Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Приведенные зависимости для расчета ь, получены для случая постоянных размеров частиц вдоль сопла. В реальном случае размеры частиц при течении изменяются. Однако приведенные зависимости могут использоваться для оценки возможного уровня потерь, если в качестве эквивалентного диаметра частиц принять среднемассовый диаметр й„в области горловины сопла. В результате обобщения более шестидесяти результатов измерений дисперсности частиц А1,0„взятых из продуктов сгорания РДТТ, методами корреляционного анализа получена зависимость дм =- 1,4062й~' ~~ [1 — ехр( — 1,161 1О р гт)], где т — среднее время пребывания продуктов в камере сторания; г — массовая доля конденсата; с(„— в мм; р„— в Па.
33.2.2. Потери из-за неравновесности кристаллизации Приведенная в гл. Х1! приближенная оценка влияния отсутствия кристаллизации на скорость истечения носит лишь качественный характер. Оценка эффективности процесса кристаллизации по такому параметру, как скорость истечения, в некоторых случаях может привести к неправильным выводам. Поэтому, как и в случае других видов потерь, оценку эффективности проводят по удельному импульсу в пустоте. Кроме того, при неравновесной кристаллизации в сопле давление в его выходном сечении может значительно отличаться от давления, соответствующего равновесному течению.
Поэтому сравнение процессов с равновесной и неравновесной кристаллизацией необходимо выполнять для сопла с заданной геометрической степенью расширения (г, = = сопз1), а не при условии постоянства давления на выходе. Для отвода теплоты от частиц к газу при конечном значении коэффициента теплоотдачи необходим перепад температур.
Следовательно, температура частиц всегда должна быть выше темпера- гг;гйл л"вн/гул, ун р а аг 3 'га 33.7. Прирост удельного импульса в пустоте при нристаллизании (знанення оа в мкм) туры газа. Не исключено, что при определенных условиях лимитировать.процесс отвода теплоты будет не скорость кристаллизации, а скорость отвода теплоты от частиц, определяемая коэффициентом теплоотдачи и разностью темперзтур. Пример'расчета изменения разности температур частиц и газа в коническом сопле с полууглом раствора 15' и диаметром минимального сечения 100 мм показан на рис. 33.6. Для расчетов выбрано топливо с 15 ато А1 н с1, = 5 мкм.
Кривая 1 соответствует неравновесному течению при отсутствии кристаллизации, кривая 2 †- прн протекании кристаллизации с учетом конечной скорости отвода тепла, а — Ь вЂ” участок, на котором происходит кристаллизация в равновесном случае. Во втором случае на участке сопла с — с1 разность температур резко возрастает. так как до окончания отвода теплоты отаердевания температура конденсата остается постоянной, равной температуре плавления, а температура газа продолжает понижаться. На этом участке происходит увеличенный пс сравнению с первым случаем подвод теплоты к газу, в результате чего возрастает удельный импульс в пустоте. Участок с — с1 ниже по соплу, чем участок а — Ь, где происходит кристаллизация в равновесном случае.
Поэтому подводимая теплота преобразуется в работу расширения менее эффективно. При увеличении диаметра частиц конденсата участок с — д смешается к выходному сечению, и увеличение удельного импульса из-за выделения теплоты кристаллизации становится меньше. Результаты расчетов относительного увеличения удельного импульса в пустоте по сравнению с течением без кристаллизации при различных размерах частиц конденсата приведены на рис. 33,7 Для выбранного диаметра минимального сечения заметное увеличение удельного импульса при ограниченной скорости теплообмена может быть реализовано лишь при диаметрах частиц, меньших 3 „.
5 мкм (кривая И, — О). Но именно для мелких частиц более вероятна задержка процесса кристаллизацйи (см. гл. Х11)~ что не учтено при выполнении расчетов, результаты которых прегставлены на рис. 33.7. 373 Для случая частиц с диаметром 10 ... !5 мкм увеличение удельного импульса по условиям ограниченной скорости отвода теплоты пренебрежимо мало. Возможность переохлаждения жидкой окиси металла уменьшит и эту небольшую величину. 33.3. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ОТРЫВ ПОТОКА В СОПЛЕ Эффективным способом создания управлякнцих моментов и сил с помощью основного двигателя считают так называемый газодинамнческий способ, основанный на создании локальных зон повышенного давления на стенке сопла.
Для этого в сверхзвуковой поток продуктов сгорания в расширяющейся части сопла подается струя жидкости или газа или вводится твердое препятствие. Взаимодействие струй или препятствий с основным потоком приводит к отрыву потока и возникновению сложного пространственного течения. На рнс. 33.8 и 33.9 в качестве примера показаны схемы пространственного течения и особенности распределения давления вдоль оси сопла. Из первой схемы течения видно, что в некоторой точке перед щитком происходит отрыв потока от стенки сопла и образуется передняя отрывная зона.
В точке отрыва возникает скачок уплотнения АВ, который сливается с криволинейной ударной волной СВ. Возникновение боковой силы (в данном случае это сила аэродинамического взаимодействия) обусловлено появлением перед щитком зоны повышенного давления. Проекция боковой силы на ось, перпендикулярную оси сопла, может быть определена следующим образом: Р,=)(р,— р )созтттБ, (33А) где Є— давление на стенке сопла в области газодинамического взаимодействия; р — давление в невозмущенном потоке; 3— площадь области взаимодействия; а — угол между осью сопла и касательной к его стенке.
