Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Шишков А.А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей. Инженерные методы расчета

.pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
5.5 Mб
Скачать

Отсюда следует формула для коэффициента восстановления полного давления при сужении:

Рі)3

1 + ■

С^з( 1 '

к 1

 

к + 1

 

 

Роі

 

1 + Цк/(к 4- 1)

 

 

 

1 - С г

 

Л

(92)

 

 

^3

 

 

 

 

С другой стороны, потери полного давления в данном случае могут быть определены как потери вследствие расширения по­

тока

от сжатого сечения 7^2= ц і7з до

1

 

F3, т.

е. Рт = Ро2- Тогда

по

формуле

 

(42)

имеем

 

 

 

 

 

К

 

 

 

 

 

 

 

\*~ ь -

Доз =

_Дсз

I _

к

-л I j _

^ 2 _ \ 2

 

Рох

 

До2

к -г 1

V

Р з /

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(93)

 

 

Для сечений 1— 1 и 2—2 справед­

 

 

ливо

 

уравнение

 

непрерывности:

 

 

еДіаі;р^’і= 02^2акр7г2,

откуда

Х2 = ^іХ

Uл-

 

X qiFi/{q2Fz).

Заменяя

с

помощью

 

этого

выражения Х2 в формуле (93)

Рис. 27. Канал с внезапным

и сравнивая соотношения (90) и

сужением

 

(93), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^2 9

Рі_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рз

 

или окончательно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р з

 

1 + У £і (Ог/Q і) у 1 — Рг/Р і

 

 

 

 

 

=

(1+ о,637-й . ^ / У Д Г ) “ ‘ .

(94)

На

основании

изложенного можно

предположить,

что для

оценки ц в случае внезапного сужения потока сжимаемого газа

вместо Q2/Q1 в формуле (94) следует

использовать зависимость

коэффициента смягчения

входа

от

сжимаемости

в виде

[/(Аз) — 1]/(1— яг) (43), полученном

при рассмотрении

истече­

ния из насадка Борда (см. §

1. 6 ), т. е.

 

 

-{-0,637- Г (Ха)~

1

'Рз —1

(95)

 

1 — я2

 

р ,

 

Результаты расчета ц для газа (/г=1,4) по формуле (95) при­ ведены в табл. 18 для Fs<^Fi (истечение из отверстия с острой кромкой) при 0<р2/ро^1 и в табл. 19 для O^.F3/F i^l при А,2=1 в

79

сравнении с точными значениями, найденными С. А. Чаплыгиным и Ф. И. Франклом [28] (точка при я2= 0,037л;0).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 18

P-2/Po

 

 

 

1

0,9315

0,8672 0,8050

0,7469

 

0,6913

0,6393

f ß 2 ) - 1

(-13)

1

0,950

0,900

0,846

0,794

 

0,744

0,691

1п2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(95)

0,611

0,623

0,636

0,650

0,664

 

0,678

0,694

м-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[28]

0,611

0,623

0,636

0,650

0,664

 

0,678

0,699

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение

Р-і/Ро

 

 

 

0,5898 0,5433 0,5282

0,4

0,3

 

0 , 2

 

0 , 1

0 , 0

/ М - 1

 

(43)

 

0,639

0,586

0,568

0,446

0,383

0,335

0,298

0,268

1—ЗТо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(95)

 

0,711

0,728

0,734

0,779

0,804

0,824

0,841

0,854

и.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[28]

 

0,717

0,738

0,745

 

 

 

0,850

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 19

F3/Fi

 

0 , 0 0 0

0,0653

0,2383

 

0,4242

0,6813

0,8345

0,9218

1

V-

[28]

0,745

0,752

0,772

 

0,798

 

0,845

0 , 8 8 8

0,924

1

(95)

0,735

0,741

0,761

 

0,785

 

0,831

0,872

0,908

1

 

 

 

В пороховых снарядах р2/ро~10-2, и формула (95) принима­ ет простой вид

------------1 + 0 ,1 711 /1 = 7 ^- ■

(96)

Приближенные значения р, вычисленные по формуле (95) с вы­ сокой степенью точности (ошибка 1 %), согласуются с точными значениями (см. табл. 18, 19) во всем интервале изменения отно­ сительного давления р20 и степени поджатия F3/Fi.

