Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Согласно уравнениям (25.7) теоретическую дроссельную характеристику камеры с постоянной геометрией при ры — — сопз1 можно представить для тяги в пустоте и на высоте Н уравнением прямых, одна из которых Р„ = )(р„) проходит через начало координат, другая Р„ = ) (р„) параллельна первой и расположена ниже ее на величину Р,р„; для удельного импульса в пустоте — уравнением прямой, параллельной оси аргумента; для удельного импульса на высоте Н вЂ” уравнением гиперболы с асимптотами ри - оо, 1, — 77 „; р„- О, 7„- — оо, Зависимость давления в камере сгорания р„от секундного расхода топлива т согласно формуле (7.48) близка к линейной. Поэтому дроссельную характеристику можно изображать в ко- 287 йр сг(ися ртд л)птах лт а,г йе дг та4ч 25.3.
Теоретическая дрос- сельная характеристика камеры 25Л. К сравнеииьо опытной и расчетной дроссельной ха- рактеристик: — — — расчет; аксперанеят ординатах Р, Рп — пт; Iт, !т и — т. Впд характеристики прп этом не меняется по сравйению со случаем, когда в качестве аргумента выбрано давление р„. Пример теоретической дроссельной характеристики приведен на рис. 25.3. Для каждой камеры имеется определенный диапазон реализуемой характеристики от р„ ,„ до р„ „, которому соответствует максимальный (т,„,х) и минимальный (т м) секундные расходы топлива. Режим т„„„ является предельно допустимым форсированным режимом, на который рассчитаны прочность и жаростойкость камеры, агрегаты системы подачи и др.
Режим т ы может быть обусловлен порогом эффективной и устойчивой работы камеры, перегревом жидкости в тракте проточного регенеративного охлаждения камеры или другими ограничениями. На рис. 25.3 показан также участок характеристики с отрывом потока внутри сопла (пунктир — условно безотрывное течение). Дроссельную характеристику можно получить экспериментально при стендовом испытании. Для этого требуется произвести замеры тяги, секундного расхода топлива, давления в камере сгорания и давления окружающей среды. Сопоставление результатов расчета и экспериментальных значений параметров дроссельной характеристики показано на рис. 25.4 (в качестве аргумента выбран секундный расход топлива). В определенном диапазоне режимов обнаруживается хорошее совпадение, однако при значительном уменьшении расхода топлива результаты опыта и расчета все больше расходятся.
Объясняется это следующим образом. Из уравнения расхода жидкости через форсунку: тв —— рфг"Ф у 2р„,.Лр~ следует, что перепад давлений на форсунках (Лр ) при постоянной площади гф изменяется пропорционально квадрату расхода жидкости через форсунку. При значительном умень- 28 5. Лроссельные характеристики у„,~д. камеры и двигателя ири различной зависимости и =- 1 (Рк~ УГРО шенин ЛРэ УхУдшаютсЯ пРо- Ртрр цессы распыливания и перемешивания топлива, и, следовательно, уменьшается ко- Р,/ е МРи) с=ге Рл эффицнент камеры сгорания Р Уместно отметить, что Р тр тх га Р„, ипа опытные и расчетные знас чениЯ тЯги в фУнкции Рн совпадают во всем диапазоне Режимов, так как ухудшение качества процессов в камере сгорания при тюниженных расходах топлива одинаково влияет на давление рк и тягу.
При обработке результатов стендовых испытаний это совпадение представляет определенные удобства, так же как и возможность непосредственно контролировать тягу в полете по регулируемому параметру — давлению в камере сгорания. Сравнение дроссельных характеристик камеры и двигателя показано иа рис.
25.5. В основной камере двигателя с дожиганием генераторного газа нет дополнительного расхода вспомогательного топлива (е = О), и характеристики камеры и двигателя совпадают. Удельный импульс двигателей без дожигания генераторного газа ниже, чем удельный импульс основных камер. В зависимости от Р„отличия тем значительнее, чем больше е и чем сильнее зависимость е = 1(р„) или е = 1 (т).
25.3.2. Особенности глубокого дросселирования Недостатком способа регулирования тяги по дроссель. иой характеристике является уменьшение удельного импульса на всех режимах ниже максимального. Этот недостаток является особенно существенным при глубоком дросселировании (й„р —— Ртвк1Рвив )~ 8 ° ° ° )О) ° Снижение удельного импульса обусловлено уменьшением разности в распределении давлений р — рп по внутренней и наружной поверхности камеры, а также ухудшением качества процессов в камере сгорания из-за низких расходов компонентов топлива. Снижение устойчивости и экономичности двигателя является овновной трудностью при доводке ЖРД с глубоким дросселированием.
Сохранение экономичности дросселируемого двигателя достигается поддержанием удельного импульса постоянным при регулировании тяги. Проанализируем, как принципиально это можно сделать. Единственным средством обеспечения неизменным р„ при снижении расхода является уменьшение минимального сечения сопла Р„ пропорционально расходу (зто следует из зависимости Рк = тр1Р„). Для поддержания неизменным давления Рв !О Алеивсвв В. Е и ив. 289 Рlлвах, Ук /У 25.6. два варианта дроссельной характеристики при р„=- сопа( требуется сохранять /,д геометрическую степень расширения, т. е. изменять площадь среза сопла г„ пропорционально ги и т. Сохранить качество рабочего поцесса в камере сгорания можно, поддерживая постод,а янным перепад давлений на форсунках Арф.
