книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

падает, н о ^ растет, так как растет показатель k. Вследствие это­ го максимум удельной тяги получается обычно при коэффициенте избытка окислителя, отличающемся от единицы, причем для большинства топлив Ж РД при . а<[ 1. В случае отсутствия дис­

социации (при относительно невысоких температурах в камере сгорания) влияние на о. существенно меньше и поэтому аопт при­ мерно совпадает с а = t (см. фиг. 8.9).

) —80?5 HaOs—50?s N2H(H;)O-b50%CHsOH; 2 —HNOa—керосин;'

3—жидкий кислород—С:,Н-.ОН; 4—жидкий кислород—керосин

С ростом/?к* удельная тяга растет (фиг. 8.15) вследствие ро­ ста термического к. п. д.

На фиг. 8.16 и в табл. 8.6 приведены результаты термодина­ мических расчетов для твердых ракетных топлив.

На фиг. 8.16 приведены данные по удельной тяге для си­ стемы нитроглицерин—нитроцеллюлоза с различным процент­ ным содержанием азота в нитроцеллюлозе. Видно, что с ростом содержания нитроглицерина и с увеличением азота в нитроцеллю­ лозе удельная тяга растет (главным образом ввиду увеличе­ ния ).

Г Л А В А IX

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 9.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Термодинамический и газодинамический расчеты двигателя производятся обычно на каком-либо определенном режиме рабо­ ты, на который рассчитываются все его данные, в том числен проходные сечения сопла. В эксплуатации двигатель может ра­ ботать на различных режимах при различных внешних условиях. Изменение тяги жидкостно-ракетного двигателя производится из­ менением расхода топлива, причем наиболее часто при одновре­ менном изменении давления газов в камере сгорания, поэтому изменение тяги двигателя обычно сопровождается одновремен­ ным изменением и его удельной тяги. Тягу РДТТ можно менять, влияя на скорость горения топлива или изменяя поверхность го­ рения.

Тяга и удельная тяга двигателя зависят от внешних условий среды, что связано с изменением внешнего давления р н .

Для более полной оценки характеристик жидкостно-ракет­ ных двигателей, имеющих турбонасосную систему питания, следо­ вало бы рассматривать эффективную удельную тягу, т. е. удель­ ную тягу с учетом расхода рабочего тела на турбину. Однако это значительно усложняет рассмотрение характеристик Ж РД и де­ лает их несколько неопределенными, поскольку закон изменения расхода рабочего тела зависит от метода регулирования системы питания. Кроме того, в ряде конструкций рабочее тело после турбины используется для получения дополнительной тяги. Учиты­ вая изложенное, для выявления главных закономерностей обыч­ но рассматривают характеристики Ж РД без учета расхода рабо­ чего тела на турбину. При рассмотрении конкретного двигателя необходимо учитывать расходы рабочего тела на турбину и по­ следующее его использование в схеме двигателя.

Характеристиками двигателя в общем случае называются зависимости тяги и экономичности (удельной тяги) от тех или иных факторов, определяющих внешние условия или режим ра­ боты двигателя и представляющих эксплуатационный интерес.

2 1 3

В настоящей главе мы рассмотрим дроссельную характери­ стику Ж РД и высотную характеристику ракетного двигателя, ко­ торая является общей для Ж РД и РДТТ.

§ 9.2. ДРОССЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖРД

Дроссельная характеристика жидкостно-ракетного двигателя представляет собой зависимость тяги и удельной тяги от давления в камере или расхода топлива при постоянной высоте полета и неизменном коэффициенте избытка окислителя в случае примене­ ния двухкомпонентного топлива.

Наиболее часто дроссельная характеристика строится по давлению в камере, поскольку эта величина измеряется наиболее просто при эксперименте или испытании двигателя.