80

Для оценки коэффициента расхода сопел с коническими и радиусными дозвуковыми частями (рис. 28) используем пред­ положение о том, что структура приближенных формул остается неизменной, т. е.

4- 0,637

(97)

1

—я2

где — приведенная скорость в сжатом сечении.

Коэффициент характеризует влияние геометрических харак­

теристик на коэффициент расхода; например, в случае рассмот­

ренного внезапного сужения Сх —V 1

Точные значения коэффициента расхода (коэффициента сжатия струи) идеальной несжи­ маемой жидкости при истечении че­ рез коническую воронку в зависимо­ сти от угла конусности 2ѲВХ [28] можно аппроксимировать зависи­ мостью

Н1+»'637&ГТ

~ ( +|0'637м Г '

Отсюда

следует, что в этом случае

Рис. 28. Конический и радиус-

£х= 0 вх/9О)°'924» Ѳ вх/9О и согласно

ный входы в сопло

формуле

(97) получаем для газа

 

f ( h ) ~ 1 ^Явх у - 924

1 + 0,637 / 0-2) 1 ввх

1 - я 2 V90 /

1 — я 2 90

Если воспользоваться экспериментальными данными [37] о коэффициенте гидравлических потерь входа со скругленными кромками и аппроксимировать их натуральной показательной

функцией е_4га/Ѵ (гкр= <+р/2 — радиус критического сечения), то для оценки коэффициента расхода жидкости получим форму­ лу |/ = (1+0,637е-4Га/гкр)~1. Следовательно, коэффициент расхода при истечении газа через сопло с радиусной дозвуковой частью определяется формулой

1+0,637 £ М = І е“ 4га/гкр

1 — я2

Таким образом, коэффициент расхода сопел в зависимости от сжимаемости газа и геометрических характеристик дозвуковой части определяется формулой

1

(98)

^ — 1 + 0 ,6 3 7 eQex

4

3734

81

где Сп = /(Л ^ — 1/(1 — я2) зависит от сжимаемости (0 <[Х2 < ; 1 );

Сх- = У 1

F afF1— для

сопла

с

внезапным сужением

 

(0 <

Ѵ гп х <

О;

 

 

С,=(0и/9О)°’9М«вех/9О -для

конического входа

(0<Ѳ ПХ<;90;

 

е ІГг,гкр — для

Гкр),

 

 

 

Сх =

радиусного

входа (0

г2/гкр со,

»г кр).

При больших давлениях в двигателе (я2=Рг/ро~0 ) = 0,268, и формула (98) упрощается:

1

(99)

1 +0.171С,

 

Если профиль дозвуковой части сопла имеет большой ради­ ус скругления г2^ г Кр или выполнен по формуле Витошинского, то поджатие струи в критическом сечении пренебрежимо мало, и отличие коэффициента расхода от единицы обусловлено лишь наличием пограничного слоя; в этом случае

_

1

 

 

 

1 + ( 4 5 * М < р ) ’

 

 

где б* — толщина вытеснения пограничного слоя.

При ламинарном пограничном слое

в

дозвуковой части и

200^:Re< 6,8 -ІО5 справедлива следующая

формула (Лесессер):

_

1

 

 

^

1 -I- 6 , 5 / Re

 

а при турбулентном

 

 

 

________ 1______

 

 

1 _

1 +0,18/R e°’2

 

 

Сжатие струи в критическом сечении сопла, отклонение рас­ пределения скорости в этом сечении от равномерного и парал­ лельного приводят к возмущению потока на выходе из сопла и, следовательно, к дополнительным потерям импульса. Влия­ ние формы входной части сопла на потери импульса'еще более увеличивается при наличии в потоке конденсированной фазы. С увеличением глубины погружения сопла в камеру ракетного двигателя на смесевом твердом топливе искажаются эпюры скоростей газовой и конденсированной фаз в области критиче­ ского сечения сопла [81].

