1 Выбор системы подачи, схемы и основных параметров

1.1 Выбор системы подачи и схемы двигателя

В ЖРД применяются два вида систем подачи топлива – вытеснительная и насосная. При выполнении расчетов учитываем, что система подачи выбира­ется из условий получения минимальной массы двигательной установки при заданном давлении в камере сгорания.

В учебном пособии [2] приведены области применения насосных и вытеснительных систем подач в координатах τ–Р. При заданных тяге , времени работы целесообразно использовать насосную систему подачи.

В источнике [3] для вытеснительной системы приведён рекомендованный диапазон изменения , оно не должно превышать 2,5…3,0 МПа, а так как давление в камере сгорания – 7 МПа, то выбираем насосную систему подачи.

ЖРД с насосной системой подачи выполняется по трем схемам: без до­жигания, с дожиганием генераторного газа и с испарением компонентов в тракте охлаждения камеры.

Для топлива керосин и О_2ж при давлении в камере сгорания выбираем, согласно рекомендациям учебного пособия [2], схему двигателя без дожигания генераторного газа типа «жидкость + жидкость» и восстановительным газогенератором.

Окончательно выбираем двигатель с насосной системой подачи топлива, без дожигания генераторного газа типа «жидкость + жидкость» и восстановительным газогенератором.

1.2 Выбор величины давления в камере сгорания и

в выходном сечении сопла

Давление в камере сгорания не выбирается, т. к. оно указано в задании на проектирование.

Известно, что наибольшую тягу камеры обеспечивает сопло, работающее на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла равно атмосферному р_а = р_н. Поэтому давление в выходном сечении сопла р_а должно быть близким к среднетраекторному значению атмосферного давления р_н. Так как траектория полета ракеты не задана, то определение этого среднетраекторного давления не представляется возможным.

Для ориентировочных расчетов можно применять следующий уровень давления р_а [3]:

для двигателя первых ступеней ракет – 40…80 кПа;

для двигателя вторых ступеней ракет – 10…20 кПа;

для двигателя третьих ступеней ракет и КА – 5…10 кПа.

Проектируемый двигатель предназначен для первой ступени ракеты - носителя, выбираю .

Степень расширения продуктов сгорания в сопле:

1.3 Выбор коэффициента избытка окислителя для случая применения плёночного охлаждения

С целью снижения расхода компонентов на создание внутреннего охлаждения применяется плёночное охлаждение.

Коэффициент избытка окислителя или непосредственно связанное с ним сообщение компонентовK_m выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная эффективность летательного аппарата. Известно, что она может характеризоваться конечной идеальной скоростью полета, рассчитанной по уравнению К. Э. Циолковского.

,

где - среднее значение удельного импульса на активном участке полета ракеты;

= m_н/m_к - массовое число ракеты, равное отношению ее начальной и конечной массы.

Согласно [3], максимальная величина V_ид соответствует максимуму произведения .

Для первой ступени С определяется выражением:

,

а для верхних ступеней:

,

где – масса аппарата, пропорциональная объему топлива.

Для ориентировочных расчетов можно принять: для первых ступеней .

Тогда при заданном

В современных ЖРД, помимо наружного регенеративного охлаждения камеры, широко применяется внутреннее охлаждение, реализуемое за счет создания пристеночного слоя с пониженной температурой или организацией пленочных завес.

Выбор для случая применения плёночного охлаждения

Выберем предварительное значение оптимального коэффициента избытка окислителя в ядре потока по графику , приведенному в справочнике [2].

Для топлива Керосин и О_2ж при МПа инаходим.

Выберем пять значений α_{ок я}, больших и меньших, чем α’_{ок я опт}:

1) ;

2) ;

3) ;

4) ;

5) .

Определяем расход компонента, используемого для плёночного охлаждения.

Для ориентировочных расчетов могут быть приняты следующие значения относительного расхода на плёночное охлаждение [3]:

для камер с тягой до 300 Кн - ;

для камер с тягой более 300 Кн - .

Выбираю, .

По таблицам справочника [2] для топлива Керосин и О_2ж при МПа,, для принятых в п. 1.3.2 значенийнаходим плотность топливаи удельный импульс тяги в пустоте.

Для топлива Керосин и О_2ж при МПа и, и принятых значенийвыписываем из справочника [2] необходимые, интерполяционные коэффициенты и.

1) ;м/с; С₁ = 2,535; С₂ = 0,0537; С₃ = 43,69; .

2) ;м/с; С₁ = 5,305; С₂ = 0,0434; С₃ = 49,24; .

3) ;м/с; С₁ = 1,775; С₂ = 0,0335; С₃ = 26,03; .

4);м/с; С₁=2,955; С₂=0,0313; С₃= 29,22;

.

5) ;м/с, С₁=2,330; С₂ =0,0350; С₃ =27,82; .

Если значения ,ине совпадают, то по данным в таблице значениям,находим методом интерполяции значенияпо формуле:

, (1)

где - энтальпия топлива,

- коэффициенты экстраполяции из справочника [2].

Энтальпия топлива находится по формуле:

- энтальпия топлива,

где - энтальпия горючего и окислителя соответственно из справочника [2].

Для проектируемого двигателя исовпадают с табличными значениямии, ане совпадает с, то выражение (1) упрощается.

.

Определим для всех принятых значений:

1. ; ;

2. ; ;

3. ; ;

4. ; ;

5. ; .

Рассчитаем среднюю плотность топлива в камере:

.

Для соответствующих получим:

1) ;

2) ;

3) ;

4) ;

5) .

Определим средние теоретические значения удельного импульса тяги камеры в пустоте:

.

Определим значения комплекса :

Построим график зависимости (рисунок 1).

Рисунок 1 – График зависимости

По графику (рисунок 1) находим .

Определим значение удельного импульса тяги, по приведенному выше соотношению. В данном случае не совпадает с табличным значением, поэтому необходимо учесть изменение энтальпии топлива.

По справочнику [2] при,МПа и.

Определим энтальпию топлива при :

Определим удельный импульс тяги:

.

Определим среднее теоретическое значение удельного импульса тяги камеры в пустоте.

Из справочника [2] для топлива Керосина и О_2Ж выписываем значение массового стехиометрического соотношения компонентов при :

.

Соотношение компонентов в ядре потока:

Относительный расход окислителя через ядро потока:

Относительный расход горючего через ядерные форсунки:

Относительный расход горючего через камеру сгорания:

Среднее массовое соотношение компонентов по камере сгорания:

;

.

Среднее значение коэффициента избытка окислителя:

;

.