Следует иметь в виду, что для отдельной камеры расход топ­ лива и давление в камере с достаточной точностью прямо пропор­ циональны друг другу в широком диапазоне изменения величи­ ны р к*-Поэтому дроссельные характеристики по давлению в каме­

ным ЖРД, у которых нет раздельного выключения отдельных камер и давление р к* в отдельных камерах меняется в одинако­ вой степени.

На некоторых многокамерных Ж РД отдельные камеры на определенных режимах могут выключаться и давление в различ­ ных камерах меняется в разной степени. В этом случае изменение расхода топлива для всего двигателя не пропорционально изме­ нению давления в камерах. В таких двигателях характеристика по давлению в камере представляет интерес лишь для отдельных камер; для всего двигателя в целом более удобной является дрос­ сельная характеристика по расходу топлива.

Дроссельная характеристика Ж РД на земле может быть по­ лучена путем испытания его на стенде. Ее можно также получить аналитическим путем, если известны геометрические размеры со­ пла, параметры газа в камере, а также потери в камере сгорания и сопле. Дроссельная характеристика Ж РД на других высотах может быть также построена расчетным путем или получена пу­ тем пересчета данных испытания на стенде.

Рассмотрим изменение тяги двигателя при изменении давле­ ния в камере.

Будем считать, что истечение продуктов сгорания из сопла происходит со сверхкритическим перепадом; это допущение яв­ ляется довольно точным в практическом диапазоне изменения давления в камере. Докритические перепады истечения могут быть лишь при /?К*С (1.7— 1.9) р н ; такие режимы имеют место лишь при запуске и остановке двигателя. Примем также истече­ ние происходящим без отрыва газа от стенок сопла, а показа­ тель/е неизменным. Рассмотрение зависимости Р от/?к*произве­

214

дем при сделанных допущениях, а затем внесем необходимые по­ правки. Будем считать также сопло камеры нерегулируемым, т. е.

f — const, как это делается до сих пор. Тяга двигателя из уравне­ ния (1.5) может быть представлена в форме

при изменении давления в камере давление газа в любой точке сопла меняется прямо пропорционально изменению р к* . Следовав тельно, и тяга двигателя в пустоте также будет изменяться прямо пропорционально изменению давления в камере.

Действительно: .

<701

Рпуст = ----GzceK+Fcpc g

ИЛИ

Р1 пуст S S П К* Р 1кр

Jr 1

Согласно изложенному ранее, величина

не зависит от давления в камере и определяется лишь геометри­ ческой характеристикой сопла; так как рассматривается нерегу-

Величину К — ---- -у~ называют коэффициентом тяги в пусто-

р крРк

те. Величина К показывает отношение равнодействующей внут­ ренних сил в камере к равнодействующей сил давления, дейст-

215

вугощих' на участок передней стенки камеры с площадью, рав­

ной Fкр, и зависит от показателя к, геометрии сопла / с и коэффи­ циента ®с • Для данного двигателя с нерегулируемым соплом К есть величина постоянная. Зависимость коэффициента тяги в пу­

стоте от / с при <рс — 1 показана на фиг. 9.1. Пользуясь этой ве­ личиной, нетрудно оценить тягу двигателя в пустоте, если изве­

стны геометрические размеры сопла (/с и Дкр) и давление в ка­ мере.

Фиг. 9.1. Коэффициент тяги в пустоте

Итак, в рассматриваемом случае Р„уст меняется прямо про­ порционально давлению в камере.

В итоге выражение для тяги двигателя получит вид

щениях зависимость тяги от давления в камере представляет со­ бой прямую, преходящую через точку О' с координатами/?к* = О и Р ~ —Fzptj. Очевидно, что эта зависимость верна лишь до мо­ мента, пока верны сделанные допущения, т. е. до момента отрыва газов от стенок сопла. С понижением рК*уменьшается и Рс, поэто­

Рк* —Р н ■В итоге дроссельная характеристика будет иметь вид, показанный на фиг. 9.2.

