Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Коэффициентом камеры сгорания ~р называют отношение действительной характеристической скорости в камере к идеальной, вычисленной при тех же значениях соотношения компонентов й и давления в камере сгорания Р =с /с~ ~~. (19. 8) Остановимся на определении величии, входящих в формулу (19.8). Как упоминалось (см. гл.
Ъ'П), идеальное значение'любого параметра должно соответствовать равновесному одномерному потоку продуктов сгорания при отсутствии трения, теалообмена и других необратимых явлений. Поэтому прн определении с1"'1 по формуле с. =р „Р„Р,/т следует принять значение коэффициента расхода сопла р,=1, отсутствие падения давлении торможения ~в камере (ре„— - р„) и т=т„д, где тчд вычисляется по формуле (7.36) для одномерного непязкого течения при плоской поверхности перехода через скорость звука в минимальчом сечении, т. е. Р„=Рч.
Таким образом, значение с~"~~=эыю и может быть вычислено термодинамическим расчетом. Реальный процесс в камере может характеризоваться тепловым сопротивлением (см. гл. ХХ1), связанным с процессом горения в камере сгорания и сужающейся части сопла, наличием пограничного слоя, неодномерностью течения и необратимыми физико- химическими процессами, например, при двухфазном или химически неравновесном течениях.
Указанные особенности реального процесса влияют па величину давления торможения в минимальном сечении и расход продуктов сгорания. Могут быть и другие особенности реального течения, влияющие на ра и гл, однако перечисленные выше в большинстве случаев являются основными из учитываемых в настоящее время. Эти особенности могут быть учтены на основе достаточно универсальных расчетных или экспериментальных данных. С целью оценки влияния особенностей реального течения на пэ и т выделяют невязкое одномерное ядро потока и пограничный слой. Если при определении расхода т по формуле (7.36) принять, что величина А(а) одинакова для идеального и реального процессов, то влияние неполного сгорания на расход проявится через уменьшение значения 1~К,Т~,. Наличие пограничного слоя, двухмерность течения, двухфазная и химическая неравновесности учитываются введением коэффициента расхода и,.
В результате подвода тепла в процессе горения давление торможения снижается от величины, близкой к р„, до р~„,. Таким образом: (19. 9) Подставляя выражение для т в формулу (19.8), получаем ц,=) 'К„Т„,Я(Т7,,Т„) . (19. 10) Значения ~р„обычно составляют 0,96 ... 0,99 и зависят от системы смесеобразования в камере сгорания и ее длины. Относительное изменение удельного импульса из-за несовершенства процессов в камере сгорания оценивают коэффициентом потерь импульса ~„. При этом предполагают, что все остальные факторы, вызывающие изменение удельного импульса, не влияют на Коэффициент потерь импульса равен С.=(Т,'",'-7,,)Р',.', (19.
11) где ~„.= 1 — ~р„. Это справедливо, если пренебречь влиянием отклонения реальных процессов в камере сгорания от идеальных на эффективность процесса расширения, например, пренебречь влиянием изменения состава продуктов сгорания на потери нз-за химической неравновесности или на величину идеального удельного импульса при течении в сопле заданной геометрии. Наряду с характеристической скоростью часто применяется и непосредственно расходный комплекс р=р„)с'„/т.
Для оценки эффективности данной камеры сгорания используется относительная величина В=1 .У' где р, — значение р, найденное экспериментально. Если для определения р использовать вместо р„ давление рк„ то различие между значениями р и с будет определяться коэффициентом расхода р, и разницей в давлениях торможения рк, и рь . Для цилиндрической камеры сгорания при известном значении рк сравнительно просто рассчитать рк„ тогда как расчет отличия р, от ро... в большинстве случаев затруднителен. Для установления взаимосвязи между ф„и фз может'быть испочьзовано приближенное соотношение ф„= рсфк.
Значение фк не позволяет оценить непосредственно эффективность процесса горения. Однако использование ф удобно на практике для анализа стабильности характеристик в процессе серийного изготовления камер, при доводке для сравнения совершенства различных вариантов смесительных головок. В то же время сравнение различных по конструкции камер необходимо вести по характеристической скорости, как зто показано выше. !9.6.
ОБОБсЦЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ Обобщенные характеристики процессов необходимы для определения размеров камеры сгорания. Наиболее распространенными обобщенными характеристиками процессов в камере сгорания ЖРД являются следующие. 1. Среднее врем я пребывания в камере сгор ания (т ) — отношение массы продуктов, находящихся в камере сгорания, к массовому расходу топлива через камеру сгорания.
Обычно оперирует приближенной величиной тк, которая оценивает время нахождения в камере сгорания продуктов, как если бы они были газообразные. Эту величину записывают так: кск.с,~, к к с9 (19. 12) где тк,с — масса газа, находящегося в камере сгорания; 1'„,— объем камеры сгорания (определяется обычно кая объем до минимального сечения); о — средняя плотность газа в камере сгорания. Величину о обычно заменяют величиной ок„относящейся к сечению входа в сопло.
Тогда та= Ъ'„„йгк/т. (19. 13) Очевидно, что действительное время пребывания больше вычисленного по формуле (19.13), особенно для камер, работающих по схеме жидкость — жидкость н газ — жидкость. С учетом уравнения состояния и формулы для расходного комплекса р можно получить (см. формулу 7.40) т„= к'и =/.„р/АВ(и)(1, (19. 14) Р„й„Г„ где Е„р= 1г„л/Р„ (19. 15) — так называемая приведенная длина камеры сгорания; ркс— сумма объемов камеры сгорания и сужающейся части сопла. 2.
