Министерство образования и науки Российской Федерации

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИИ

Воронежский государственный технический университет

ГОУВПО « Воронежский государственный технический университет»

Кафедра ракетных двигателей

Тепловой расчёт, определение параметров и оценка прочности камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей Утверждено редакционно - издательским Советом универси-тета в качестве учебного пособия.

Воронеж 2012

УДК621.453/.457

По выполнению курсовых и дипломных работ по дисциплинам « Термо-динамика», «Конструкция деталей и узлов двигателей летательных аппара-тов», «Динамика и прочность ракетных двигателей», дипломных работ по теме проектирование ЖРД. Для студентов специальности 160302 «Ракетные двигатели» всех форм обучения.

Для студентов спе­циальности 160302 «Ракетные двигатели» всех форм обу­чения" ГОУВПО "Воронежский государственный технический универси-тет"; авторы- Ф.Н. Шалаев, В.А. Орлов. Воронеж, 2010. с.

В учебном пособии рассмотрены вопросы теплового расчета, оценке прочности и проектирования камеры сгорания ЖРД, необходимые для выполнения курсовых и дипломных работ по дисциплинам «Термоди-намика», «Конструкция деталей и узлов двигателей летательных аппаратов», «Динамика и прочность ракетных двигателей».

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 160300 «Двигатели летательных аппаратов», специальности 160302 «Ракетные дви-гатели», дисциплинам -«Термодинамика», «Конструкция деталей и узлов двигателей летательных аппаратов», «Динамика и прочность ракетных двигателей»

Предназначено для студентов 2,3,4,5 курсов.

(Курсовыея работы оформляется согласно требованиям

СТП ВГТУ 62-2007).

Рецензенты д-р техн. наук, проф. Г.И. Скоморохов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой р.д. д-р техн. наук, проф. В.С. Рачук

Печатается по решению редакционно-издательского со­вета Воронежского государственного технического универси­тета

© ГОУВПО "Воронежский государственный

технический университет", 2011

1. Цикл ЖРД.

ЖРД состоит из системы подачи топлива в которую входят баки, насосы, агрегаты управления и камеры сгорания с соплом [1].

Рабочие компоненты топливо и окислитель подаются в камеру сгорания через фор-сунки и сгорают там. Продукты сгорания расширяются в сопловом канале. При этом теп-лота, которой они обладают с учётом КПД, превращается в кинетическую энергию выте-кающей среды. Скорость истечения газов увеличивается, а давление падает от давления в камере сгорания до давления окружающей среды (при полном расширении). Равнодействующая от сил давления, приложенных к стенке камеры сгорания и сопла, создает силу, направленную в сторону, противоположную истечению - силу тяги двига-теля. Сила тяги равна

P=Gw

где G- расход топлива, кг/с; w- скорость в выходном сечении сопла.

Как видно, она не зависит от скорости полета, что является большим преимуществом ЖРД.

Рис.1

У длинение сопла увеличивает скорость истечения и уменьшает давление газов на выходе.

Обычно составляет 0,1-0,001 от давления в камере

где - реактивная сила, направлена по оси камеры в сторону, противоположную направлению истечения газов из сопла (равнодействующая сил давления газов на камеру изнутри).

Чем больше высота, тем меньше давление окружающей среды и, следовательно, больше тяга. При тяга достигает значения реактивной силы. Поэтому реактивную силу называют также тягой в пустоте.

Н а - диаграмме процесс подачи топлива изображается изохорой 1-2 при этом давление возрастает от до , и, поскольку, плотность жидкости гораздо выше плотности продуктов сгорания, то эта изохора практически совпадает с осью ординат.

Объем , занимаемый топливом, откладывается по оси абсцисс вправо от начала

коорди­нат и при изучении идеального цикла им обычно пренебрегают по сравнению с объёмом газов. Заштрихованная площадка эквивалентна работе насосов.

П роцесс горения топлива идет при постоянном давлении и непрерывном увели­чении объема продуктов сгорания, следовательно, изображается изобарой 2-3.После этого продукты сгорания поступают в сопло Лаваля и расши­ряются до конечного давления по адиабате 3-4. Отработавшие газы выбрасываются в окружающую среду, унося с собой заключённую в них теплоту, и цикл замыкается изобарой 4-1. Площадка 1-2-3-4 представляет собой работу цикла, она эквивалентна кинетической энергии, которой обладает газ, покидающий двигатель.