Обычно диапазон изменения давления в камере Ж РД такой, что двигатель в основном работает на прямолинейном участке дроссельной характеристики; особенно это относится к работе двигателя на больших .высотах. Следует отметить, что, несмотря на фиктивный характер точки О', она является удобной для пост­ роения дроссельной характеристики. Действительно, достаточно иметь лишь одну достоверную точку на прямолинейном участке

216

Дроссельные характеристики,, построенные для разных вы­ сот, будут иметь вид, показанный на фиг. 9.3,

Рассмотрим зависимость расхода топлива от давления в ка­ мере (фиг. 9.4). На стационарном режиме работы двигателя рас­ ход топлиза равен расходу газов через сопло и определяется фор­

мость отойдет от прямой. Отклонение от прямой при уменьшении р к* может быть вызвано также уменьшением ®,< >т. е. ухудшени­ ем процесса сгорания из-за понижения перепада давления на форсунках и давления в камере. Нулевое значение расхода газа через сопло будет, очевидно, при рл* — р н -

Перейдем к определению зависимости удельной тяги от дав­ ления в камере, приняв те же допущения, что и при рассмотрении тяги.

Выражение для удельной тяги можно записать так:

р

Отношение - -■— представляет собой удельную тягу двига-

О а сек

теля в пустоте ЯудпустЭта величина не зависит от давления в ка­ мере, так как и тяга в пустоте и расход топлива прямо пропор­ циональны давлению рк*. Во втором члене формулы (9.5) числи­ тель не зависит от давления в камере, а знаменатель прямопро­ порционален р к* .

217

ления в камере; тогда зависимость удельной тяги от р к представ­ ляет собой гиперболу, определяемую уравнением (9.6) (фиг. 9.5).

Ф н г. 9.4. Зависимость расхода топ­ лива от давления в камере

Из фиг. 9.5 видно, что с падением давления в камере удель­ ная тяга уменьшается; чем больше высота полета, тем слабее это влияние.

Фиг. 9.5. Зависимость удельной тяги от давления в камере

Удельная тяга Ж РД в пустоте зависит от типа топлива, от

геометрической характеристики сопла / с (или, что то же, от от­ ношения давлений p J p K*) и коэффициентов <рк и <рс.

218

На фиг. 9.6 показана зависимость Р удпуст от степени пониже­ ния давления в сопле p KvlPc Для топлива кислород—керосин при tpc = <Рк = 1 •

Рассмотрим влияние величины степени расширения сопла на протекание дроссельной характеристики. Пусть для данной каме­

ры с соплом, имеющим степень расширения / ci дроссельная ха­ рактеристика имеет вид, показанный на фиг. 9.7 (линия 1). Рас-

I Фиг. 9.7. Влияние степени расширения сопла на протекание дроссельной характеристики

219

четный режим работы сопла будет лишь при определенном давле­ нии в кам ере/^; примем: ph =* 40 ага. Если при прочих равных условиях увеличить вьгходное сечение сопла, т. е. повысить сте­

пень расширения сопла/с, то давление в камереРк2 , соответству­ ющее расчетному режиму во втором случае, будет больше, чем

лом со степенью расширения/с i ; а Р2 — тяга камеры с соплом со степенью расширения / с 2-

Сучетом этого протекание дроссельной характеристики при

Л2будет таким, как это показано на фиг. 9.7 (линия 2). Этим же обстоятельством объясняется относительное протекание кривых

не применяется.

Создание однокамерного Ж РД с большим диапазоном изме­ нения тяги затруднено и - по следующим обстоятельствам. Умень­ шение расхода топлива, т. е. расходов окислителя и горючего, приводит к уменьшению перепаду давления Д Рф на форсунках. Перепад А Рф меняется при этом для обычных форсунок пропор­ ционально квадрату расхода. Следовательно, если перепад на форсунках на максимальном режиме работы двигателя выбран

2 2 0