Учебное пособие 800463

8

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Воронежский государственный технический университет

ТЕРМОГАЗОДИНАМИКА ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Учебное пособие

Воронеж 2001

9

УДК 532.5+621.455

С.В. Фалеев.Термогазодинамика внутрикамерных процессов в жидкостных ракетных двигателях : Учеб. пособие / С.В. Фалеев , В.В. Фалеев С.Г. Валюхов , Н.В. Мозговой ;гос. техн. ун -т. Воронеж , 2001.105 с.

В учебном пособии представлены основные необходимые теоретические сведения и рассмотрены практические вопросы термо- и газодинамики, применяемые при изучении внутрикамерных процессов горения и истечения продуктов сгорания в жидкостных ракетных двигателях. Материалы пособия предназначены в качестве вспомагательных при выполнении курсовых работ (проектов) и при дипломном проектировании .

Предназначено для использования в учебном процессе при изучении дисциплин "Основы теории и устройства двигателей летательных аппаратов", "Теория ракетных двигателей", "Термодинамика", "Гидрогазодинамика " для студентов специальности 130400 "Ракетные двигатели ".

Рекомендуется к использованию студентами авиационных и (тепло) энергетических специальностей, а также специалистам, работающим в области ракето –и двигателестроения.

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD 97.0 и содержится в файле “пособие.rar”

Ил. 80. Библиогр. : 7 назв.

Издается по решению редакционно - издательского совета Воронежского государственного технического университета

Научный редактор д - р техн. наук Ю.И. Шишацкий Рецензенты : кафедра энергетики и гидравлики Воронежской

государственной лесотехнической академии ;

д - р техн. наук Ряжских В.И.

Фалеев С.В., Фалеев В.В., ВалюховС.Г., Мозговой Н.В., 2001

Оформление.

Воронежский государственный технический университет, 2001

10

Учебное издание

Фалеев Сергей Владиславович Фалеев Владислав Васильевич Валюхов Сергей Георгиевич Мозговой Николай Васильевич

ТЕРМОГАЗОДИНАМИКА ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Компьютерный набор С.В. Фалеева

ЛР № 066815 от 25.08.99.Подписано к изданию 01.03.2001. Формат 60 84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Уч. – изд. л. 6,3. «С» Зак. №

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

11

СПРАВОЧНИК МАГНИТНОГО ДИСКА (кафедра ракетных двигателей)

С.В. Фалеев В.В. Фалеев С.Г. Валюхов Н.В. Мозговой

ТЕРМОГАЗОДИНАМИКА ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Учебное пособие

12

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время значительно возросли государственные интересы в области оборонной прмышленности, производящей ракетную технику, поэтому велика заинтересованность в подготовке грамотных и образованных специалистов по специальности 130400 " Ракетные двигатели ".

Авторы на основе многолетнего опыта преподавания таких дисциплин, как " Термодинамика", " Гидрогазодинамика ", " Теория ракетных двигателей" и практической работы в промышленности сочли возможным обобщить читаемый материал в учебное пособие, которое по своему основному содержанию удачно отразило потребности студенческого лектората . В пособии приведены достаточные и необходимые справочные данные, позволяющие использовать настоящей методический материал при практических расчетах термогазодинамики внутрикамерных процессов.

Предложенное к изучению учебное пособие, содержит систематизированные сведения по комплексному изучению термо - и гидрогазодинамики внутрикамерных процессов, протекающих в соплах жидкостных ракетных двигателей .