Итак, если профиль дозвуковой части сопла в области «гор­ ла» не является достаточно плавным, то распределение газоди­ намических параметров отличается от однородного и происходит сжатие струи. Коэффициент расхода сопел в этих случаях опре­ деляется по соотношениям, основанным на модели кусочно одно­ родного течения.

82

3.3. УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС

Удельным импульсом ракетного двигателя на твердом топли­ ве называется отношение тяги к секундному расходу продуктов сгорания /oo=i/?oo/G. В случае, если рабочим телом является иде­ альный газ, пустотный (рп = 0 ) удельный импульс равен

/ . = /CTC* = £ ± ^ a KPz(Xe).

(100)

k

Для точного определения теоретической величины удельного импульса необходимо учитывать изменения состава и свойств продуктов сгорания в процессе их расширения в сопле. Эти из­ менения становятся существенными в случае топлив с высокими энергетическими характеристиками. Теоретические значения

/ °°т==УдRgТ'дІ'^а

И С*т= Рокр/Ркр \ ^кр^кр/^кр>

ГДе

сѴа=

—] / 2 (//т —Н а),

в зависимости от рецептуры твердого топлива

и степени расширения сопла определяются в результате

термо­

динамического расчета (на ЭВМ) [4, 68]. Вследствие высоких температур затвердевания (см. табл. 20) окислов АІ2О3, Вео, на­ ходящихся в продуктах сгорания высокоимпульсных топлив, возможно переохлаждение жидких частиц при расширении двух­ фазного потока в сопле до температур Та= 1500-4-2000 К. При этом не происходит выделения теплоты кристаллизации и возни­ кают потери удельной тяги [68].

 

 

 

Таблица 20

Вещество

Температура

Теплота кристал­

Потеря удельной тяги

отвердевания,

лизации,

в % при 25% твердых

 

К

кДж/моль

частиц ( / теТ=3000 м/с)

ВеО

2823

58,5

3,6

Beo03

723

25,6

5,6

AI0O3

2315

118

2,9

Расчеты показывают, что потери пустотной тяги из-за отсут­ ствия кристаллизации достигают для двигателей первых ступе­ ней 1,0% и для двигателей верхних ступеней — 1,5% [4]. Следова­ тельно, из термодинамического расчета удельной тяги металли­ зированных твердых ракетных топлив можно исключить теплоту кристаллизации конденсата при расширении в сопле.

Реальный пустотный удельный импульс /«, отличается от значения, полученного в результате термодинамического расче­ та, на некоторый коэффициент импульса <р: / о о= ср/оотОн являет­ ся энергетической характеристикой двигательной установки и за­ висит от термодинамических свойств топлива, коэффициента им­ пульса <р, степени расширения сопла (daMiP)2[58, 81].

4 *

83

Соотношение между теоретическими значениями удельного импульса в пустоте /<*> и в условиях расчетного истечения у зем­ ли /„ (при ра= Р іі= 1 рабочее тело — идеальный газ) имеет вид

/ Н

Здесь

Лі ^icp^i'крЛрасч>

Ярасч — приведенная скорость на выходе из сопла, обеспечиваю­ щего расчетную степень расширения газа в сопле от р0 до ра =

— ЛаРоі(р= Рн; значение ХраСч определяется по таблицам газоди­ намических функций Ярасч = Ра/ро кр = РпІРо кр.

