книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

\Дп Рк /

7.Определяют удельную тягу двигателя в пустоте и в атмо­

сфере:

Рк

Приведенные здесь формулы абсолютной и удельной тяг

РН=ЛЛ-В^ и Р =С-О-а-

Рк Рк

можно .использовать для расчета высотных характеристик двига­ теля, считая А, В, С и D постоянными величинами. При этом нужно задаваться рядом значений высоты полета и соответственно им по таблице брать ра-

8.Определяют секундный расход топлива в камеру сгорания

Эти формулы можно также использовать для расчетов расход­ ных характеристик двигателя, считая Е и FKP постоянными величи­ нами. При этом нужно задаться рядом значений рк или G., (от максимума до минимума) и вычислить соответственно Gs или рк.

Вследствие затруднений, связанных с поддержанием постоян­ ства расхода топлива при определении расходной характеристики

двигателя при испытании его на стенде, часто для расходной ха­

рактеристики в качестве переменной величины принимают не рас­ ход, а пропорциональную ему величину давления в камере сгора­ ния рк.

Не следует забывать, что при значительном уменьшении рас­ хода топлива в камеру сгорания в сопле двигателя может насту­ пить настолько большое перерасширение газа, что произойдет от­ рыв его от поверхности оболочки сопла, сопровождаемый появле­ нием прямого скачка уплотнения газа. При этом скорость газа на выходе из сопла будет дозвуковой, и обычная формула для рас­ чета расходной характеристики, выведенная для сверхзвукового истечения, окажется непригодной для пользования.

$ 12. Определение действительных параметров и характеристик ЖРД 281

Для приближенных расчетов можно использовать следующие зависимости:

На фиг. 6. 30—6. 33 показано влияние давления газов в камере сгорания р„ и коэффициента окислителя а на параметры ЖРД.

При повышении рк изменяются парамет­ ры продуктов сгорания данного топлива и геометрические размеры и вес сопла камеры

двигателя следующим образом:

1) незначительно увеличивается темпера­ тура сгорания Тк (фиг. 6.30), что частично объясняется некоторым подавлением с повы­ шением диссоциации газов и, следователь­ но, ростом коэффициента тепловыделения топлива фк’,

2) уменьшается температура газов на вы­ ходе из сопла камеры двигателя Тв (см.

фиг. 6. 30), что объясняется более значитель­

(фиг. 6.31), что объясняется большим уменьшением с повышением рн значения секундного расхода топлива Gs относительно измене­ ния произведения pKF^, в формуле

_ _ РкДкр .

Gs ’

4)уменьшается по гиперболическому закону критическое сече­ ние сопла камеры (см. фиг. 6.32), что в основном объясняется сни­ жением с повышением рм секундного расхода топлива в камеру двигателя данной тяги;

5)уменьшается также площадь выходного сечения сопла каме­

ры (см. фиг. 6.32), что объясняется необходимым изменением' с повышением рн отношения FK/FRp для сохранения заданного зна­ чения давления газов на выходе из сопла р«;

282 Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД

6) уменьшается вес сопла камеры двигателя в связи с умень­ шением его габаритов при повышении рк и, как уже известно, уве­

личивается удельная тяга;

Фиг. 6. 32. Зависи­ мость Лкр и Лв

сопла камеры от рк при /?в=1 ата.

7) возрастают коэффициенты ф2,к, фс и фуд и уменьшается время

пребывания топлива в камере сгорания тПр вследствие интенсифи­ кации теплового процесса в камере двигателя (фиг. 6. 33).

Глава 7

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ КАМЕР ЖРД

От конструктивного выполнения камеры и характера организа­

ции в ней рабочего процесса в основном зависят величина удель­

ной тяги, надежность работы, удельный вес и стоимость двигателя. Расчеты процессов сгорания топлива в камере и истечения про­ дуктов сгорания из сопла позволяют определить только удельную тягу, секундный расход топлива при данных условиях его сжига­ ния и данной тяге двигателя и основные геометрические размеры сопла. Конструктивные же размеры сопла и камеры сгорания (включая и основные ее геометрические размеры), а также рацио­

нальные их формы обычно устанавливаются в процессе рабочего проектирования, конструирования и проведения прочностных рас­ четов камеры.

