Газодинанамика в одно- и двухфазных течений в реактивных двигателях (562026), страница 20
Текст из файла (страница 20)
7.1. Цикл бескомнрессорного воздушно-реактивного двигателя ченная в процессах Н-1-2, частично превращается в кинетичесС~и, 2 кую энергию рабочего тела на выходе из двигателя: Е й 2 Процесс С-Н условно замыкает цикл и соответствует выравниванию параметров струи, истекающей из двигателя, с параметрами окружающей среды. Цикл показывает работу двигателя как тепловой машины, работе цикла соответствует площадь Н- 1-2-С-Н. Для того чтобы работа цикла была положительна (отлична от нуля), обязательно наличие процессов сжатия и под- вода тепла.
Отсутствие хотя бы одного из них не позволит получить необходимую энергию в точке 2 (работа цикла будет равна нулю). На рис 7.2 показано изменение некоторых параметров по тракту двигателя, в соответствии с циклом на 3 вшх рис. Г.1,а. Это е — полная удельная энергия; ~ „— удель- полезн ная работоспособность, или эксергия; и — скорость; р — давление рабочего тела. Этп графики показывают, каким образом решается главная задача — увеличение скорости рабочего тела и получение высокоскоростной струи, истекающей из двигателя. Без наличия перепада давления на участке 2-С (а оно может быть получено только предварительным сжатием) и подвода энергии в виде тепла на участке 1 2 невозможно реализовать получение тяги двигателя.
Рис. 7.2. Изменение некоторых параметров в двигателе 7.1.3. Основные элементы двигателя и их назначение. Функционально двигатель можно разделить на два устройства: 1) генератор рабочего тела„назначение которого — получить рабочее тело с заданной работоспособностью (эксергией) (процессы Н-1-2 на рис. 7.1); 153 2) движитель, назначение которого — преобразовать эксергию (энергию) рабочего тела, полученную в генераторе, в работу силы тяги (процесс 2-С на рис.
7.1). В качестве движителей в современных реактивных двигателях используются соплв и винт. Состав генератора зависит от типа двигателя, но обязательно должен содержать устройство для сжатия рабочего тела — диффузор или компрессор или и диффузор, и компрессор — и для подвода энергии в форме тепла — камеру сгорания. Если устройство сжатия снабжено компрессором, то для его привода генератор снабжается турбиной.
Такие двигатели называют газотурбинныии. Цикл газотурбинного двигателя показан на рис. 7.1,6. Процесс Н-1 соответствует сжатию в диффузоре; 1 2 — сжатию в компрессоре; 2-3 — подводу энергии (тепла) в камере сгорания; 3-4 — расширению на турбине, служащей для привода компрессора. Работа, необходимая для сжатия рабочего тела (воздуха) в 2 компрессоре и равная и др, на рис. 7.1,6 соответствует площа- 1 4 ди А-С-2-1.Работа расширения на турбине и равная о Ир соотз ветствует площади В-С-3-4. Отмеченные площади Л-С-2-1 и В-С- 3-4 должны равняться между собой. Тогда энергия рабочего тела на выходе из генератора будет характеризоваться точкой 4, а работа цикла — площадью Н-1'-4-С. Эта энергия или работа используется в движителе (например, процесс 4-С расширения газа в сопле или процесс 4-С расширения газа на турбине, вращающей винт).
7.1.4. Определение силы тяги. Процесс образования движущей силы — силы тяги определяется взаимодействием системы двигателя или движителя с окружающей средой. Это взаимодействие физически проявляется как давление и напряжение трения, действующие как со стороны рабочего тела, протекающего внутри двигателя,так и со стороны окружающей среды. Равнодействующая этих сил, просуммированных по всей поверхности, и определяет силу тяги.
При этом оговариваются граничные условия, при которых рассматривается тяга. В зависимости от граничных условий получаются разные как по вели- чине, так и смыслу силы. Для реактивной тяги (ОСУ 100192-75 [2~) установлено следующее определение: это "результирующая всех газодинамических сил (давления и трения), приложенных к внутренней и наружной поверхностям двигателя в предположении, что внешнее обтекание двигателя идеальное". 7.1.5. Расчет реактивной силы на основе уравнения количества движения. Вычисление силы тяги путем непосредственного суммирования сил давления по рабочим поверхностям двигателя является неудобным и сложным. Применим для расчета силы тяги уравнение количества движения (7.1), которое позволяет определить силу тяги двигателя без анализа внутренних процессов, только по состоянию потока на границах системы.