Для удельного импульса двигателя при РаФРаФО применяет­ ся следующая формула:

( 101)

В случае малого изменения степени расширения сопла dJdKV относительное изменение удельного импульса тяги в пустоте Л/»//«, можно определить с помощью первого члена разложения взаимозависимости z(7,a) и q (К) = (dKV/da)2 в ряд. В самом деле

d z __— 1

d i

dg _____________ 1 —

Х2_______

rfX_

г ~ Х 2

+ і Т

д ~ 1 _ Х 2 ( * _

!)/ ( £ + 1)

X

Сравнивая эти дифференциальные соотношения, получим

 

1 -X 2 ( é -

!)/(&+ 1)

Дд_ = _

г

Ад_

Z

I +

Х2

q

У

q '

откуда следует, что относительное изменение удельного импуль­ са тяги в пустоте при изменении расширения A q al q a равно

( 102)

Если в процессе испытаний изменяется от двигателя к двига­ телю теплоотдача, калорийность или температура порохового за­ ряда, то отклонения До или /„ от среднего определяются с помо­ щью первых частных производных {4].

При небольших изменениях условий горения порохового за­ ряда и фиксированной геометрии сопла пустотный удельный им­ пульс тяги является величиной стабильной. Колебания в химиче­ ском составе порохового заряда, разброс тепловых и газодинами­ ческих потерь приводят к случайным отклонениям величины /, не более 1 % [35].

Вследствие того, что пустотный удельный импульс /те — вели­ чина относительно стабильная, а измерение текущего расхода

84

твердого топлива весьма затруднительно, то при определении /от

по результатам стендовых испытаний используются интеграл тя- fа

ги J R{t)dt и суммарный расход рабочего тела u>s на участке

эффективной работы двигателя от ^ до t2 (при малых давлениях в периоды выхода на режим от 0 до и спада давления от t2 до

.?п двигатель работает неэффективно из-за неполноты сгорания топлива и отрыва потока от стенок сопла):

 

t%

 

J R(t)dt+pKF a(t2 — ti)

 

to — Atoj — At02 ~Ь

где

со — начальная масса заряда твердого топлива;

Дац;

Лиг— масса топлива, сгоревшего на участках неэффек­

 

тивной работы;

 

Дшз — масса выгоревших теплозащитных материалов.

Экспериментальное значение 1<*> сравнивается с расчетным при той же степени расширения d j d l<v и том же составе услов­ ного топлива, представляющего собой смесь основного топлива и выгоревшего теплозащитного покрытия [4].

При известном /« тягу РДТТ можно записать в виде

R{t) = I „G(t) paFа.

3 . 4 . Т Е Ч Е Н И Е Г А З А С Ч А С Т И Ц А М И *

Для решения задачи о влиянии конденсированной фазы про­ дуктов сгорания на тяговые характеристики РДТТ необходимо:

определить степень дисперсности частиц при их движении по соплу;

установить законы трения и теплообмена частиц и запы­ ленного потока в сопловом аппарате;

исследовать процесс расширения гетерогенных продуктов сгорания в сверхзвуковом сопле.

Перечисленным вопросам посвящен ряд трудов. Подробный обзор зарубежных исследований дан в работах і[4, 83].

Частицы окиси алюминия, образующиеся при горении смесевых топлив, имеют сферическую форму со среднемассовым ра­

диусом гч (если считать их твердыми сферами) порядка 0,5ч- 2 мкм. При этом существует мнение, что размеры частиц изме­ няются как при движении их по сопловому тракту, так и в про­ цессе отбора проб смеси газа и частиц. Различные по размерам частицы по-разному увлекаются газом. Более мелкие частицы об­ гоняют более крупные, сталкиваются с ними. В результате столк­ новения частиц может произойти их дробление или слияние. Рас­ четные и опытные данные показывают, что последнее преоблада­ ет и в соплах частицы укрупняются. Наиболее интенсивно

4*

3734

85

процесс коагуляции (укрупнения) протекает в области горлови­ ны. У среза сопла среднемассовый радиус частиц гч порядка

5-^8 мкм [4].

