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

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

.pdf
Скачиваний:
135
Добавлен:
30.10.2023
Размер:
29.83 Mб
Скачать

280

Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД

 

т.

е.

 

 

 

 

 

F =-----------

А

--------------

См2.

(6. 80)

 

>,

1

Ра \

 

 

 

Кп/>к1

—~ -----

 

\Дп Рк /

7.Определяют удельную тягу двигателя в пустоте и в атмо­

сфере:

^Уд.п = ~~ =

КгтЯг“

(6.81)

J

Gs

кг топлива^сек

 

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

Gs

Р„

Рн

Рк^кр

Ерк кг!сек.

уд.п

Рулм

?

 

 

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:

=

Гк^?27кт;

 

<РУД

РК

 

 

рк

"

Г.=-^-

(6.82)

Чр

Чс

 

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

ным снижением с повышением ря

значения

Фиг.

6.30.

Зависимость

 

л—1

 

 

 

(Рв/Рк)

относительно

изменения

 

Тк и Тв от рк продуктов

п

отноше­ сгорания

топлива при

ния Тв/Тк

в формуле

 

 

 

а = 1 ата.

 

л—1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

весьма слабо

увеличивается значение

параметра

(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).

•Фиг. 6.33.

Характер изменения

<рРк, <fc,

Фиг. 6.34. Зависимость Руд и

"Руд и тпр в

зависимости от рк

при хо­

р от а

при рв = 1 ата.

рошей организации рабочего процесса

 

 

в камере с коническим и профилирован­

 

 

 

ным соплами.

 

 

 

На фиг. 6. 34 показано изменение удельной тяги РуД и парамет­

ра 0 в зависимости от коэффициента

избытка

окислителя а для

двух топлив.

 

 

 

§ 12. Определение действительных параметров и характеристик ЖРД

283

Пример 4.

Определить действительные геометрические

размеры

сопла

и удельную тягу

двигателя, имеющего абсолютную тягу

у

земли

12 547 кг

и работающего

на

керосине (Сг = 0,865

и Нг = 0,135)

и

азотной

кислоте

98%-ной

весовой

концентрации

при х = 4,37 кг\кг, а = 0,8, рк = 30

ата,

рв=0,9

ата,

если

wB.T = 2480

м)сек,

Ткл = 2970° К,

Твл = 1654° К и

^?в.т=34 кгм)кг °C.

Решение.

1. Теоретические параметры рабочего тела и характеристики двигателя: а) удельный вес газов на выходе из сопла

_

Рв

 

0,9-104

■т

/? т

в.т

34-1654 = 0,16 кг)м3;

 

тхв.т1

 

б) удельное выходное сечение сопла

1

кг

1

=

=

“25’2-10"4 м21кг =2512 см21кг-

2.Действительные параметры и характеристики двигателя:

а)

на основании данных статистики принимаем <?р =0,96 и <рс = 0,98;

б)

удельная тяга двигателя при этом

 

 

wB т

 

2480

+ 0,96-25,2(0,9 — 1,0) ■

Рун = ?уд ~ 4_'Р/>1(/уд.в.т(Рв —Ра) = 0,96-0,98

 

g

 

УI о i

 

 

 

 

кг тяги

 

 

 

235,4

 

 

 

 

кг топлиеа^сек ’

 

в) секундный расход топлива

 

 

____ Р__ 12 547 _ „

 

 

Gs

Дун

^-=53,3 кг{сек;

 

 

 

 

г) секундные расходы компонентов топлива

 

 

G.

Gs

53,3

 

 

 

ТТТэт=9,

 

 

r

'ifis

4,37-53,3

 

 

Gso =

—---

= Т^7 = 43,3Кг/С^;

 

 

1 + X

 

 

д) площадь выходного сечения сопла

 

 

уд.в.т■Gs

25,2-53,3

 

 

в

= 1467 см3;

 

 

0,95

 

е) средний показатель изэнтропы расширения газов в сопле

1g—

Рк

k =

. Рв^кл

Рк‘ в.т

ж) критическая площадь сопла ПРИ PkIPb =33,3 и k = 1,2)

гкр— f

1 °-9 g 30

0,9-2970 ~ 1,2;

g 30-1650

при Лкр = 4,96 (определяется по фиг. 3.9

I467

=1л £ЛА

J в

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.

§ 1. Требования, предъявляемые к камерам ЖРД

285

Основными особенностями камеры ЖРД,

отличающими ее от

камер сгорания других тепловых двигателей, являются:

1) высокая теплонапряженность ее

рабочего объема (около

0,5 • 109—5-Ю9 ккал/м? час), что предъявляет

особые

требования

к конструкции камеры сгорания;

газов в ней

(около 20—

2) большие давления и температуры

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

тов топлива при подаче в камеру сгорания для более полного

их

сгорания;

топ,лива, в

си­

4) большие секундные расходы компонентов

лу чего требуется надежное зажигание его при

запуске двига­

теля;

 

 

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

в

ней рабочего процесса. Изучение процессов сгорания

топлива

в

камерах ЖРД с целью дальнейшего их улучшения и

совершен­

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:

 

Ни Г Н-

О OQ

 

(1 + «Хо) ср

где ср — средняя

теплоемкость

продуктов сгорания топлива

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

£ 2. Расходонапряженность и теплонапряженность камеры сгорания

287

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

О5-Ю3

 

,

,

Gp

=■—-—- г

 

см'сек

К

р

к

1

 

 

И

Г

 

 

 

 

 

 

 

 

Qpk = GsHu<fK- = ОркНа<ок ккал/см2сек.