Двигатель в потоке газа вызывает возмущение в виде деформации профилей скорости и давления. На рис. 7.3 показаны в сечении а невозмущенные профили скорости в и давления р, н н' профили в сечении б непосредственно перед двигателем и в за двигателем и профили в сечении г вдали за двигателем. Профили соответствуют двигателю, помещенному в дозвуковой поток, причем использован принцип обращения движения, когда дви- р а б Рис. 7.3. Картина распределения давления и скорости при реальном обтекании 155 гатель рассматривается как неподвижный и обтекаемый внеш ним потоком.
Условия идеального внешнего обтекания соответствуют от сутствию влияния двигателя как источника возмущений на об текающий его поток. Поэтому выберем в качестве газодинами ческой системы (рис. 7.4) цилиндр 11СС, соосный с двигателем, образующие которого 1-С расположены на достаточном удале нии от двигателя как источника возмущения, параметры в торцевых сечениях 1-1 равномерны и равны параметрам окружающей среды, а в торцевом сечении С-С равномерны на участках С-Ь и равны параметрам в сечении 1-1. На участке С вЂ” С пара- 1 1 метры также равномерны, но значения давления и скорости со- Рис.
7.4. К выводу формулы силы тяги ответствуют параметрам на выходе сопла двигателя р и и . с с Площадь потока на входе в двигатель соответствует входной площади диффузора Г~, а площадь потока на выходе — площади выходного сечения сопла Г . В выбранной системе выделим с цве подсистемы: одну„соответствующую внутреннему обтеканию двигателя 1 1 С1С,, и вторую — соответствующую внешнему обтеканию двигателя 1аЬС. Обе подсистемы показаны на рис.
7.4 пунктиром. Силой тяги Р будет сила, с которой газ, обтекающий двигатель внутри и вовне, действует на систему, т.е. (7.3) где индексы: вн — внутренняя, нар — наружная. Нормальные к оси двигателя силы внешнего давления, дей- ствующие на внешнюю подсистему, взаимно уравновешиваются, касательные напряжения отсутствуют (обтекание идеально), и нет обмена количеством движения через поверхность образую- щих.
Поскольку давление на торцевых поверхностях 1а и СЬ одинаково и равно р, то при выборе Р » Г можно полагать, н ' с что количество движения во внешней подсистеме 1аЬС не изме- няется. Запишем уравнения количества движения для каждой под- системы в проекции на ось, совпадающую с осью двигателя, причем за положительное направление оси принимается на- правление вектора скорости набегающего потока.
Для внешней подсистемы с учетом Р » Р с — Р +р (Р—.г ) — р (7.4) где Р— сила, с которой окружающая среда действует на нйр наружную подсистему, нар нар Для внутренней подсистемы вн Ра н "в в ( в т) с в (7.6) где Р вн сила, с которой окружающая среда действует на внутреннюю подсистему, вн вн' (7. 7) (7.8) С = р и Р ~кг,/'с1 — расход воздуха через двигатель; С вЂ” расход топлива. Складывая выражения (7.4) и (7.6) и заменяя в полученном выражении Р и Р на — Р' и — Ф, получим выражение нар вн нар вн' для силы тяги: -- В~н+~.) .- ~н'"н (рс-рн) ~с~ (7.9) Знак "—" означает, что сила направлена противоположно вектору скорости невозмущенного потока и, т.
е. в направлении скорости полета. Такое направление силы тяги считается положительным. Поэтому знак "-" в дальнейшем опускается. 7.1.6. Формулы силы тяги для некоторых частных случаев. Сила тяги ВРД на расчетном режиме, которому соответствует условие р = р, (7.10) Р— С (и> — и~ )+С и),.
Сила тяги ВРД на старте, и =О, Р=(С +С~)~ +(р — р)Р (7.11) (7.12) в (~с н) (рс рн) с" Сила тяги ракетных двигателей, не использующих окружающую среду для получения рабочего тела, с (рс рн) с ' (7.13) где Π— массовый расход рабочего тела, истекающий из сопла двигателя. Сила тяги идет на совершение работы, связанной с преодолением сопротивления среды и инерции летательного аппарата на участках разгона и торможения (при реверсе тяги) ЛА. Внешнее сопротивление силовой установки определяется ее расположением на летательном аппарате.
Сила тяги с учетом внешнего сопротивления называется эффективной тягой. 7.1.7. 0 месте приложения реактивной силы. Сила тяги есть результирующая сил давления и трения, действующих на все поверхности двигателя. Рассмотрим схему простейшего прямоточного двигателя (рис. 7.5), состоящего из диффузора Н-1, камеры сгорания 1-2 и сопла 2-С. Камеру в первом приближении можно считать цилиндрической. Будем учитывать только дей- 153 Так как для ВРД расход топлива С <~ О~, то приближенно тяга может быть определена по формуле Рис. 7.Б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
