Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология проектирования двигателей для сверхзвуковых скоростей полета. Учебное пособие
.pdf
- критического сечения реактивного сопла –
(1.17)
- среза реактивного сопла –
(1.18)
Анализ уравнений (1.15)–(1.18) показывает, что относительные площади
проходных сечений проточной части ПВРД ,
и
при выборе коэффициентов
потерь в элементах двигателя по типовым характеристикам и постоянных значениях
приведенных скоростей на входе в камеру (
α = const, так и при
непрерывно уменьшаются (
за уменьшения степени теплоподвода , а
– относительная площадь выходного
сечения – изменяется в очень малой степени, но при
как при
– из-
> 4,0 увеличивается,
;
.
главным образом, из-за существенного увеличения потерь полного давления в
проточной части двигателя), рисунок 1.8.
Высотно-скоростные характеристики. Характеристики СПВРД
целесообразно рассматривать при различных законах регулирования по Мп и Н и
программе дросселирования в заданных условиях полета. В качестве параметров
регулирования при изменении условий полета (М
и Н) могут быть использованы
п
коэффициент избытка воздуха α, определяющий закон изменения расхода топлива
, закон изменения площадей проходных сечений, характерных сечений проточной
части или изменения площадей проходных сечений проточной части и степени
теплоподвода одновременно. Поэтому скоростные и высотные характеристики
СПВРД целесообразно рассматривать при определенных законах регулирования. В
наиболее общем виде взаимосвязь параметров рабочего процесса с расходными
характеристиками двигателя может быть установлена совместным решением
уравнений расхода и энергии при теплоподводе в камере через сечение
невозмущенного потока воздуха и критическое сечение реактивного сопла
двигателя.
21
Н = 20 км; 0,2; топливо – водород; α = 1,0; –– –
; – – –
Рисунок 1.8 – Зависимость площадей относительных проходных сечений
проточной части СПВРД от М
п
Решение этих уравнений позволяет установить основное уравнение
воздействия, определяющее изменение коэффициента расхода воздуха через
двигатель в зависимости от регулирующих факторов – изменения площади
проходных сечений проточной части и приращения работоспособности рабочего
тела:
-
(1.19)
;
(1.20)
(1.21)
(1.22)
-
-
-
22
;
;
;
-
(1.23)
-
;
(1.24)
-
(1.25)
-
(1.26)
При заданных степени теплоподвода
отвечающий максимальным значениям приведенного расхода по числу М
Н = const, может быть реализован путем соответствующего изменения и
, М
и
п
(М
) закон изменения
п
при
п
входящих в уравнение, и наоборот, при заданных геометрических параметрах
;
;
.
,
,
единственным средством воздействия на
(М
) является изменение
п
. Очевидно,
что из-за ограниченных возможностей воздействия регулирующих параметров,
например, из-за ограничения максимального значения
или или ограничения
пределов регулирования площади критического сечения реактивного сопла
характеристики реального СПВРД будут существенно отличаться от характеристик
идеального двигателя во всем диапазоне чисел М
и для всех законов
п
регулирования.
В соответствии с практическими возможностями регулирования СПВРД,
исключающими регулирование площади поперечного сечения камеры сгорания
СПВРД, целесообразно рассмотреть следующие законы регулирования двигателя
(по числу М
):
п
1) поддержанием выбранной на расчетном режиме степени теплоподвода при
нерегулируемой площади сечения проточной части;
2) поддержанием степени теплоподвода и изменением площади проходных
сечений реактивного сопла;
3) изменением площадей проходных сечений проточной части
(воздухозаборника и реактивного сопла).
23
Характер изменения скоростных характеристик СПВРД при различных
законах регулирования приведен на рисунке 1.9, а управляющих параметров на
рисунке 1.10.
–– – идеальный ПВРД; – регулирование воздухозаборника и сопла; –
регулирование сопла; – ·· – – нерегулируемый ПВРД; α = const
Рисунок 1.9 – Характер изменения лобовой тяги , коэффициента тяги
удельного импульса тяги (по топливу)
по М
при различных законах
п
регулирования
1 Для поддержания степени теплоподвода при неизменных проходных
сечениях проточной части в диапазоне
, а потери полного
24
и
давления в проточной части увеличиваются из-за необходимости снижения степени
подогрева в этой области (М
. Результатом уменьшения подогрева будет снижение
области . Одновременно с этим в этой области
< М
п
) по сравнению с расчетной для поддержания
пр
будет снижаться по
в
сравнению с соответствующим идеального двигателя из-за уменьшения и
при неизменном значении α. В интервале значений
при неизменной степени теплоподвода
ростом чисел М
также будут ниже соответствующих значений
различие увеличивается с ростом Мп. При М
будут несколько ниже, чем
и
от единицы. Аналогичный характер имеют закономерности изменения
по числу М
прямо пропорционально уменьшению и поэтому , и
п
= М
при постоянном значении
п
,
п
и
(.
пр
из-за отличия реальных значений
будет уменьшаться с
,
и
значения ,
, причем это
и
также
и
25
Рисунок 1.10 – Закономерности изменения управляющих параметров
регулирования ПВРД () и коэффициента , и
при различных законах
регулирования; α = const
2 При изменении площади проходных сечений проточной части и
поддержания неизменными и максимальным приведенного расхода воздуха через
двигатель (например,
растет до 1,0 при увеличении М
до Мпр, но
п
остается выше, чем в двигателе с нерегулируемыми сечениями проточной части.
