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

сгорания такого двигателя обеспечит требуемую полноту сгорания

топлива.

Рассмотренные здесь профили камер сгорания ЖРД можно счи­ тать типичными для двигателей различных типов. Во всех этих ка­ мерах сгорания диаметр достаточно велик, и поэтому безразмерная площадь их достигает величины порядка /к= 1,4ч-7,7.

На фиг. 7. 3 для профилей 5 и 6 камер сгорания показаны пунк­ тиром те профили, которые могли бы иметь камеры при fE=3 и 4.

Существенный выигрыш в весе и габаритах таких камер сгорания

очевиден. Однако расходонапряженность головок камер сгорания при этом резко увеличивается и значительно превышает наибольшие значения G, достигнутые в настоящее время. Применение таких

скоростных камер сгорания нецелесообразно вследствие очень ма­ лого их объема и трудности организации подвода тепла к головке.

При выборе формы камеры сгорания для проектируемого дви­ гателя необходимо иметь в виду следующие соображения.

1.Форма камеры сгорания должна обеспечивать малые значе­ ния оптимального объема и удельного веса и высокую экономич­ ность работы.

2.На форму камеры сгорания значительно влияет вид исполь­

зуемого топлива, так как от него в основном зависят конструкция распылительной головки камеры двигателя и характер рабочего

процесса в последней.

3.Форма камеры сгорания должна по возможности воспроиз­

водить очертания пламени горящего в ней топлива, обусловливае­

мые конструкцией головки камеры, принятым способом распыла компонентов, типом форсунок, схемой их расположения и другими факторами.

4.При большой тяге и значительной продолжительности работы двигателя может оказаться экономически выгодной конструктивно сложная и дорогая камера сгорания по сравнению с простой и де­ шевой, но менее экономичной цилиндрической.

5.При применении камер сгорания эллиптической и шарооб­ разной форм достигается уменьшение поверхности оболочки, облег­

чаются условия ее охлаждения и при данном объеме снижается удельный вес.

6.По производственным и конструктивным соображениям пред­ почтительнее камера сгорания простой геометрической формы (ци­ линдрическая), так как при относительно более сложных формах конструирование и изготовление оболочек камеры двигателя сопря­ жено со значительными трудностями, но эффективность работы та­ кой камеры все же должна быть высокой.

7.При небольшой тяге и малой продолжительности работы

двигателя следует отдавать предпочтение конструктивно простой и относительно дешевой цилиндрической форме камеры сгорания, так как в этом случае экономичность работы ее может иметь вто­ ростепенное значение.

§ 6. Выбор относительной площади камеры сгорания двигателя

Величина относительной площади камеры сгорания f^=FK/FKp существенно влияет на величины абсолютной и удельной тяг двига­ теля и поэтому практически она должна иметь рациональные пре­ делы.

При расчете ЖРД часто определяют геометрические размеры соп­ ла без учета понижения давления газов по длине камеры сгорания в связи с их подогревом, т. е. при условии равенства между давле­ ниями газов в начале камеры сгорания ря и в конце ее рк', чему со-

теля приходится выполнять с какой-либо конечной величиной fK,

ниях FKP, угла раствора сопла а и пе­

репада давлений газов между началом камеры сгорания р„ и сре­ зом сопла рв (фиг- 7. 4), то при этом:

1) увеличатся перепад давлений и скорость газового потока

в камере сгорания и соответственно уменьшатся в сопле; при fK=5 потеря давления газов в конце камеры сгорания будет пренебре­

жимо мала (около 0,4—0,5%), при /к = 4—около 1%, а при fB=l по­

лучим р/«=г0,455рн (при /к = 1 камера называется скоростной или тепловым соплом);

2) уменьшится общий перепад давлений газов в камере двига­ теля рн/рв; для получения на выходе из сопла первоначального дав­

3) уменьшится коэффициент тепловыделения топлива <рк вслед­ ствие понижения коэффициента полноты сгорания его српк по при­ чине снижения интенсификации процесса сгорания, уменьшения по­ требного времени пребывания тПР и влияния на рабочий процесс других факторов;

4)ухудшатся условия расположения на головке камеры сгора­ ния форсунок и распыла компонентов в связи с уменьшением ее диаметра, что также снизит <рп-к;

5)уменьшится скорость истечения газов из сопла двигателя и пропорциональная ей удельная тяга, так как один и тот же перепад давлений газов, сработанный в тепловом сопле, обусловливает меньшую скорость истечения, чем в чисто геометрическом сопле;

Фиг. 7. 5. Относительные значения секундного расхода топлива, абсолютной и удельных тяг в зависимости от безразмерной пло­

щади камеры сгорания двигателя.