Процесс 4-1 должен был бы представлять собой процесс конденсации газов в топливо, т. е. процесс с отводом тепла при постоянном давлении. В реальном двигателе, где происходит смена рабочего тела, такого процесса нет; на диаграмме он введён, чтобы замкнуть цикл.

тем больше, чем больше и - отношение давления в камере и на срезе сопла, называемое обычно степенью расширения газа.

k - показатель адиабаты.n = k .

Работа цикла будет наибольшей, когда газы на выходе из сопла имеют давление, равное давлению окружающей среды.

При увеличении работы цикла возрастает скорость истечения.

Характеристическим параметром цикла является степень падения давления при расширении рабочего тела

или степень расширения газа , причём .

Термический КПД цикла , где

и

Так как в идеальном цикле и малы по сравнению с и ( ), то

и , и

Если расширение газа в идеальном цикле осуществляется по адиабате, то, произведя замену

, найдём

- термический КПД цикла при полном расширении определяется только степенью расширения и при увеличении последней увеличивается.

Н а рис показана зависимость термического КПД от степени расширения газов δ. Из графика видно, что по мере увеличения степени расширения рост замедляется и применение высоких давлений в камере сгорания нецелесообразно, т.к. необходимо будет делать ее с более толстыми стенками, а, следовательно, утяжелять двигатель. Большие значения k дают больший термический КПД. Повышения k можно достигнуть, увели­чив в продуктах сгорания наличие одноатомных или лёгких газов.

Поскольку компоненты горючей смеси в камере сгорания испаряются и вступают в химическую реакцию, то величины теплот следует определять по более общим уравнениям

,

Тогда или, что то же самое,

Разность энтальпий эквивалентна работе, затрачиваемой насосами на повышение давления на повышение давления жидких компонентов. Эта работа пренебрежимо мала по сравнению с количеством тепла, выделяющегося при сгорании топлива, поэтому ее можно не учитывать

Поскольку разность энтальпий превращается в кинетическую энергию продуктов сгорания в процессе их истечения из сопла, то, пренебрегая скоростью продуктов сгорания на входе в сопло, можно записать

(1)

С учётом этого соотношения уравнение для термического КПД ЖРД может быть записано так:

Удельная тяга- отношение, развиваемой двигателем тяги, к расходу топлива .

При

Уравнение (1) для размерности энтальпии или теплосодержания I = будет ∆I_п = , тогда значение скорости- м/с истечения будет ω= , то есть теоретическая скорость истечения из сопла будет

ω₃ = 91,5 (2) ,где

ΔI_п = I - I (разность полных теплосодержаний)

Удельная тяга ЖРД возрастает при увеличение скорости истечения , или, что то же самое, работы его цикла, т. е. тем больше, чем больше , называемое «работоспособностью газов», и чем больше степень расширения продуктов сгорания в сопловой части . Удельная тяга характеризует двигатель вместе с топливом. Чем больше энергии запасено в топливе и чем полнее эта энергия используется, тем выше удельная тяга.

С уменьшением , т. е. с увеличением высоты, удельная тяга растёт и в пустоте принимает максимальное значение, равное

Удельная тяга современных ЖРД растет с увеличением , которая в значительной степени определяется температурой и отношением давлений в камере и на срезе сопла .

При увеличении растет и . - вследствие того, что при высоких давлениях уменьшается диссоциация молекул, а - благодаря тому, что камеры строят с учетом определенного значения . Т.е. необходимо добиваться постоянства при увеличении (по мере роста удлиняют сопло). Одновременно увеличиваются затраты энергии на привод насоса для прокачки жидких энергокомпонентов. Поэтому в камерах сгорания современных ЖРД .

ЖРД имеют очень малые и удельный объём и удельную тягу ( тяги против тяги для винтомоторных установок).

Полная сила, действующая на двигатель

P =P₁ +P₂ = ≈ ω₃ есть сила тяги ЖРД

Сила тяги в пустоте

P_пуст = Р₁ = +f₃ P₃

Удельная тяга кгсек/кг. есть тяга двигателя приходящаяся на 1кг/сек расходуемого топлива будет

p_{уд = = +} ( p₃ -p_н)

при P₃ = Pн уд. тяга(уд. импульс) - будет

P_уд = _≈ 0,1 ω₃ (2а)