Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Давление по длине камеры сгорания согласно уравнению закона сохранения энергии падает, вследствие чего такие камеры уже нельзя относить к изобарическим камерам сгорания. Часто камеры сгорания с — (3 называют скоростными. В пределе, бакр Рк когда — =1, камера двигателя носит название иолуореилового Лр соила (см. фиг. 123, г). Конические камеры сгорания У конических камер сгорания (см. фиг. 123,в) по существу вся камера является входной частью сопла. Преимущество их в макси- малиной простоте изготовления. Недостатком конических камер сгорания является пониженная по сравнению с шарообразными и цилиндрическими камерами удельная тяга Р„. Поэтому в последнее время эти камеры вышли из употребления.
Пониженная удельная тяга у конических камер сгорания получается по следующим причинам: 1) в конических камерах происходит разгон продуктов сгорания по длине камеры, а следовательно, и падение давления по длине камеры. Вследствие этого превращение тепловой энергии в работу расширения становится менее полным; 2) в конических камерах зоны распыливания и смешения компонентов и зона испарения топлива занимают относительно к объему камеры сгорания большую долю, чем в шарообразных и цилиндрических камерах. Вследствие этого зона сгорания занимает относительно меньший объем, процесс горения не успевает заканчиваться, . поэтому конические камеры обычно имеют худший коэффициент камеры Р,.
Конические камеры сгорания делают там, где в первую очередь нужна простота конструкции. Рассмотрев основные формы камер сгорания, можно сделать вывод, что в настоящее время для двигателей больших тяг применяют шарообразные и конические камеры сгорания. В двигателях малых н средних тяг наибольшее распространение получили цилиндрические камеры сгорания.
$48. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОПЛА КАМЕРЫ ДВИГАТЕЛЯ Основные требования к конструкции сопла В сопле камеры двигателя происходит расширение и разгон продуктов сгорания. От того, как спроектировано сопло, зависит коэффициент сопла Ф., а следовательно, скорость истечения из сопла гор и удельная тяга двигателя. Из теплового расчета двигателя определяются только величины критического сечения 1 и выходного сечения сопла 1з. При проектировании камеры сгорания определяется также входное сечение сопла 1,. (см, фиг. 130). Однако другие важные размеры сопла; определяющие форму и его конструктивные размеры (в частности, длина сопла и углы его входной и выходной части), термодинамическим расчетом не могут быть установлены. Выбор этих размеров сопла производится при проектированиями, с учетом того, чтобы возможно более полно удовлетворялись следующие основные требования, предъявляемые к соплу: ~Г б 1. Сопло должно иметь возможно больший коэффициент сопла ~Р,.
' "ч 2. Поверхность стенок сопла - м при заданных размерах ~„, и 5 должна быть наименьшей. Так же как и в случае расчета камеры, выполнение этого требования облегчает организацию охлаждения сопла и уменьшает ФаГ. 130. СОПаО КаМЕРЫ СГОРааая ЖРЛ. его вес. 3. Конструкция и технология изготовления сопла должны быть возможно более простыми. Как часто бывает в технике, указанные требования являются взаимоисключающими, и полное удовлетворрние одного ив требований к конструкции часто приводит к ухудшению других свойств сопла.
Поэтому при проектировании сопла в зависимости от назначения двигателя принимают то или иное компромиссное решение, Потери в сопле и способы уменьшения их Потери в сопле бывают четырех видов. 1. Потери на трение газа о стенки сопла. Для уменьшения этих потерь необходимо делать поверхность сопла возможно более гладкой. Очевидно также, что чем меньше при данных РазмеРах 1„и ~з повеРхность сопла (т. е. его длина), тем меньше будут и потери на трение. 2.Потери на входе, зависящие от формы входи о й ч а с т н с о п л а.
Эти потери уменьшаются, если вход в сопло выполняется плавным. По сравнению с другими видами потерь в сопле они невелики, 3. Потери на рассемвание скорости при выходе из сопла. Вектор скорости изменяет свое направление по сечению сопла; на кромке сопла скорость шз направлена вдоль стенки, т. е. отклоняется от направления оси двигателя. Как известно из вывода уравнения тяги двигателя, реактивная зв7 сила возникает только за счет изменения количества движения потока газов вдоль оси двигателя, т.
е. только за счет составляющих скорости, параллельных оси двигателя гав' (фиг. 181). Составляющая скорости рассеивания ш „, направленная по радиусу, не дает никакого прироста к тяге двигателя, Таким образом, энергия, попгедшая на создание составляющей скорости шр, является потерянной энергией. В этом и состоит потеря на рассеивание скорости.
Величина потерь на рассеивание определяется величиной угла 3сгтрсгрррсгпп конуса сопла на выходе 2а. Для уменьшения потерь на рассеивание необходимо уменьшить угол раскрытия сопла на выходе 2сс, вследствие чего уменьшится велиФиг. 13!. Потери в сопле на рассеивание чина составляющей скорости ш Учет потерь на рассеивание можно производить путем введения поправогного коэффициента к скорости истечения <р ..