Выбор и расчет рабочих и конструктивных параметров камеры в сочетании с простотой и малым удельным весом ее конструкции, надежностью работы и высокими эксплуатационными характери­ стиками являются основными задачами проектирования и кон­ струирования камеры двигателя.

При проектировании ЖРД также весьма важно решить вопро­ сы выбора системы зажигания несамовоспламеняющихся компо­ нентов топлива при запуске двигателя и материалов для изготов­

ления отдельных частей и элементов двигателя, а также вопросы,

связанные с его конструктивным выполнением.

Целесообразный выбор системы зажигания топлива обеспечи­ вает безотказный запуск двигателя и устраняет возможность ава­ рии его вследствие неисправности зажигания. Целесообразный вы­ бор материалов для изготовления двигателя, а также удачное кон­ структивное выполнение могут обеспечить ему надежную работу при минимальных удельном весе и стоимости. При этом также упрощается производство двигателя. Весьма существенным являет­ ся вопрос конструктивной связи ЖРД с боевым аппаратом.

§ 1. Требования, предъявляемые к камерам ЖРД

Камера ЖРД любого типа и конструкции должна удовлетворять определенным требованиям, обусловленным особенностями ее ра­ боты и эксплуатации.

80 ата и 2800—3600° С), что предъявляет особые требования к ма­ териалам и к системе охлаждения;

3) малое время, отводимое для сгорания в ней топлива (не больше 0,005 сек.), что требует очень хорошего распыла компонен­

5)резкое ухудшение экономичности работы камеры двигателя

иусловий ее охлаждения при снижении режима работы относи­

тельно расчетного;

6)жесткое ограничение в удельном весе вследствие специфики

использования ЖРД на летательных аппаратах, что требует при­ менения для изготовления камеры, как и других элементов двига­ теля, легких и прочных материалов при использовании их с весьма малыми запасами прочности.

Главной задачей при проектировании и конструировании каме­

ры двигателя является обеспечение возможно большей удельной

тяги при минимальном удельном весе и максимальной надежности конструкции. В ряде случаев, когда это компенсируется соответ­ ствующим уменьшением веса, вполне допустимо некоторое сниже­ ние удельной тяги. Хотя такое мероприятие дает косвенный эффект

исвязано иногда со значительным изменением конструкции двига­ теля, но тем не менее им не следует пренебрегать.

Конструктивные и эксплуатационные особенности ЖРД во мно­

гом зависят от вида применяемых компонентов топлива.

При проектировании камеры двигателя необходимо стремиться

обеспечить:

1)надежное воспламенение топлива при запуске в любых атмо­ сферных условиях;

2)устойчивое горение топлива (без пульсаций давления) в диа­ пазоне установленных режимов работы двигателя;

3)малые потери энергии топлива при сгорании в минимальном объеме и заданном режиме работы двигателя;

4) надежность охлаждения (если двигатель охлаждаемый)

иработы в пределах установленных режимов и ресурса;

5)небольшой перепад давления жидкости в охлаждающем

тракте;

6) простоту конструкции камеры, минимальные удельный вес и стоимость и др.

286 Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД,

Камеры сгорания существующих двигателей, созданные на ос­ новании экспериментальных исследований, большинству этих тре­ бований в значительной мере удовлетворяют.

Совершенство камеры ЖРД в основном определяется величи­ ной развиваемой удельной тяги при простой, легкой и надежной конструкции. Величина удельной тяги двигателя является наибоболее существенным параметром, определяющим дальность полета боевого аппарата при данном совершенстве его конструктивного выполнения.