Для увеличения боковой силы (за счет большей площади области отрыва) вдув газа или впрыск жидкости в расширяющуюся часть сопла производят на некотором расстоянии от,его среза (см. рис. 33.9). Физическая картина в этом случае несколько сложнее, чем в случае со щитком, и менее изучена, хотя качественно мало отличается. Ниже отверстия вдува по потоку пространственное течение обладает преимущественно свойствами донных течений, т. е.
отрывных течений, образующихся в кормовой части тел, обтекаемых сверхзвуковым потоком (см. гл. Х1у). Как показано на рис. 33.9, непосредственно за струей образуется область с пониженным давлением, что приводит к некоторому уменьшению боковой силы. На всех других участках возмущенной зоны давление выше, чем в невозмущенном потоке на противоположной стороне сопла. зтз Главная составляющая боковой силы возникает из-за нарушения осесимметричности течения основного сверхзвукового потока. За криволинейной ударной волной, образующейся при газодинамическом взаимодействии струи и основного потока, располагается область повышенного статического давления.
Кроме газо- динамического взаимодействия в создание силы Р» вносит вклад реактивная сила Р, вдуваемой струи с секундным расходом т»о В связи с тем, что при данном способе создания управляющей силы Р» применяют вторичное рабочее тело, которое могло бы быть использовано во вспомогательном двигателе специально для создания силы Р», эффективность рассматриваемого способа характеризуют еще одним (кроме коэффициента качества, см. гл.
ХИ) параметром — коэффициентом усиления й» = Р»7Р». Коэффициент усиления оценивает вклад газодинамического воздействия в создание бокового усилия. При определении коэффициента качества газодинамического способа й = Р ггхР„ потери тяги г»Рк вычисляют как разность между тягой Р„„ которую можно было бы получить, если бы вдуваемое вещество использовалось для создания тяги при подаче его в камеру, и тягой Ри„получаемой при работе системы с учетом проекции на ось двигателя реактивной силы Р; и силы газодинамического взаимодействия. При увеличении расхода (при прочих равных параметрах) вторичного рабочего тела размеры зоны повышенного давления, а также боковая сила возрастают до тех пор, пока зона возмущения не переместится на другую, противоположную отверстию вдува сторону сопла.
В дальнейшем уменьшается несимметричность распределения давления, а следовательно, и боковая сила. Боковую силу определяют расход и давление торможения р„вторичного рабочего тела, место расположения и угол наклона сопла подачи ссу по отношению к оси камеры. Оказывают влияние на боковую силу агрегатное состояние (газ 33.8. Схема отрывного течения и распределение давления, сопло со щитком 374 33.9.
Схема отрывного течения и распределения давления при адуве газа в сопла или жидкость) и физико-химические параметры вещества. Коэффициенты й„и й в зависимости от указанных факторов определяют экспериментально. Газодинамический способ создания боковой силы чаще применяют для твердотопливных двигателей. Горячий газ для вдува приготавливают в специальном газогенераторе либо подают из камеры сгорания. В последнем случае возникают весьма сложные проблемы организации регулируемой подачи продуктов сгорания высокой температуры с возможным содержанием конденсированных частиц. При вдуве газа примерные значения коэффициентов составляют: й„— -- 2 ...
3, й = 1,5 ... 2,5. Заметим, что один и тот же расход вдуваемого газа можно создать за счет изменения площади проходного сечения, варьируя давление торможения на входе в сопло вдува реь Эксперименты показывают, что коэффициент усиления практически не зависит от давления р„, числа Маха на срезе сопла вдува и от формы этого сопла.
Оптимальное место вдува определяется отношением Е,!1.„ равным примерно 0,3 ... 0,4. Уменьшение Ф при малых Е,(Е, обусловлено неполным использованием для создания боковой силы возмущенной зоны в районе отверстия вдува, а при больших Ц!Е, — переходом возмущенной зоны на противоположную стенку сопла. При вдуве через щель или через несколько отверстий, расположенных по периметру сечения сопла, оптимальное место вдува сдвигается к срезу и тем ближе, чем больше длина щели. Оптимальный угол наклона оси сопла вдува к оси сопла составляет примерно 130". Влияние термодинамических параметров основного (Й„Т„) и вдуваемого ЯгцТсц) газов на эффективность вдува показано на рис. 33.!О. Как и следовало ожидать, эффективность вдува при уменьшении мТ вдуваемого газа существенно ухудшается.
Поэтому для повышения эффективности целесообразно использовать для вдува газ из камеры сгорания с высоким значением КТ. Как отмечалось, впрыск жидкости менее эффективен по сравнению со вдувом газа (рис. 33.11), однако с конструктивной точки зрения проще решаются вопросы регулируемой подачи. Поэтому такой способ создания управляющих усилий нашел практическое применение. Отличительные особенности процессов в такой системе следующие: а) после впрыска жидкость распыливается потоком и испаряется; б) доля реактивной составляющей в создании бокового усилия весьма незначительна; в) иной характер распределения давления на стенке сопла: протяженность зоны отрыва перед струей существенно меньше, зато за отверстием впрыска не образуется зона пониженного давления. При выборе жидкости стремятся к тому, чтобы плотность ее была как можно выше. Это позволяет уменьшить объем емкости для ее хранения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
