Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология проектирования двигателей для сверхзвуковых скоростей полета. Учебное пособие
.pdf
5 Скорость истечения из реактивного сопла при расчетном режиме с
вычисляют по формуле
(1.27)
6 Удельные параметры ГПВРД , м/с,
(1.28)
, м/с,
с
, вычисляют по формулам
,
.
.
(1.29)
Для наиболее простого случая изобарического теплоподвода в ГПВРД с целью
получения представления о тенденциях изменения параметров может быть
использован предельно приближенный метод расчета данных, основанный на
применении условий одномерности, инвариантности теплоемкости воздуха и газа к
изменениям скорости и температуры, и пренебрежения трением рабочего тела в
камере. В этом случае можно получить формулы, определяющие удельный импульс
и коэффициент тяги в зависимости от основных управляющих параметров рабочего
процесса ГПВРД. При изобарическом теплоподводе совместное решение уравнений
расхода и импульсов позволяет определить скорость на выходе из камеры сгорания
по известной скорости на входе в нее и относительному расходу топлива. Выражая
параметры конца процесса тепловыделения через параметры воздуха на входе в
камеру и степень теплоподвода, получаем уравнения для определения удельных
параметров ГПВРД с изобарической камерой сгорания
, м/с, вычисляют по
формуле
31
(1.30)
, (1.31)
,
.
(1.32)
Видно, что удельные параметры ГПВРД существенно зависят не только от
режима полета (М
степени торможения воздушного потока в воздухозаборнике
совершенства процессов сжатия и расширения (
и Н), типа и относительного расхода топлива ( и
п
). При постоянном уровне
), но и от
и
потерь на элементарных участках сжатия воздуха в воздухозаборнике и расширения
продуктов сгорания в реактивном сопле
не зависят от геометрических
размеров воздухозаборника и сопла и от степени торможения воздушного потока .
Поэтому каждому заданному значению
значение , обеспечивающее максимальный уровень и
будет соответствовать определённое
. Появление этого
оптимума (по ) имеет простое физическое объяснение.
При заданных и неизменных значениях
уменьшение степени сжатия
потока в воздухозаборнике (увеличение ) приводит к уменьшению абсолютного
уровня входных потерь и потерь в реактивном сопле (из-за уменьшения перепадов
32
давления в воздухозаборнике и сопле) при одновременном увеличении потерь в
камере из-за теплоподвода к воздушному потоку большей скорости.
При каком-то значении , определяемом режимом полета, совершенством
основных элементов, суммарные потери в проточной части достигают
минимального значения, при котором
и
.
В качестве примера на рисунке 1.14 и 1.15 приведены зависимости удельного
импульса и коэффициента тяги ГПВРД от для разных режимов полета.
Видно, что при 1,0 все кривые имеют тенденцию сходиться в точке
и , т.е. при изобарическом теплоподводе ГПВРД не создает
внутренней тяги, что естественно, т.к. в этом случае перепад давлений отсутствует,
и при всех режимах полета и любой степени совершенства элементов выходной
импульс не может отличаться от входного.
33
Рисунок 1.14 – Зависимости удельных параметров ГПВРД с камерой p = const
от степени торможения воздушного потока
в воздухозаборнике: М = 16;
Н = 20 км; топливо – водород; α = 1,0
При 0, т.е. при , удельные параметры ГПВРД будут совпадать с
соответствующими удельными параметрами СПВРД. В самом деле, при
уравнения (1.28) и (1.29) обращаются в уравнения СПВРД и при , м/с,
вычисляют по формулам
, (1.33)
,
(1.34)
34
Рисунок 1.15 – Зависимости удельных параметров ГПВРД с камерой p = const
от степени торможения : М = 10; Н = 20 км; топливо – водород; α = 1,0
Из рисунков 1.14 и 1.15 следует, что с уменьшением
оптимальная степень
торможения воздушного потока на входе уменьшается (растет). Это объясняется
тем, что с уменьшением
возрастает доля потерь в воздухозаборнике в суммарных
потерях в проточной части ПВРД, и поэтому для уменьшения абсолютных потерь
необходимо уменьшать степень торможения потока.
Аналогичную роль играет и уровень потерь при расширении потока в сопле;
увеличение
в силу уменьшения доли потерь при расширении в суммарных
потерях в проточной части обусловливает сдвиг оптимума в сторону большей
степени торможения потока (меньших , и наоборот, с уменьшением
оптимальные значения .
Максимальные и
правилу
, вычисляют по формуле
ГПВРД с камерой p = const, определенные по общему
35
растут
где
, (1.35)
, при
.
Оптимальные значения , при которых достигаются
и
, в ГПВРД
с камерами сгорания других геометрических форм могут быть найдены на основе
расчетов с использованием закономерностей теплоподвода, в этих камерах,
полученных расчетным или экспериментальным способами. Оценка величины δ в
камерах различных геометрических форм может иметь значение для начальной
итерации при определении примерной величины потребной степени торможения
воздушного потока для заданных режимов полета и работы двигателя по α.
Основные принципы определения геометрических параметров. В зависимости
от требований, предъявляемых к двигателю, выбор геометрических параметров
проточной части и расчетных параметров ГПВРД, а также методы его
термогазодинамического расчета будут различными.