6) уменьшится абсолютная тяга двигателя в связи с уменьше­ нием секундного расхода топлива в камеру сгорания из-за умень­ шения пропускной способности критического сечения сопла вслед­ ствие увеличения критического удельного объема газов одновре­ менно с понижением давления по длине камеры сгорания.

На фиг. 7. 5 показаны ориентировочные расчетные кривые отно­

сительного изменения Gs, Руд.к и Р в зависимости от fK при постоян­

ных значениях Р№, a, pjp*, п—1,2; /?к=30 кгм/кг^С и 7К/7'Н=12.

Кривые показывают, что:

1) скоростная камера сгорания двигателя (fK=l) относительно изобарической камеры сгорания (с /г>5) обладает рядом недостат­ ков, и поэтому практическое использование ее явно нецелесооб­

разно;

2) при увеличении fK от 1 до 3 удельная и абсолютная тяги дви­ гателя возрастают стремительно, начиная от 3 до 6 — незначитель­ но, а при /к>6 — остаются почти неизменными;

3) при значениях /к>3 влияние газодинамических факторов на процессы, происходящие в камере сгорания, невелико, и поэтому расчет сопла двигателя можно вести по параметрам газа, полу-

ценным в камере сгорания при термодинамическом расчете, т. е_ при условии рк = р» и w=0;

4) при значениях Д<ДЗ указанные допущения вносят в расчет

значительную неточность, приводящую к ошибке в тяге больше чем

на 3%. В современных двигателях 44-7,5 и выше. При увеличе­ нии давления в камере сгорания оптимальное значение fK возраста­

ет. Если же у данной изобарической камеры сгорания двигателя

увеличивать FKV при неизменных значениях Ек, pjp* и угла рас­ твора сопла (фиг. 7. 6), то в этом случае:

1)уменьшится удельная тяга по при­

чинам, изложенным выше;

2)возрастет секундный расход топли­

ва в камеру двигателя, так как GlS и за­ висят от FKP (произойдет форсирование камеры по секундному расходу топлива и тяге); с увеличением Д расход G., возра­ стает интенсивнее, чем понижается удель­

можно повысить тягу существующего двигателя. Однако брать зна­

мо принимать с учетом кинетики процессов сгорания топлива в ка­ мере, условий эксплуатации двигателя и др.

где а — большая полуось;

b — малая полуось эллипсоида вращения, а ось с = Ь.

Для камеры сгорания эллиптической формы на основании дан-

а) в цилиндрических камерах сгорания азотнокислотных двига­ телей

^(2,0н-3,0Кр;

б) в шарообразных камерах сгорания спирто-кислородных дви­ гателей

(2,3-н 2,5) г/кр.

Пересчитать объем шара в объем грушевидной формы камеры сгорания и приближенно определить ее длину можно следующим

образом:

1)в некотором масштабе вычерчивают окружность диаметром dK (фиг. 7. 8);

2)в том же масштабе откладывают на вертикальном диаметре

высоту h~ (0,1 ч-0,2)dK и проводят хорду — линию 2-2, параллель­ ную 1-1, на которую наносят диаметр распылительной головки ка­ меры dron,

3) по чертежу этой же окружности определяют высоту шаро­ вого сегмента hi, отсекаемого линией 2-2\

9)наконец, находят искомую длину камеры сгорания:

^к.с ~ — (^i + ^з) + h2 + Л4.

В этом приближенном подсчете длины камеры сгорания нами не учтен объем предкамер принятой системы распыла компонентов топлива; при точных расчетах этот объем нужно учитывать.

После этого подсчета нужно приступить к конструктивному про­

филированию камеры сгорания и сопла, делая необходимые от­ ступления от приведенной предварительной расчетной схемы фор­

мы камеры сгорания двигателя.