При М
. При таком характере изменения и
, и
> М
п
, когда , для поддержания
пр
во всем диапазоне чисел Мп значения
будут ухудшаться в меньшей степени, чем в двигателях с
необходимо уменьшать
нерегулируемыми сечениями реактивного сопла из-за более высоких значений φ и
.
3 Регулирование площадей проходных сечений воздухозаборника и
реактивного сопла должно обеспечить при любом законе теплоподвода
максимальное значение , сохранение
воздухозаборника, а регулирование
увеличении М
. Приведенные на рисунке 1.9 характеристики СПВРД приближаются
п
– минимальные потери в сопле при
по характеристике
к параметрам идеального ПВРД, а удельный импульс тяги (по топливу) во всем
диапазоне М
низких значений
остается ниже удельного импульса идеального СПВРД из-за более
п
.
Высотные характеристики СПВРД определяются закономерностями
изменения температуры (для коэффициента тяги
топливу
полета. Для них характерны рост
) и давления (для относительной тяги) атмосферного воздуха по высоте
в диапазоне Н = 0–11 км вследствие
и удельного импульса по
уменьшения температуры
и увеличения относительной степени подогрева;
постоянство в интервале Н = 11–20 км ( и более замедленное
их снижение при Н > 20 км из-за увеличения
26
; снижение относительной тяги,
главным образом, из-за уменьшения давления атмосферного воздуха с увеличением
Н, рисунок 1.11.
Рисунок 1.11 – Зависимость удельного импульса тяги
, коэффициента тяги
и относительной тяги от высоты полета. Топливо – керосин,
М
= 4,0.
п
Дроссельные характеристики представляют собой зависимости основных
параметров двигателя (тяги и удельного импульса) от степени теплоподвода к
рабочему телу при заданных М
и Н и способа регулирования двигателя. Анализ
п
уравнений удельных параметров двигателя показывает, что Pуд непрерывно
увеличивается с увеличением степени теплоподвода, а удельный импульс тяги (по
27
топливу) имеет максимум, зависящий от условий полета (М
и Н) и уровня потерь в
п
элементах двигателя. Тяга СПВРД зависит от закона регулирования двигателя,
определяющего закономерности изменения расхода воздуха и Pуд по α. С
уменьшением степени теплоподвода (увеличением α) лобовая тяга снижается тем
значительнее, чем больше число Мп, а удельный импульс достигает максимального
значения при определенных значениях α, зависящих от Мп, причем с увеличением
М
п αопт
уменьшается, рисунок 1.12.
–– – Мп = 4; – – – Мп = 6.
Рисунок 1.12 – Зависимость лобовой тяги и удельного импульса тяги
коэффициента избытка воздуха α, топливо – керосин; Н = 11 км
1.2 Особенности методов расчета параметров гиперзвуковых
прямоточных воздушно-реактивных двигателей
от
28
Основные данные ГПВРД – тяга, массовые расходы воздуха и топлива
в
единицу времени, как и СПВРД, определяются на основе расчета удельных тяговоэкономических параметров.
Для расчета основных параметров ГПВРД можно воспользоваться
приведенными для СПВРД уравнениями (1.5) удельной внутренней тяги,
определяемой как разность импульсов сил, приближенных к ГПВРД и действующих
вдоль контурной поверхности обобщенного двигателя, изображенного на рисунке
1.2.
Особенности работы ВРД в условиях больших скоростей рабочего тела в
проточной части и высоких температур и давлений заторможенного потока воздуха
определяют необходимость использования для расчета параметров ГПВРД
приведенных во второй части методов, основанных на применении уравнений
сохранения и химического равновесия. При этом в условиях гиперзвуковых
скоростей полета из-за больших скоростей течения рабочего тела в проточной части
учет потерь, обусловленных трением о стенки, является необходимым. В ряде
случаев, учитывая малое время пребывания рабочего тела в проточной части,
необходимо использовать уравнения химической кинетики, позволяющие оценить
потери, обусловленные неравновесностью протекания процессов. При детальном
анализе работы двигателя в системе аппарата и, в особенности, в условиях
интеграции элементов СУ ГПВРД и планера может оказаться необходимым
использование методов расчета, учитывающих особенности пространственного
течения в элементах СУ (двух- и трехмерного).
Для построения математической модели нулевого уровня при условии
приближенного задания характеристик воздухозаборника и реактивного сопла могут
быть использованы следующие допущения:
1) движение рабочего тела в проточной части одномерное;
2) необратимые потери энергии при сжатии воздуха в воздухозаборнике и
расширении продуктов сгорания в реактивном сопле оцениваются интегральными
коэффициентами: КПД сжатия
сжатия) и КПД расширения
(или адиабатическим КПД
, рисунок 1.13;
29
3) влияние трения рабочего тела о стенки камеры сгорания на характеристики
течения считается пренебрежимо малым.
Расчет проводится в следующем порядке.
1 По заданному значению степени торможения определяется энтальпия
конца процесса адиабатического сжатия; далее оцениваются средние значения
условных показателя адиабаты и теплоемкости
процесса сжатия.
Рисунок 1.13 – Изображение цикла ГПВРД с камерой F = const в i- S-
диаграмме
2 Для заданного КПД
расширении политропически сжатого воздуха
3 По уравнению
определяется давление , а по формуле
определяется энтальпия воздуха при адиабатическом
найденного значения
оценивается температура
4 Параметры в конце тепловыделения в камере сгорания определяются по
заданным значениям и степени теплоподвода или
30
.
.
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]