6.9. Схемы сопел жрд

Применяемые в ракетных двигателях сопла могут быть разделены на конические, профилированные, кольцевые или сопла с центральным телом.

Конические сопла. Это наиболее простая в техническом отношении схема сопла. Сверхзвуковая часть сопла выполняется в виде прямолинейного расходящегося конуса, а область критического сечения по дуге окружности. Несмотря на большие потери тяги по сравнению с профилированными, эти сопла во многих случаях используются в ракетных двигателях. Больше того, для двигателей, работающих при больших противодавлениях среды (подвод­ных) на режимах с отрывом потока в сопле, конические сопла оказываются более предпочтительными. С достаточной степенью точностью потери тягн на

неравномерность поля скорости на срезе сопла или непараллельность истече­ния оцениваются соотношением:

т. е. определяются в основном непараллельностью истечения, 2- угол ко­нусности сопла. Для безударности входа сопла область критического сечения рекомендуется выполнять по дуге радиуса R = (1— 0,75)d_*. Если положить, что кроме потерь на неравномерность потока и трения других нет, то теоретический коэффициент сопла:

будет иметь экстремум при некотором угле конусности. Действительно, при увеличении угла конусности потери непараллельности растут, потери трения уменьшаются, рис.40.

Рис.40

Кривые зависимости от угла конусности 2дляряда значений степени расширения газов в сопле.

По мере увеличения степени расширения газов, т. е. увеличения относитель­ной площади срезавеличинаиз-за роста потерь на трение уменьша­ется и её, экстремум сдвигается на большие углы конусности. Из графика следует, что оптимальные углы конусностипри р_к/р_а=100—1000. Этим данным соответствует значение=0,978— 0,972.

Профилированные сопла. Профилированные сопла в настоящее время широко распространены. Контур сверхзвуковой части выполняется по специ­альной образующей, которая сначала резко отклоняется от оси сопла, а затем, достигнув максимального угла отклонения в точке перегиба, плавно выравни­вается к концу сопла.

Профилированные сопла обладают определенными преимуществами по сравнению с коническими:

а)при одинаковой длине будут иметь меньшие угол конусности на срезе и потери на непараллельность;

б)при одинаковой конусности на срезе и соответственно одинаковых по­ терях на непараллельность будут значительно более короткими.

Построение криволинейного контура производится по специальным схемам, основанным на свойствах сверхзвукового потока.

Независимо от схемы построения контура профилированные сопла, так же как и конические, имеют при определенных условиях экстремальное значение коэффициента соплаДействительно, если считать что сопло име­ет только потери на трение и неравномерность потока, то теоретический ко­эффициент=(будет иметь максимальное значение при опреде­ленной длине сопла). В самом деле, при данной схеме профилирования с уве­личением длины сопла уменьшается угол не параллельности на срезе и, сле­довательно, уменьшаются потери на неравномерность потока. С другой сто­роны, с увеличением длины сопла растут потери на трение. Отсюда произве­дение, так же как и при конических соплах, будет иметь где-то экс­тремум.

Оптимальные (профилированных сопл лежат при углах конусности на срезе порядка, соответствующиеР_к/Р_а- =500-1000.

Кольцевые сопла. Одним из перспективных методов уменьшения га­баритов двигателя является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых или сопел с центральным телом. В этих схемах принцип разгона газового потока до сверхзвуковой скорости остается прежним— геометрическим: дозвуковой поток разгоняется до скорости звука в сужаю­щемся канале, а затем в расширяющемся канале достигает сверхзвуковой ско­рости. Разница между обычным и новым соплом состоит в том, что новая схе­ма сопла имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую или щелевую.

На рис.41 представлена схема сопла с простым кольцевым критиче­ским сечением. Контур этого сопла получается, если вращать контур обычно­го сопла Лаваля с осью х—х вокруг центральной оси 1-1.

Для образования кольцевой или щелевой формы критического сече­ния сопла, как видно из схемы, внутри сопла располагается тело вращения, называемоецентральным телом.

Для сопла с центральным телом наиболее подходит торовая форма КС. В этом случае центральная часть КС и сопла (внутренняя полость цен­трального тела) оказывается свободной. В ней очень хорошо можно располо­жить турбонасосный агрегат, а также и все остальные агрегаты, обслуживаю­щие двигатель. В результате двигатель с новым соплом получается очень ком­пактным и коротким.

В качестве примера, подтверждающего сказанное, на рис.42,а приве­дены габариты двигателей ракеты «Сатурн-5» Ф-1, имеющего тягу Р = 7000 кН с обычным соплом на рис.42,6 — габариты двигателя ракеты «Сатурн-1В» Н-1 с тягой Р=900 кН, на рис.42,е — габариты двигателя Ф-1 с кольцевым (та­рельчатым) соплом.

Как видно, двигатель с кольцевым соплом оказывается в 100/40 что в 2,5 раза короче и равным по длине двигателю с тягой, почти в 8 раз меньшей. Отсюда соответственно уменьшаются габариты и всей ракеты, что в конечном

итоге приводит к заметному выигрышу в массе. Причем в полости централь­ного тела размещаются все агрегаты двигателя вместе с ТНА. Кольцевые со­пла с центральным телом используются для двигателей большой тяги.

Рис.41

Схема простого кольцевого сопла:

Da-диаметр выходного сечения;

n_кр- высота кольца критического сечения;

R_кр- средний радиус кольцевой щели критического сечения

Рис.42

Сравнение размеров двигателей