В этой связи представленная работа представляет значительный интерес для студентов авиационных и ракетных специальностей, а также для специалистов , работающих в этой области. Авторами предложен материал, который охватывает широкий круг научной и учебно - методической литературы. К несомненному достоинству учебного пособия следует отнести следующее содержание материала : модели рабочего тела в камере сгорания ЖРД ; основные понятия и определения термодинамики, применяемые при изучении внутрикамерных процессов , основные законы термодинамики , понятие энтропии и диаграммы состояния , течения газов в сопле Лаваля , идеальный цикл ЖРД, как термодинамической системы, основы химической термодинамики, положенные в основу изучения внутрикамерных процессов горения , газодинамика внутрикамерных процессов, в том числе основные газодинамические функции и скачки уплотнения, что необходимо при дальнейшем изучении тем "Расчет основных параметров ЖРД с использованием газодинамических функций" и "Нерасчетные режимы работы сопла. Влияние скачков уплотнения при

13

режиме перерасширения " и др. весьма важных разделов теории ракетных двигателей .

Основное содержание соответствует рабочим программам следующих дисциплин : " Теория ракетных двигателей ", " Термодинамика " и " Гидрогазодинамика ".

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 130400 " Ракетные двигатели", выполняющих тепловые и газодинамические расчеты в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя ( ЖРД ) в процессе курсового и дипломного проектирования, и при подготовке к лекциям и практическим занятиям.

14

1.Модели рабочего тела, используемые при изучении внутрикамерных про- цессов

1.1.Особенности преобразования энергии в сопле

В камере ЖРД химическая энергия (ХЭ) топлива преобразуется сначала в тепловую( ТЭ), а затем в кинетическую (КЭ) энергию вытекающей газовой струи.

Цель термодинамического и газодинамического анализа – определение оптимальных условий преобразования энергий (ХЭ ТЭ КЭ) и расчет изменения параметров рабочего тела. Рабочее тело представляет продукты сгорания (ПС), в которых во время движения по трактам камеры непрерывно протекают химические реакции, изменяющие состав и свойства ПС. Поэтому кроме определения термических параметров Т, Р, =1 и скорости потока V следует искать состав и термодинамические свойства реагирующих ПС.

Термический анализ осложняется особенностями работы камеры сгорания,

ккоторым относятся:

1.Высокая теплонапряженность – количество тепла, выделенного в единице

Высокая температура горения вызывают диссоциацию (распад молекул на составляющие ее ионы). Ионы – атомы или группы атомов, обладающие избыточным или недостаточным количеством электронов по сравнению с нейтральными атомами, которые влияют на состав и температуру ПС. Кроме того, вследствие разложения молекул идет расширение ПС, т. е. расширение происходит как за счет изменения Тк, так и за счет изменения химсостава .

При расширении в сопле имеются следующие процессы:

1.Расширение происходит при изменении состава ПС и выделение тепла (реакция рекомбинации).

2.Расширение сопровождается падением теплоемкости ПС (за счет уменьшения Т – уменьшается внутримолекулярное колебательное движение атомов, что уменьшает внутреннюю энергию.)

3.При расширении идет догорание топлива, т.е. частично компенсируется неполное сгорание в камере сгорания, т.к. Р<Рк.

4.Процесс сопровождается потерей энергии за счет диссоциации, физической неполноты сгорания, теплоотдачи через стенки камеры в окружающую среду, трения, вихреобразования, скачков уплотнения.

Для сопла – уширение сопла Fa/Fkp~102 степень расширения газа в сопле

Граница камеры сгорания и сопла условная (к-к), т. к. процессы превращения ХЭ ТЭ КЭ накладываются друг на друга. Условие на границе – скорость ПС мала по сравнению со скоро- стью в критическом сечении.

Условно считают, что на границе

выполняется условие F/Fkp=3.

В ряде случаев считают, что

камера сгорания занимает весь объем между головкой и критическим сечением (при расчетах

приведенной длины камеры

Рис. 1. Схема камеры ЖРД Изменение основных параметров относительно оси камеры

1.2. Основные понятия и определения

Термодинамическая система – тело или совокупность тел, выделенных из материального мира, которые являются объектами исследования (например ПС в камере двигателя).

Система имеет определенные границы, отделяющие ее от окружающей среды. Эти границы могут быть как реальными (ПС в камере сгорания и сопле ЖРД), так и чисто условными в виде контрольной поверхности.