Распределить вычисленный объем эллипсоида вращения в же­ лаемую форму камеры сгорания и приближенно определить ее дли­ ну можно следующим образом:

1) в некотором масштабе вычерчивают эллипсоид вращения (фиг. 7.9), пользуясь ранее вычисленными величинами dK и а

(здесь а — большая полуось эллипсоида);

2) в том же масштабе на чертеже эллипсоида откладывают

диаметр распылительной головки камеры сгорания dro„ и определя­ ют высоту сегмента hi, отсекаемого при этом линией /-/;

3)определяют dKP, который в том же масштабе откладывают внизу чертежа эллипсоида вращения, соблюдая при этом на глаз известную пропорцию основных геометрических размеров камеры;

4)к эллипсоиду вращения проводят касательные линии А и В

ипо чертежу определяют высоту сегмента h2, отсекаемого от эл­

липсоида линией 2-2;

5)аналогично камере шаровой формы определяют диаметр су­

жающегося сечения сопла, где площадь /? = 3FKp, и соответствую­ щие объемы, а затем находят длину камеры сгорания.

Длину камер сгорания цилиндрической и сужающейся форм определяют аналогичным способом.

Длина цилиндрической части камеры сгорания должна быть

такой, чтобы в ней в основном успевали заканчиваться процессы сгорания топлива.

В камерах сгорания двигателей больших тяг сужающаяся часть сопла имеет значительные размеры. Поэтому время пребывания газов в этой докритической части сопла велико, что необходимо особо учитывать при точных расчетах длины камеры двигателя.

Если известны объем камеры сгорания VK, ее диаметр t/K, диа­ метр критического сечения сопла d^> и построен профиль сужаю­ щейся части камеры (сопло), то длина цилиндрической части ка­ меры сгорания может быть достаточно точно вычислена по разно­ сти объемов (см. пример 2):

Зависимость длины цилиндрической части камеры сгорания от pR еще не установлена. Однако можно считать, что при повышении

рк оптимальная длина этой части камеры должна уменьшаться вследствие интенсификации в ней при этом рабочего процесса и требований повышения динамической устойчивости работы двига­ теля.

Длина цилиндрической части камер сгорания некоторых совре­ менных двигателей колеблется в пределах 1п~ (1,04-2)

У двигателей с тягой больше 10—35 т и при повышенном дав­ лении газов в камере сгорания длина цилиндричеекой части ка­ меры может быть меньше ее диаметра.

Конструктивные размеры камер сгорания любой формы уста­ навливают в процессе ее рабочего проектирования и выполне­ ния прочностных расчетов. Расчетные значения основных геомет­ рических размеров камеры сгорания можно округлять, так как не­ большое их изменение практически не оказывает существенного

влияния на характеристики работы двигателя.

При выборе диаметра цилиндрической части камеры сгорания двигателя необходимо иметь в виду, что:

1)при чрезмерно большом dR конструктивно удобно располо­ жить на головке камеры топливные форсунки нормальной произ­ водительности, но при этом ухудшается контакт между распыливаемыми компонентами и поэтому при расчетном объеме камеры сгорания уменьшается полнота сгорания топлива;

2)чрезмерное увеличение dR за счет уменьшения /ц может при­

вести к ухудшению процессов подогрева, испарения и сгорания компонентов топлива;

3)при чрезмерно малом dR конструктивно трудно расположить на головке топливные форсунки нормальной производительности.

Кроме того, при малом шаге форсунок ухудшается подвод тепла

на подогрев и испарение компонентов топлива посредством обрат­ ных токов газа, что при данном объеме камеры сгорания уменьша­ ет полноту сгорания и может вызвать неустойчивость работы двига­

теля;

4) замена потребного числа форсунок нормальной производи­ тельности на меньшее число большей производительности нецеле­

сообразна, так как при этом увеличатся размеры капель распили­ ваемых компонентов топлива и ухудшится их полнота сгора­ ния;

5) увеличение производительности топливных форсунок и чрез­ мерное увеличение длины цилиндрической части камеры сгорания за счет уменьшения ее диаметра могут привести к неустойчивой ра­ боте двигателя (пульсации давления в камере сгорания).

Боковые поверхности оболочек камер сгорания различных гео­

метрических форм определяют по соответствующим формулам, приведенным в справочниках по математике.