7.11.3. Потери из-за химической и энергетической неравновесности

Анализ влияния химической неравновесности течения в соплах проводят сопоставляя параметры потока при одинаковых значениях геометрической степени расширения сопла для моделей равно­весного и неравновесного течений. При расчёте неравновесного те­чения учитывается кинетика протекания химических реакций в ра­бочем теле.

На потери удельного импульса тяги из-за химической неравно­весности оказывают влияние следующие факторы:

^ вид топлива и соотношение его компонентов. От состава топлива зависит степень диссоциации рабочего тела и его температура торможения на входе в сопло Т_ос ;

^ давление торможения на входе в сопло р_ос .

С увеличением р_ос снижается степень диссоциации рабоче­го тела, увеличивается Т_ос, а значит скорости химических реакций, поэтому потери удельного импульса тяги из-за хи­мической неравновесности уменьшаются;

^ диаметр минимального сечения сопла .

С увеличением растет время пребывания смеси в сопле, а значит уменьшаются;

^ относительный радиус сопла на выходе .

Возрастание при р_ос и = риводит к снижению скорости химических реакций из-за падения температуры РТ, а значит к увеличению .

Итак, потери удельного импульса тяги из-за химической нерав­новесности определяются зависимостью .

0 4 8 12

Рис. 33. Зависимость потерь из-за химической и энергетической неравновесности _н от , ,

Изобразим эту зависимость для топлива кислород и керосин при = 0,8 на рис. 33.

Данные по потерям удельного импульса из- за химической нерав­новесности для раз­личных ракетных топ­лив приводятся в гра­фическом виде в спра­вочнике «Термодина­мические и тепло­физические свойства продуктов сгорания».

Погрешность опре­делениясоставляет примерно 10...20 %. Это из-за того, что многие вопросы хими­ческой кинетики изу­чены недостаточно полно.

Основными компонентами смеси продуктов сгорания современ­ных ЖРТ являются газообразные С0₂, Н₂0, Н₂, N2, СО, N0, ОН, О, Н. Как показали исследования, для них потери удельного импульса тяги из-за энергетической неравновесности в значительной мере определяются параметром бинарного подобия

. (223)

В сопле ЖРД, работающего на топливе АТ и НДМГ (N₂0₄ и (СН₃)₂NNН₂) при р_ос = 10 МПа, = 100 мм, = 0,85 и =10, потери удельного импульса из-за неравновесности колебательных степеней свободы составляют не более 0,05 %. При уменьшении па­раметра бинарного подобия в 100 раз (р_ос = 1 МПа, = 10 мм) эти потери возросли до 1 %, т.е. в 20 раз. Полученные результаты являются приближёнными, т.к. кинетика колебательной дезактивации в многокомпонентной смеси продуктов сгорания изучена ещё недостаточно.

7.12. Коэффициент расхода сопла

Действительный расход рабочего тела через сопло меньше иде­ального из-за неравномерности потока в минимальном сечении соп­ла, а также из-за вязкости.

Для вязких течений в соплах двигателей чаще всего справедливо приближение пограничного слоя. Коэффициент расхода тогда мож­но записать в виде

где р, и — плотность и скорость РТ в минимальном сечении вне пограничного слоя, а 3 — толщина пограничного слоя.

Обозначим первое слагаемое в выражении (224) /л° . Оно учиты­вает влияние на /л_с неравномерности потока. Второе слагаемое учи­тывает влияние вязкости. Тогда, после преобразований, получим

где — * — толщина вытеснения.

При радиусной форме трансзвуковой области составляющая ко­эффициента расхода ц°° при К₂ > 0,5 К_м мало зависит от среднего показателя изоэнтропы п и формы сужающейся части сопла, а в ос­новном зависит от радиуса Т .

и°° 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 К₂

Рис. 34. Зависимость Ц°° от Т₂ для сопла с радиусной сужаю- щейся частью

На рис. 34 приведена зависимость , где , полученная расчетом двухмерного течения газа в сопле и хорошо под­тверждённая экспериментальными данными.

Этой зависимостью можно пользоваться для определения при проектировании камеры РД.

Расчётные и экспериментальные исследования показывают, что при > 10⁵...10⁶ составляющая = 0,001...0,002, т.е. доста­точно мала. Для меньших чисел К.е* поправку можно оценить по эмпирической зависимости

(226)

Низкие числа являются характерными для сопел ЖРДМТ.