При уменьшении расхода топлива и прн ри = сопа1 это можно сделать, как видно из формулы (20.3), уменьшая площадь впрыска Рф, рф и -Р,с р.„х пропорционально пт. йе йа ' 'Ытиах Итак, для регулирования тяги по дроссельной характеристике расходом топлива при постоянном удельном импульсе в общем случае необходимо изменять г„, Р, и гф пропорционально пт. В пустоте (при р„= 0) изменения площадей Ги и г", не требуется. На рис. 25.6 приведена расчетная характеристика камеры с изменяемыми проходными сечениями 1.
Для сравнения показана дроссельная характеристика 2 камеры с нерегулируемыми проходными сечениями. Изменение суммарной площади проходных сечений форсунок тсф и коэффициента расхода рф принципиально осуществимо несколькими путями. Можно, например, выключать отдельные группы форсунок, сохраняя оптимальный режим работы оставшихся. Возможно изменение проходных сечений форсунок механическими средствами, в том числе воздействием на рф. Все эти способы практически осуществимы, но конструктивно довольно сложны.
Эмульсирование топлива (т. е. создание эмульсии из жидкого компонента с пузырьками газа — инертный газ или продукты газогенерации) снижает его плотность при сохранении высоких скоростей истечения из форсунки и одновременном уменьшении расхода. В соответствии с уравнением расхода через форсунку для изменения тяги в !О раз необходимо изменить плот,; ность в 100 раз. т. е. фактически должна быть образована и пропущена через форсунки топливная пена. Изменять площадь минимального сечения сопла Е„можно механическим или газодинамическим способом. Первый из них основан на применении подвижных профилированных «игл» (агрушв), вводимых в минимальное сечение, второй — на уменьшении эффективного проходного сечения путем вдува газа.
Практическое осуществление той или другой схемы представляет собой сложные конструкторские задачи. Некоторые технические возможности регулирования площади выходного сечения сопла упоминались при рассмотрении высотной характеристики. 25.4. ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА ОТКЛОНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ Отклонения параметров двигателя и его агрегатов и возмущающие факторы связывает система уравнений, для составления и решения которой выбирают или задают в качестве исходных данных принципиальную схему двигателя, значения параметров рабочих процессов в агрегатах и ряд конструктивных размеров последних. Рассмотрим для примера алгоритм составления системы уравнений для двигателя с насосной системой подачи с двухкомпонентным ЖГГ без дожигания генераторного газа (см. рис. 16.6). 1.
Уравнения баланса давлений по магистралям подачи компонентов в камеру сгорания: Рн =- Рг. вх ! Р». г хн '-*Ргб Рн = Рон. вх+ ОРн. он Е !ХРо» ! г ! (25.8) где рг. „, Р,н. „ — давления компонентов на входе в двигатель; ЛР» г, ЬР„,,„— напоРы насосов гоРючего и окислителЯ; ЬР„„ Лр,„; — потери давления в магистралях для этих компонентов от выхода из насосов до камеры сгорания. 2. Уравнения баланса давлений по магистралям подачи компонентов в газогенератор Ргг — Рг, вх+ АР .
г Е ~~ров Р Рон. вх + АР». он хн' аР»ног. н нг (25.9) 3. Уравнения баланса расходов между камерой и газогенератором гйо» = гйон. н+ гйо». гг глг = !йг. н+ гпг. гг (25 10) 4. Уравнения для камеры сгорания и газогенератора в виде зависимостей для Р» = нн (!по». и + гпг. »)IРм! Ргг = инго (г!!ои. г + гйм гг)IРм. гг (25 11) где )), 'р — известные функции соотношения компонентов топлива и их температур Т,н, Т,.
5. Уравнение баланса мощностей турбины и насосов вида (24. 1'7). Систему уравнений (25.8) ... (25.! 1), (24.! 7) следует дополнить: а) уравнениями вида (25.2) для потерь давления в магистралях; б) экспериментальными зависимостями напора Ьр„ и потребляемой насосом мощности Ф„от частоты вращения ротора крыльчатки п, расхода и плотности жидкости, некоторых констРУктивных паРаметРов и КПД т(и; в) экспеРиментальной !О» 29! зависимостью мощности турбины от параметров генераторного газа (т„„, КТ„„), частоты вращения ротора и, КПД турбины и некоторых конструктивных параметров.
Система уравнений (25.8) ... (25.11), (24.17) совместно с перечисленными дополнительными соотношениями может быть записана в линеаризованном виде для определения отклонений параметров Ьт,„, Лт„, Лт,„„, Лт„„, Лпг,„.,„, Лт„„„, Лп, Лр„, Ьр,„в зависимости от изменения (отклонения) возмущающих факторов: давлений Лр,„.,„, Лр„, „и температур ЬТ,„, ЛТ„ компонентов на входе в двигатель и их плотностей Лр„ „ Лр,„ „; коэффициентов полезного действия Л~„ ,„, Ьт(„ „, Л~,; гидравлических сопротивлений различных элементов в магистралях Л$;; геометрических размеров Ьг"„, ЛЕ„„„и др.
Для определения отклонений тяги двигателя и удельного импульса используются известные зависимости этих параметров от давления р„, характерных размеров сопла — площадей Р,„, Т, и секундного расхода топлива. Основными являются параметры, определяющие режим работы двигателя: тяга и удельный импульс, расходы окислителя и горючего через камеру сгорания и газогенератор, частота вращения турбонасосного агрегата, а также давление в камере сгорания. В первую очередь, представляет интерес оценка влияния таких возмущающих факторов, как давление на входе в насосы, плотность компонентов топлива.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
