составляет Н,. При работе на земле двигатель будет работать с перерасширением, а~ на высотах, ббльшнх, чем расчетные, с недорасширением.
Увеличение высоты работы двигателя приводит в этом случае к постоянному возрастанию абсолютной силы тяги за счет увеличения статической составляющей ее 1,(р~ — ро). Как видно из фиг. 64,б. при этом возрастает и работа цикла. Но на высотах, меньших расчетной, и иа высотах, ббльших расчетной, двигатель с постоянным соплом не дает максимальной тяги, возможной для данных условий ~работы его. Подробный анализ возникающих при этом потерь сд~елан в следующем параграфе.
Пределы изменения степени возможного расширения для двигателя с постоянным расходом изменяются от наибольшего значения, которую степень возможного расширенная имеет на земле, т. е. е =, до нуля при работе в пустоте, где р -+О, а следовало Рз тельно, н з-»О. Возникновение нерасчетных режимов при изменении тяги ЖРД ' Условия работы двигателя на некоторых летательных аппаратах, например, на самолетах и зенитных ракетах, требуют изменения тяги двигателя в полете. Так, для самолетных ЖРД требуется изменять величину тяги двкгателя в 8 — 10 раз. Воспользовавшись уравнениями (!Ч.
10) и (1Ч. 5), связывающими удельную тягу с работой цикла, мы можем написать, что полная тЯГа~ ДВИГатЕЛЯ РаВНа (В СЛУЧаЕ ИДЕаЛЬНОГО ЦИКЛа 1Ч„=тв) Р=Р„„Ст= Π— Н,ч . (1Ч. 27) Это выражение показывает, что для получения той или иной тяги двигателя (данного или вновь проектируемого) можно идти. двумя. путями: изменением теплатворной способности топлива О» и изменением секундного расхода его 6. Изменение теплотворной способности Н» данного топлива, на котором работает двигатель, можно проводить изменением соотношения компонентов. Изменение теплотворной способности топлива в этом случае происходит только в сторону уменьшения ее, в результате отклонения от такого соотношения компонентов, которое необходимо для полного сгорания топлива.
Такой путь изменения теплотворной способности является нерациональным, так как при~водит к уменьшению удельной тяги двигателя за счет худшего преобразования химической энергии в тепловую. Изменять тягу ЖРЛ следует путем изменения секунд- ного расхода топлива при постоянном Н.. Учитывать изменение величины Н, следует при рассмотрения двигателей, работающих на различных топливах. Установить влияние изменения расхода на работу ЖРД проще всего по формуле (П1. 63).
а т'Кг, Рз= Ал Так как температура сгорания данного топлива м состав продуктов сгорания, определяющий величину газовой постоянной Й, остаются неизменными, то давл!ение в камере сгорания прямо пропорционально расходу топлива. м м Я Фнг. 66. Изменение идеального цикла ЖРЛ с постоянным соплом прн изменении расхода топлива. ! ! ! 1 ауле — исходный цкил. ! П а е — цикл при уеелиеепиом расходе топлена, !! и и и 1 3 а е -цикл прп умеиьшеииом расходе топлива. Так, например, прн уменьшении тяги Р авиационного ЖРД в 10 раз расход топлива 6 уменьшится также примерно в 10 раз, а следовательно, по формуле (П1.
63) давление в камере рй уменьшится тоже в 10 раз. В двигателе с постоянным соплом !З=сопз1) давление на срезе сопла, Равное Ра=ЗРа, бУдет УменьшатьсЯ так же, как и давление в камере, т. е. прямо пропорционально уменьшению расхода, н! в нашем примере также уменьшится в 10 раз. Следовательно, при изменении расхода О, если высота работы двигателя остается постоянной, возможен случай возникновения Режима пеРеРасшиРениЯ Рз<РнпРи Уменьшении Расхода топлива и Режима недоРасшиРениЯ Рз)рн пРи Увеличении его. При изменении расхода изменяется также н вид идеального цикла ЖРД. На фиг. 65 приведено изменение основного цикла 12Зе при увеличении расхода на 25е/р — цикл 1!2!3!а! и при уменьшении расхо- да на 2574 — цикл 1п 2н Зп ап.
Так как температура Тг= рр в идеальном цикле не зависит от давления, то точки 2 для всех циклов лежат на одной изотермв Ть При постоянном сопле й=сопз1, а следовательно, и темпера- ~-1 тура на срезе Тг =Тге ' остается постоянной и все точки 3, Зп и У также лежат на одной изотерме гг. Скорость истечения во всех трех случаях остается неизменной (так как двигатель имеет постоянное сопло), а удельная тяга двигателя изменяется только за счет изменения давления рг на срезе сопла.
Одновременно с изменением даичения в камере рг изменится и степень возможного расширения. Величина максимальной степени возможного расширения е = — получится при минимальном Рн Рг расход~е топлива, когда давление в камере рг будет иметь наименьшее значение. Наименьшее значение степень возможного расширения имеет при максимально возможном для данного двигателя расходе топлива. Разность между наибольшим и наименьшим значениями е определяется пределами регулирования расхода.
Возможность существования режима перерасширения Возмогкность работы двигателя на режиме недорасширения ре)рл является очевидной. В то же время возможность истечения газа из сопла в среду с давлением, ббльшим, чем давление в потоке на срезе сопла, не является очевидной.
Действительно, в первый период использования в технике сверхзвуковых сопел считалось, что на нерасчетном режиме, когда давление на срезе сопла должно быть меньшим, чем давление з окружаюгпей среде, поток газа отрывается от стенок сопла в том сечении его, где давление в потоке становится равным, атмосферному. Оставшаяся часть сопла перестает работать и может влиять на поток только в том смысле, что она благоприятствует образованию вихрей. Таким образом, считалось, что сопло на режимах перерасширения япляется как бы саморегулирующимся.
Однако, как показали более поздние эксперименты на соплах турбин и опыты на соплах жидкостных ракетных двигателей, в действительности поток, текущий по сверхзвуковому соплу, продолжает .расширяться, не отрываясь ог стенок и до давлений, меньших, чем давление окружающей среды. Только после входа в атмосферу с повышенным давлением сверхзвуковой поток скачком нли системой скачков переходит в дозвуковой поток с соответствующим изменени,ем давления в нем. В этом проявляются особенности сверхзвукового течения, описанные в 5 1б.
Возможность работы двигателя на режиме перерасширения 1О Г. Б. Снпгрев и М. В. добровольские. 145 м ожно установить не только экспериментально, но и исходя из основных свойств сверхзвукового потока. Представим себе мысленно следующий опыт. Газ из сопла вытекает в полость, где разрежение создается насосом. С уменьшением производительности насоса давление в полости за соплом будет увеличиваться. Однако изменение давления за соплом не может привести к изменению характера течения газа в сверхзвуковом сопле. ,Возмущение (увеличение давления) за соплом может распростра,нятьсв по газу, текущему по соплу только со звуковой скоростью, а сам он движется со сверхзвуковой скоростью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