к Гк

к

 

 

 

 

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

q

к

17

3600 = Ок

к

и ‘«

ккал/м3час.

 

v

1

 

 

ук

 

 

 

 

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.

к

Рк

 

к

Рк

 

В современных двигателях (табл. 7.1)

 

Gfk

20 50 г/см2сек;

Qpk

(0,7 н- 5,0) 109 ккал^м2час-,

 

Qkk ~ (0,5 н-5,0) 109

ккал1м3час и Ql/KnP=

 

 

= (1,3-н 2,0) 108

ккал{м3 час ата.

Таблица 7. /

 

 

 

 

 

 

Значения расходной и объемной теплонапряженностей

 

камер сгорания существующих двигателей

 

 

 

 

 

Теплонапряженность камеры

 

 

Давление

сгорания

 

Тип двигателя

в

камере

поперечная

объемная

 

сгорания

 

 

 

Рк

Qfk Ю-8

Qkk Ю-8

 

 

 

ата

ккал/час

ккал)час

 

 

 

 

м2

м3

Керосино-азотнокислотный

 

20—40

7-15

5—20

Спирто-кислородный

 

15—25

10-17

20—32

Керосино-кисдородный

 

25-60

30—50

25-50

Прямоточный ВРД дозвуковой

 

1,3

0,2-0,5

0,3—0,7

Турбокомпрессорный ВРД

 

4,0

0,8-1,2

0,8—1,3

~288

Гл. 7.

Проектирование

и

расчет камер ЖРД

 

Поскольку секундный

расход

 

топлива

 

в камеру сгорания

 

G. =-------кг

сек—--------Ю3 г

'

сек,

 

s

р

'

 

 

р

 

то

предыдущей формуле весовой

расходонапряженности камеры

сгорания можно придать вид

 

 

 

 

 

 

Qf =

 

]q3

г/см2сек,

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

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 .

Отношение

расходонапряженности камеры

сгорания

ЖРД

к давлению в

ней можно приближенно считать

постоянным

и при

.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

§ 3. Определение объема камеры сгорания двигателя

289

теристики могут служить только для ориентировочной оценки по­ требного объема проектируемой камеры сгорания.

Двигатели с большой расходонапряженностью и высокой эконо­ мичностью работы должны, очевидно, иметь минимальное время испарения компонентов топлива, наиболее совершенное их смеше­ ние и равномерное распределение по поперечному сечению камеры сгорания.

Дальнейшее увеличение расходонапряженности камер сгорания ЖРД, очевидно, потребует:

1)организованного подвода тепла в зону впрыска компонентов

топлива для ускорения процесса их испарения;

2)усиления турбулентности газового потока в камере сгорания установкой в ней охлаждаемых турбулизаторов или дополнитель­

ных топливных форсунок, распыливающих топливо против газово­ го потока;

3) предварительного смешения компонентов топлива в форсун­ ках в виде эмульсии (применения центробежных эмульсионных форсунок) и других мероприятий.

Изложенные соображения приводят нас к необходимости более дифференцированного подхода к оценке работы камеры сгорания

двигателя и особого выделения тех характеристик, которые могут хотя бы приближенно отображать действительную количественную и качественную картину рабочего процесса в камере сгорания ре­ ального двигателя.

Пример 1. Определить

объемную теплонапряженность камеры сгорания

без учета физического

тепла используемого топлива,

если VK = 0,383 3t3,

Gs — 127 кг]сек, Ни — 1568

ккал!кг и <рк = 0,77.

 

Решение.

 

 

 

GsHu<fK

п

127-15680,77 п

ккалчас

ук

 

0,383

.и3

 

 

ккал Iceк

 

 

 

= 400------ '-----.

 

л

§ 3. Определение объема камеры сгорания двигателя

Для сгорания топлива до равновесного состава продуктов сго­

рания требуются соответствующие объем и длина камеры сгорания двигателя.

Объемом камеры сгорания двигателя следует считать ее огне­ вое пространство от головки до поперечного сечения сужающейся части сопла, площадь которого F=3FKp, так как в этой части каме­

ры протекают интенсивные процессы сгорания и догорания топлива

без значительного понижения давления по ее длине.

На величину потребного объема камеры сгорания влияют:

1) вид топлива, его состав, секундный расход и система распы­ ла при подаче в камеру;

19 371

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