Формула для зависимости коэффициента сопротивления сфе­ ры от числа Рейнольдса Re = 2or4/v, удобная с точки зрения ин­ тегрирования уравнений движения, предложена Клячко (1935 г.) (Re^lOOO; в соплах РДТТ Re~0-=-102):

с , = -

1 + — Re'

Re

6

Это соотношение хорошо аппроксимирует опытные данные по обтеканию одиночной сферы равномерным потоком. Однако ус­ ловия движения твердых частиц в соплах РДТТ заметно отлича­ ются от условий экспериментов, лежащих в основе приведенной формулы.

Существенное влияние на сопротивление сферы оказывают высокая степень турбулентности потока в сопле (облако частиц само является турбулпзатором, и масштаб турбулентности срав­ ним с размерами частиц) и разреженность течения (за начало

области течения со скольжением принимается

J/Re/M ІО2)

[43]. Оба этих фактора

(причем достаточно точно можно

учесть

только второй) приводят к уменьшению сопротивления и,

следо­

вательно, к увеличению

скоростного запаздывания и

потерь

удельного импульса. Кроме того, на силу сопротивления частиц в ракетных соплах влияют также сжимаемость потока и ускоре­ ние движения [43]. Слабо исследовано влияние на коэффициент сопротивления Сх и /«, взаимодействия частиц между собой и со стенками сопла. Все перечисленные параметры оказывают влия­ ние как на сопротивление, так и на конвективный теплообмен ча­ стиц [43]. Большая часть в энергетическом балансе частиц принадлежит переносу тепла излучением. Однако роль тепло­ вого запаздывания в потерях тяги РДТТ сравнительно невели­ ка [4].

Приближенное аналитическое решение задачи об одномерном движении газа с частицами осуществляется методом возмуще­ ний. В нулевом приближении газ и конденсированная фаза име­ ют одинаковые скорость и температуру. Такое «невозмущенное» течение двухфазной смеси эквивалентно движению газа с эффек­ тивными теплоемкостями и, следовательно, с эффективными га­ зовой постоянной и показателем изэнтропы [67]:

(ср)э = ( 1 - £) с р+ гс; с„ = ( 1 - б) с„ + 6 С ;

^ э = ( сЛ

- ( ск)э= (1 - е)(ср - ск )= (1- £)^;

( с р ) э

= /г

1 - « ( 1 -с/ср)

tc ..

(Й4

1 — е (1— к с / С р )

— (/е-

 

с р

86

где е — доля конденсированных частиц в смеси; с — теплоемкость частиц.

Это означает, что все формулы для определения параметров невозмущенного течения двухфазной смеси совпадают с соответ­ ствующими формулами для идеального газа с эффективной га­ зовой постоянной /?:1 и показателем кэ. В частности, скорость тече­

ния смеси в критическом сечении равнаг;кр = і/(2Аэ/^э+ 1)/^э7’0и

меньше скорости звука в чистом газе

aKP= V{2klk-^-\)RTa

при той же температуре в камере Т0.

Отношения коэффициента

истечения Л0, удельного

импульса

/«>

и коэффициента тяги

СR3 = Rj{püF Kр)в случае

невозмущенного движения смеси к со­

ответствующим величинам для чистого идеального газа при той же температуре в камере Т0 определяются формулами:

А э _____ /пкр.э

( / . ) ,

/кр.э^ Оа)э ягкр I g.

А тКѴ / 1 — Е

Ісо

/кр 2 (Ха) /кКр.э

С /?э /кр.э2 О^а

С/? /крг О'а)

Эти отношения приведены в табл. 21 в зависимости от доли кон­ денсированной фазы е при с= ср\ d j d liv= 3 и отношении тепло­ емкостей для чистого идеального газа &=1,25; приближенно

(/со)я//«>= 1■— 0,4 е.