Если система совершенно не взаимодействует с окружающей средой, то ее называют изолированной. Если система не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты, то такую систему называют теплоизолированной или адиабатной.

16

Процессы превращения теплоты в работу, реализуемые в тепловых машинах, осуществляются рабочим телом, которое изменяет в этих процессах свое физическое состояние.

Если система переходит из одного состояния в другое, то процесс перехода есть термодинамический процесс.

Все процессы, происходящие в системе, делятся на равновесные и неравновесные.

Равновесные – процессы, в которых система проходит ряд последовательных равновесных состояний. Равновесное состояние системы характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков вещества, импульса, энергии и т. п.

Неравновесная – система не находится в состоянии равновесия, т. е. различные части системы имеют различную Т, Р и .

Параметры состояния, описывающие поведение системы, подразделяют на внешние и внутренние. Внешние – характеризуют положение (координаты) системы во внешних силовых полях и скорость изменения ее положения.

Внутренние определяют внутреннее состояние системы (Р, Т, V и др.) Внутренние делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные парамет-

ры не зависят от размеров (массы) системы, например Р и Т не изменяются, если разделить систему на несколько частей. К интенсивным относятся и удельные величины – удельный объем, удельная теплоемкость.

Экстенсивные параметры зависят от количества вещества в системе – объем, масса и т. п.

В термодинамике делят параметры на термические (Р, Т, =1/ ), и калорические (внутренняя энергия, энтальпия, удельная теплоемкость,

Рис. 2.

удельная скрытая теплота фазовых переходов и т. п.)

1.2.1.Термические параметры

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы. Температура определяет:

а) распределение элементов (частиц), образующих систему, по уровням энергии;

17

б) распределение частиц по скоростям; в) степень ионизации вещества;

Градус Кельвина – единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале, в которой для температуры тройной точки* воды установлена 273,16 К.

Используют: 1) термодинамическую температуру в градусах Цельсия t , для которой 0 С(терм.) =273,16 К; t=(T –273,16) C; 1град (терм Цельсия) =1град (терм Кельвина);

2) Практическую температуру в градусах Фаренгейта tF ,

для которого 0 F= -17,17 C, t 5 t 17,17 .

Температура характеризует степень нагретости тела, т.е.является энергетическим параметром состояния или мерой хаотического теплового движения газа. В принципе Т можно было бы измерить в энергетических единицах Джоулях (Джоуль – единица энергии и работа в системе СИ, равная работе силы 1Н при перемещении еѐ тела на расстоянии в 1м в направлении действия силы.) Джоуль применяют как единицу количества теплоты. 1Дж=0,2388 кал.

Работа, совершаемая при мощности в 1 Вт в течение 1 сек. – в электротехнике. Для практического использования эта единица неудобна.

Измерение Т производится с помощью приборов, в основе которых лежит расширение тел (термометры) или возникновение электродвижущей силы(термоЭДС) при их нагревании (термопары). каждый прибор градуируется в соответствии с установленной шкалой – Цельсия, Кельвина, Фаренгейта.

Давление – величина, численно равная силе, действующей по нормали к поверхности тела и отнесенной к единице площади этой поверхности.

Единица давления в системе СИ – Паскаль(Па). 1Па равен давлению, вызываемому силой 1Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1м2 , перпендикулярной направлению силы.

Давление измеряется по отношению к абсолютной нулевой величине (абсолютное давление Рабс) или относительно атмосферного давления Рн в месте измерения (избыточное давление Ризб).

Таким образом: Ризб=Рабс-Рн Если давление абсолютное меньше атмосферного, то разность между атмо-

сферным и абсолютным давлением называется давлением вакуумметрическим:

Рвак=Рн-Рабс

(давление соответствующее давлению воздуха на высоте 200м над уровнем моря). Размерности абсолютного, избыточного и вакуумметрического давлений обозначают «ата», «ати», «атв» соответственно.

*тройная точка – точка на диаграмме состояния, соответствующая сосуществованию трех фаз вещества (твердая, жидкая, газообразная).