При использовании ГПВРД в качестве маршевого двигателя ЛА с
характерным заданным расчетным режимом полета в основу выбора параметров
должен быть положен их расчет на этом режиме с учетом особенностей работы
отдельных элементов в нерасчетных условиях (например, с учетом запуска
воздухозаборника, работы камеры сгорания в заданном диапазоне и др.).
При применении ГПВРД в разгонной силовой установке многорежимного ЛА
необходимо определить геометрические параметры двигателя и рабочего процесса,
наилучшим образом обеспечивающие технические требования, предъявляемые к ЛА
во всем диапазоне режимов полета.
Заметим, что и в маршевых ГПВРД анализ требуемых геометрических
параметров на разгонных режимах может оказаться необходимым для уточнения
оптимальных геометрических параметров, особенно при использовании
нерегулируемого двигателя.
36
При выборе геометрических параметров отдельных элементов ГПВРД в
частности реактивного сопла, необходимо определять их характерные размеры при
максимальных эффективных импульсах и коэффициентах тяги, а не при
максимальных значениях внутренних удельных параметров, которые, в общем
случае, могут не совпадать с максимальными значениями эффективных параметров
из-за влияния внешнего сопротивления.
Изложению принципов выбора геометрических параметров ГПВРД различных
типов целесообразно предпослать анализ влияния основных параметров рабочего
процесса, режима полета и совершенства элементов двигателя на их геометрические
размеры.
К основным геометрическим параметрам двигателя относятся:
-
-
– относительная площадь «горла» воздухозаборника;
– относительная площадь поперечного сечения камеры
сгорания;
-
-
-
-
– относительная площадь выходного сечения реактивного сопла;
– относительная длина воздухозаборника;
– относительная длина камеры сгорания;
реактивного сопла;
-
– отношение длины сопла к эквивалентному диаметру
наименьшего поперечного сечения камеры сгорания.
– относительная длина
Воздухозаборник. Относительная площадь выходного сечения
воздухозаборника
, равная в ГПВРД площади горла, определяется режимом
полета, степенью сжатия воздуха в воздухозаборнике и эффективностью процесса
сжатия (совершенством воздухозаборника). В наиболее общем виде эта зависимость
может быть получена из совместного решения уравнений расхода и
политропического сжатия воздуха, записанных для условий невозмущённого потока
и на входе в камеру сгорания (выходе из воздухозаборника)
, вычисляют по
формуле
37
. (1.36)
Зависимость , рассчитанная по этому уравнению для k = 1,1 при
различных значениях
зависимости 1 – оптимальной для каждого значения , величины
, приведена на рисунке 1.16. Здесь же представлены
определенной из условия достижения максимального удельного импульса
температуры на выходе из воздухозаборника Т
при сгорании водорода при α = 1,0 и
и зависимости 2 – статической
, 0С, вычисляют по формуле
в
. (1.37)
Видно, что потребная площадь горла непрерывно увеличивается с
уменьшением
(ухудшением эффективности воздухозаборника), а статическая
температура воздуха непрерывно уменьшается.
С увеличением М
наряду с уменьшением относительной площади горла
п
,
непрерывно повышается уровень статической температуры на выходе из
воздухозаборника.
38
1 –
; 2 –
.
Рисунок 1.16 – Зависимость относительной площади сечения горла
воздухозаборника и статической температуры на входе в камеру
от степени
торможения воздушного потока
Относительная длина воздухозаборника
зависит от его типа,
совершенства процесса сжатия воздуха и режима работы двигателя и выбирается на
основе комплексного анализа эффективности силовой установки в системе
летательного аппарата. При увеличении Мп наряду с возрастанием относительной
площади отбираемого воздуха (в сечении невозмущенного воздушного потока), т.е.
уменьшением
, увеличивается длина и масса воздухозаборшжа и растут тепловые
потоки в стенки. Для уменьшения габаритных размеров и массы воздухозаборника,
а также с целью повышения эффективности процесса сжатия воздуха целесообразна
интеграция воздухозаборника с носовой частью ЛА путем использования ее в
качестве поверхности сжатия воздухозаборника. Высокое совершенство
39
воздухозаборника, которое характеризуется большим
(высоким значением
), может быть достигнуто уменьшением толщины
и низким дополнительным
пограничного слоя и организацией течения в пространственном канале, что
позволяет уменьшить потери, обусловленные трением потока, по сравнению с
потерями при обтекании плоского клина, весьма значительными из-за нарастания
пограничного слоя.
Камера сгорания. Относительные поперечные размеры камеры сгорания
определяются выбранной относительной площадью выхода из воздухозаборника,
потребной величиной теплоподвода и циклом двигателя. Формулу, связывающую
размеры выходной площади из камеры сгорания
(
) и параметрами на входе, можно получить из уравнения расхода, связывающего
параметры в выходном и входном сечениях камеры сгорания
с величиной теплоподвода
, вычисляют по
формуле
,
(1.38)
где
/
;
.
;
Площадь выходного сечения камеры сгорания обычно принимается равной
площади выходного сечения воздухозаборника, т.е.
, в сужающейся камере
<
.В камерах с F = const
. Закономерность изменения
минимальной площади выходного сечения камеры сгорания в зависимости от
при фиксированных значениях
приведена на рисунке 1.17 при
подогрева при
= const или уменьшении
. Видно, что увеличение степени
требует увеличения площади
выходного сечения камеры сгорания.
40
и различных
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]