Основным фактором, влияющим на величину удельной тяги ка­

меры двигателя, является качество организации и осуществления

ствования представляет весьма обширную область эксперименталь­ ных и теоретических исследований.

Для совершенствования конструкции камеры двигателя необ­ ходимы дальнейшие исследования процессов сгорания в ней задан­ ных топлив при различных соотношениях компонентов и давлениях горения в зависимости от конструкций распыливающего устрой­ ства, скоростей впрыска компонентов топлива, конфигурации каме­ ры сгорания и сопла, а также других факторов и условий работы двигателя.

§2. Поперечная и объемная расходонапряженности

итеплонапряженности камеры сгорания двигателя

Основными качественными и количественными характеристика­ ми работы камеры сгорания двигателя являются:

1. Коэффициент избытка окислителя в топливе а, характеризу­

ющий при заданных условиях сгорания данного топлива макси­ мальный температурный уровень рабочего процесса в камере сго­ рания:

вккал!кг °C.

2.Коэффициент тепловыделения топлива в камере сгорания (рк,

т. е. число, показывающее ту часть тепла, которая выделяется при сгорании топлива с учетом всех побочных теплопотерь.

3.Коэффициент полноты давления в камере сгорания фРк, ха­

рактеризующий степень физической полноты сгорания топ­

лива.

4. Расходонапряженность и теплонапряженность поперечного сечения камеры сгорания, т. е. количество топлива или тепла, при­

ходящееся в 1 сек. или 1 час на 1 см2 или 1 м2 наибольшей площа­ ди поперечного сечения камеры сгорания:

5. Расходная и объемная теплонапряженности камеры сгорания,

т. е. количество топлива или соответственно тепла, приходящегося в 1 час или 1 сек. на единицу объема камеры сгорания:

Gy = -——3600 кг!м3час\

к

Для сравнительной оценки размеров камер сгорания двигате­ лей, работающих при различных давлениях газов рк, иногда поль­ зуются «приведенными» значениями поперечной и объемной теплонапряженностей, вычисленными по формулам

QУ7 Фи

Qf пР=—- ккал[м2 час ата и Qk пр = —- ккал/м3 час ата.

тде рк — абсолютное давление газов в камере сгорания в кг!см2.

Эта формула показывает, что расходонапряженность камеры сгорания ЖРД (в г/см^сек) изменяется почти прямо пропорцио­

нально изменению давления газов в камере сгорания рк и практи­ чески численно почти равна его значению, выраженному в кг!см2.

Эксперименты показывают, что при увеличении рк рабочий про­ цесс в камере сгорания интенсифицируется, в результате чего при­

ток тепла в зону жидких компонентов топлива увеличивается за счет обратных токов газа. Поэтому, не снижая интенсивности про­

цессов на начальном участке камеры сгорания (нагрев, испарение компонентов топлива и начальное их перемешивание), можно при повышении рк на одну и ту же площадь поперечного сечения каме­ ры Fg. подать в единицу времени большее количество жидких ком­ понентов топлива, т. е. увеличить значение GF .

.расчетах пользоваться зависимостями: а) для азотнокислотных двигателей

Gfk » (0,8 н-1,0)/»к г/см2 сек\

б) для кислородных двигателей

Gf* (1,1 ч-1,3)рк г. см? сек;

в) для фторных двигателей

(0,84-0,9)рЕ г!см2сек.

При расчете ЖРД иногда пользуются расходной и объемной тгеплонапряженностями камеры сгорания, выбирая их значения на основании данных статистики. Эти результирующие характеристи­ ки рабочего процесса в камере сгорания двигателя, несомненно, -существенны, но с точки зрения построения рациональной тех­ нологии рабочего процесса и расширения пределов экономичных режимов работы камеры сгорания бесполезны, так как не вскрыва­ ют истинной картины протекания рабочего процесса в камере сго­ рания, не показывают факторов, воздействующих на качество этого

процесса при работе двигателя на различных режимах. Эти харак­