Тогда средняя скорость истечения гов' записывается в виде твв торта Поправка представляет собой отношение количества движения потока газов вдоль.оси двигателя в сопле с углом расширения 2а к количеству движения газов в идеальном сопле, в котором газы имели бы только осевую скорость. Величина поправочного коэффициента равна' ор„— — — (1+ соз а„,) .
1 В табл. 29 приведена зависимость коэффициента ~р от угла 2а. Таблица 29 Величина коэффициента тр„в зависимости от угла 2е 12 16 20 24 40 32 36 2ав г'ттрвс 1,000 0.9997 0,9988 0,99720,9951 0,9924 0,9890 0,9851 0,9806 0,9755 0,9698 Ь Из таблицы видно, что для сопла с раствором 2п =28' скорость истечения ша', а следовательно, и удельная тяга Рт будут состав лять 98,5% скорости, определяемой по формуле (П1.'1О).
Однако в случае простого конического сопла при уменьшении угла 2ч будет увеличиваться длина сопла, а следовательно, и его поверхность. Для того чтобы поверхность сопла не увеличивалась, применяют так называемые профилированные сопла, у которьгх угол раскрытия, плавно уменьшаясь по длине сопла (фиг.
132), име- т Д. Саттон, Ракетные двигатели. Издательство иностранной литературы, 1952. 368 ет иа выходе малое значение. Такое поило получается значительно короче простого конического (с теми же 1 и 1в). Поверхность такого сопла и, следовательно, его вес значительно меньше, чем у простого конического сопла. Профилированные сопла являются более сложными в производстве, чем конические. 4. Потери, возникающие вследствие отрыва потока от стенок. В расширяющейся части сопла вследствие отрыва потока от стенок могут возникать завихрения, В свою очередь отрыв потока от стенок может происходить по двум причинам.
Первой причиной является слишком большой угол раскрытия сопла, при котором поток не успевает расширяться в радиальном г 3 Фиг. 132. Контуры сопла с одинаковыми йм и 1а. à — сопло. спрофилированное дугами окружности, у — простое «ониче. скос сопло, 8 †обычн гаводинамически профилированное сопло направлении. В результате отрыва потока от стенок около них возникают зоны с пониженным давлением, заполнение которых приводит к завихрениям, обратному течению газа, а следовательно, и к потерям энергии на создание скорости вихревого и обратного движения газа. Поэтому нецелесообразно делать большие углы раскрытия закритической части сопла.
Второй причиной возникновения отрыва струи в сопле является перемещение скачков уплотнения внутрь сопла на режиме перерасширения. При очень большом перерасширении скачки перемещаются внутрь сопла и приводят к отрыву потока от стенок. Как и в предыдущем случае, это приводит к интенсивному вихреобразованию. К образованию скачков внутри сопла может привести также резкое изменение контура стенок сопла, поэтому профиль сопла следует делать плавным. Чтобы скачки не могли возникнуть, необходимо применять газодинамически профилированные сопла, в которых образующая сопла является линией тока для газового течения внутри сопла.
При этом следует помнить, что в отличие от обычных газодинамически профилированных сопел, где углы раскрытия после критического сечения равны 12 — 20', в ЖРД в ближайшей к критическому сечению зоне можно допустить угол раскрытия 45 — 50'. Последнее допустимо потому, что в сопле ЖРД происходит выделение тепла за счет реакций рекомбинации, помогающее радиальному расширению потока. На фиг. 132 сопоставлены контуры сопел различной 24 Г.
Б. Сннкрев и М. В. Добровольский 369 формы с одинаковыми 1' и 1в . '1 — сопла, опрофилированного дугами окружностей; 2 — конического сопла; о — обычного газодинамически профилированного сопла, Сопла, спрофилированные дугами окружностей, также дают удовлетворительные результаты. Срез сопла (как конического, так и профилированного) должен иметь острую выходную кромку, так как закругленная кромка вызывает перерасширение и отрыв потока. Расчет геометрических размеров сопел различных типов В ЖРД конические сопла применяют для двигателей малых тяг, а иногда и для двигателей средних тяг.
Преимущество их — простота изготовления. коначкскпе учагглки и .Ф Ф3 7 2 д Фиг. 133. Схема профилированного сопла, Для конических сопел можно рекомендовать следующие величины основных геометрических размеров (см. фиг. 130). Угол входа в сопловую часть 23=60с 90'. Угол выходной части сопла 2х = 20 —:25'.
Радиус скругления критической части сопла Рг = (0,7 —;1) с(аа. Радиус скругления прн переходе от цилиндрической части камеры сгорания ко входу в сопловую часть гс1 берется из конструктивных соображений с тем, чтобы сопло имело плавный обвод. Профилированные сопла применяют для двигателей средних и больших тяг, а также для двигателей с большой степенью расширения. В этих двигателях в случае применения конического сопла потери иа рассеивание по своей величине становятся значительными и резко возрастает длина сопла. Поэтому в крупных двигателях выигрыш в весе прн применении профилированных сопел достигает значительных величин.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