 

 

 

 

 

Таблица 21

г

0

0 , 1

0 , 2

0,3

0,4

 

1,25

1 , 2 2

1,19

1,16

1,14

Аэ/А

1 , 0 0 0

1,045

1,099

1,163

1,249

К

2,29

2,33

2,37

2,42

2,45

( O s / / „

1 , 0 0 0

0,965

0,926

0,883

0,830

CrJ C r

1 , 0 0 0

1,009

1,017

1,029

1,036

 

 

 

 

 

10 ,4е

1 , 0 0

0,96

0,92

0 , 8 8

0,84

В следующем приближении из уравнений движения газа, дви­ жения частицы и теплообмена частицы с газом определяются отклонения скорости и температуры газа и частиц от рассмот­ ренного невозмущенного течения смеси. Отклонения скорости частиц относительно невозмущенного течения всегда имеют от­ рицательный знак, а отклонения температуры — положительный. Скорость газа вблизи критического сечения больше скорости невозмущенного течения смеси; однако по мере продвижения газа по раструбу отклонение скорости газа от Хэакр уменьшается и может изменить знак вследствие перехода части кинетической энергии газа в тепло в процессе трения потока о частицы.

4**

87

Приближенное решение сводится к одной численной квадра­ туре и зависит от доли конденсированной фазы е (линейно), за­

конов трения и теплообмена (fu /2), размера частиц гч,

радиуса

критического сечения гкр и профиля сопла

(особенно

вблизи

критического сечения), характеризуемого

членом dr/(rl<pdn).

В табл. 22 приведены потери характеристической скорости С* и

 

 

Таблица 22

Л»,

вычисленные

для

следую­

 

 

 

 

щего

примера

[67]:

гкр=

Гц,

мкм

 

2,5

= /,62

см; Го —ГцР;'da/dKP = 3.

1

 

Вследствие того, что отно­

1 -

С*/(С*)э

0,025

0,075

сительное

движение

частиц

 

 

0,017

0,054

в газе в соплах РДТТ

отлично

 

 

 

 

от

режима

Стокса, величина

 

 

 

 

потерь удельного импульса за­

висит от гч и гкр в меньшей степени, чем отношение гч2/гкр. А если учесть коагуляцию частиц в сопле, то потери удельного импульса из-за неравновесное™ двухфазного потока £ Е мало уменьшаются при увеличении абсолютных размеров двигателя [табл. 23; для

32%

конденсированной фазы

(d a/ d lip) 2= 6,5] [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица.

23

 

dKp в мм

 

30

50

1 0 0

2 0 0

300

400

 

с учетом

коагуляции

4

3,5

3,1

2,9

2 , 8

2 , 8

в

 

 

 

 

 

 

 

 

без учета

коагуляции

1 , 8

1 , 2

0,7

0,4

0,3

0 , 2

В работе [85] приведены результаты теоретического исследования влияния различных параметров на осесимметричное течение смеси газа с твердыми частицами в конических соплах. При этом сопротивление и теплопередача частиц учитывались с поправками на -влияние разреженности.

Дозвуковые части исследованных сопел имели следующие геометрические

характеристики:

rDx/rKp =

3;

ѲОх= 40°;

r2= r , iv

(со стороны дозвуковой части);

г2 = 1 ,5 г кр (со

стороны

сверхзвуковой

части).

Течение в дозвуковой части

принималось одномерным,

в области

горла — с постоянным запаздыванием

[46]. Для расчета осесимметричного течения смеси газа с частицами в кониче­ ском раструбе применялся метод характеристик. Все результаты, приведенные

в работе [85], соответствуют

одной и той нее температуре в ракетной камере

и давлению р = 3,5 МПа (« 3 5

ат).

Наличие частиц приводит к тому, что.переходная поверхность, в которой скорость газового течения равна скорости звука, сме­ щается относительно горла вниз [46]. Скоростное запаздывание частиц ѵч/ѵ в области горла примерно постоянно — наибольшее вблизи горла (вниз по потоку) — и зависит, главным образом, от радиуса частиц гч и радиуса критического сечения гкр (табл. 24,

прие=0,33).

88

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