Цикл жрд

Жидкостные ракетные двигатели широко используются как силовые установки самолетов, баллистических снарядов, ракет, применяются также для бурения скважин в твердых породах.

Впервые идея и схема ЖРД были предложены в 1903 г. выдающимся русским изобретателем и ученым К. Э. Циолковским. Начало по созданию и испытаниям ЖРД относится к 1929-1930 г.г. В нашей стране ЖРД впервые были разработаны и испытаны в 1929-1932 г.г. В. П. Глушко и в 1931-1933 г.г. - –. А. Цандером. В 1933 г. состоялись успешные полеты ракеты с ЖРД, созданной М. К. Тихомировым. В те же годы работы по теоретическим исследованиям, по созданию и испытанию ЖРД и ракет проводились и за рубежом - –бертом, Винклером, Рифлем (Германия), Годдардом (США) и др.

Первый полет на самолете с ЖРД в нашей стране был совершен в 1940 г. Это был планер конструкции С. П. Королева с двигателем Л. С. Душкина. В 1942 г. были проведены успешные испытания в воздухе самолета с ЖРД, построенного по проекту В. Ф. Болховитинова.

В 1943 г. состоялись испытания первого в США самолета с ЖРД. В 1944 г. в Германии было построено несколько истребителей-перехватчиков с ЖРД. Здесь жидкие горючее и окислитель транспортируются на летательном аппарате и подаются в камеру сгорания насосами или вытеснением сжатым газом, который может образовываться на борту ракеты в результате какой-либо физико-химической реакции или сохраняться в сжатом виде в баллонах. Для воспламенения топлива или запуска двигателя используются различные системы - –иротехническая (пороховой запал, воспламеняясь от электрической искры, поджигает жидкое горючее), химическая (применение самовоспламеняющихся жидких горючих) и т. д.

Рис. 22.2. Схема ЖРД

ЖРД состоит из камеры сгорания 1 с соплом 2, системы подачи топлива 3, в которую входят баки, насосы, агрегаты управления.

Рабочие компоненты топлива подаются в камеру сгорания через форсунки 4, перемешиваются там и сгорают. Продукты сгорания расширяются в сопловом канале. При этом часть теплоты, которой они обладают, превращается в кинетическую энергию вытекающей 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 - –илу тяги двигателя. Сила тяги получается непосредственно без каких-либо промежуточных устройств. Она 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. 22.3. Работа ЖРД

Удлинение 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.

На - 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.

Рис. 22.4. Цикл ЖРД

Объем , занимаемый топливом, откладывается по оси абсцисс вправо от начала коорди­нат и при изучении идеального цикла им обычно пренебрегают по сравнению с объемом газов. Заштрихованная площадка эквивалентна работе насосов.

Рис. 22.5. - диаграмма

Процесс 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 заключенную 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. Таким обра­зом, цикл ЖРД, в принципе, аналогичен циклу РДТТ.

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 введен, чтобы замкнуть цикл.

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

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 , причем .

Термический КПД цикла , где и .

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

Е сли расширение газа в идеальном цикле осуществляется по адиабате, то, произведя замену , найдем - термический КПД цикла при полном расширении определяется только степенью расширения и при увеличении последней увеличивается.

Рис. 22.6. Степень расширения

Из графика (рис. 22. 6) 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 легких 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 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 .

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

Удельная тяга - –тношение тяги, развиваемой двигателем, к расходу топлива в нем , .

При

Удельная тяга возрастает при увеличении скорости истечения, или, что то же самое, работы цикла ЖРД. 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 растет 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 малую удельную тягу ( тяги против тяги для винтомоторных установок) и удельный объем.