Приведенная дл и на камеры сгорания. Как видно из формулы (19.14), значение /ир для выбранного топлива (р, А(п) =сопя() пропорционально времени пребывания в камере сгорания. Значение Е„~ обеспечивающее высокую полноту сгорания при достигнутом уровне организации смесеобразования, зависит от природы топлива, конструкции двигателя, схемы процесса, размерности камеры. Характерные значения Е~р для схемы жидкость— жидкость следующие. Еир. м Топливо Азотнокнслотные окислители — углеводородное горючее.............. 2,0 — З,б Азотнокислотные окислители — НДМГ....
2,0 — 2,5 Кислород — керосин......... 2,0 — 3,0 Фтор — аммиак........... 1,0 — 1,о Для камер дожигания генераторного газа приведенная длина существенно уменьшается и может составить Еир — — 0,20 ... 1 м. ,3. Расходонапряженность камеры сгорания. Расходонапряженностью называют отношение массового расхода продуктов сгорания к площади проходного поперечного сечения камеры у смесительной головки. При Р,=Ре (цилиндрическая камера сгорания) ее определяют по формуле Рос Рм Рос ""Р (19.
16) Эксперименты показывают, что при увеличении р а следовательно, и Ре, рабочий процесс в камере сгорания интейсифицируется. Поэтому при увеличенных рк через одну и ту же площадь проходного сечения камеры Р, можно подать большее количество топлива, т. е. увеличить значение тр. В расчетах обычно применяют относительную ра сход онн а п р я же ни ость — отношение расходонапряжеиности камеры сгорания ЖРД к давлению в ней. Значения тр/рс, могут составлять (0,8 — 2,5) ° 10-' кг/(Н ° с); меньшие значения относятся к двигателям без дожигания генераторного газа.
Обобщенные характеристики процессов: т„, 1„,р, тр/ррс связаны между собой. Основным источником информации о величинах тю /рр, тр/рр, являются статистические данные, накапливаемые в процессе испытаний и доводки образцов камер сгорания, н данные ранее разработанных двигателей. 1З.т. ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ При использовании жидкого топлива процессы в газогенераторе принципиально подобны процессам в основных камерах сгорания ЖРД. Такими же являются и обобщенные характеристики газогенерации, например, время пребывания.
Для целей газогенерапии иногда используют однокомпонентные. топлива. Обычно это — вещества, способные разлагаться с выделением тепла. Разложение однокомпонентных топлив 1-й помпонеит проводят в присутствии катализаторов, либо организу- У-а ют термическое разложение. пемпепеп 1? Если в газогенераторе применяют двухкомпонентные топлива, то снижение температуры сгорания может быть достигнуто отклонением от стехиометрического соотношения между оки- в~аз ° ренар слителем н горючим.
В связи с большим избытком одного нз компонентов топлива организация надежного воспламенения и затем устойчивого горения представляет значительные трудности. Поэтому, помимо схемы непосредственного смещения компонентов топлива с нужным ар„в зоне головки, имеются и другие, ставящие целью обеспечить более надежную и устойчивую работу газогенератора.
Одной из возможных схем является многозонный (обычно дэухзонный) подвод топлива в газогенератор (рис. 19 6). В зону 1 смеснтельной головки подаются горючее и окислитель в соотношении, позволяющем обеспечить надежное воспламенение и устойчивое горение топлива, т. е. в соотношении, близком к стехиометрическому. При этом в зоне ! развивается высокая температура продуктов горения; во второй зоне подается избыток одного из компонентов топлив (в зависимости от типа газогенератора). Прн этом происходит комплекс взаимосвязанных процессов: распыление, тепломассообмен в двухфазном потоке, испарение и участие в химических реакциях дополнительно впрыснутого компонента. Глава ХХ ПРОЦЕССЫ В СОПЛЕ яяп. ОСОбЕННОСТИ ПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ.
ПОТЕРИ УДЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА В СОПЛЕ Действительный процесс течения в сопле происходит с заметным отличием от рассмотренной ранее схемы идеального процесса. Это вызывает отклонение значений действительных параметров продуктов сгорания в сопле от идеальных, что приводит к уменьшению (потерям) удельного импульса в пустоте и тяги по сравнению с идеальными значениями этих величин. Потери в сопле вызываются различными по своей природе газодинамическими и физико-хими'ческими процессами, из которых определяющими являются следующие. В силу трехмерности (в общем случае) течения, газодинамические и термодинамические параметры не постоянны в поперечном 'сечении сопла, в частности вектор скорости не параллелен оси сопла„давление и число М могут заметно изменяться в направлении От оси сопла к стенке.
Неравномерность параметров в выходном сечении конических и профилированных сопел с экстремальным или укороченным контуром приводит к уменьшению удельного импульса и тяги, так как,при фиксированной площади выходного сечения максимальной тягой обладает идеальное сопло с равномерным и параллельным оси потоком. Это уменьшение называют потерями из-за рассеяния. Прн течении в еппле вязкого и теплопроводного газа вблизи стенок нарастает пограничный слой. Сила трения, загромождение проходных сечений сопла пограничным слоем, а также изменение распределения давления на стенках сопла, связанное с наличием пограничного слоя, приводят к возникновению и о т е р ь и з - з а т р е н и я. При этом теплообмен со стенками оказывает существенное влияние на параметры пограничного слон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
