|
7. Удельная тяга двигателя |
93 |
||
г) при работе в |
пустоте (ра = 0) Руд z п |
|
||
Удельную тягу камеры двигателя при работе в пустоте так |
||||
же можно выразить формулой |
|
|
||
|
n=^IGs=PKFKpf<JGs=^ |
|||
где $=pKFKVIGs—действительный |
импульс давления газов в ка |
|||
мере сгорания в кгсек/кг. |
|
|||
При этом удельная тяга камеры двигателя при работе сопла |
||||
на неоптимальном режиме (рв£рЛ) будет |
|
|||
р |
q |
Рп~fвРа■=в/< —f п = |
||
уд.н |
q |
г 'п |
Ууд.вга |
|
|
|
Рк |
\ |
Дк/ |
где f7Ii.B=FBIGs — действительная |
удельная |
площадь выходного |
||
сечения сопла камеры в кг/см2; |
||||
/B=/7B/Fl(p — относительная |
площадь |
выходного сечения |
||
сопла камеры. |
|
|
||
В теории ЖРЦ также принято различать теоретическую |
||||
удельную тягу камеры двигателя |
|
|
||
|
|
^уд.т |
^в.т/§• |
|
Так как действительные рабочие характеристики камеры
можно выразить следующим образом через соответствующие'
теоретические характеристики, вычисленные при термодинами
ческом расчете двигателя:
Тс^п.т» Р <?ркРт> ^уд Туд^уд.т» Ууд.в <?рк/уд.в.т>
то удельную тягу камеры двигатедя можно определить так:
^"уд.п |
?ркРт<Рс^-п.т> |
|
|
|
|
^ул.н |
(Рт?с^"п.т |
/уд.в.тРа) = |
Рт (?с^п.т |
Ув |
• |
|
|
|
\ |
Рк/ |
|
Рул.н = Туд^уд.т |
уд.в.т (Рв |
Ра)» |
|
|
|
где 'ррк = Р/Рт—коэффициент полноты |
давления |
газов в |
камере |
||
|
сгорания |
двигателя; |
|
|
|
PyA = wBlg |
и Pyi.T=wBT/g’—соответственно действительная и |
||||
|
теоретическая динамические удельные тяги камеры |
||||
|
двигателя. |
|
|
|
|
94 Гл. 4. Режимы работы ЖРД
Удельную тягу камеры при неоптимальной работе сопла PyiB
в удельную тягу при оптимальной работе сопла РуЛопт можно пере считать по формуле
л—1
уд.опт |
уд.н |
(а/Гк) |
п |
кг тяги |
(4.19') |
|
л—1 |
кг топлива/сек |
— (Рв/Рк) "
По аналогичной формуле можно пересчитывать удельные тяги двигателей, работающих при разных рк и одинаковых значениях рв. На величину удельной тяги влияют режим и условия работы дви гателя, его конструктивные особенности и другие факторы, как то:
1)вид топлива, его состав и способ распыла;
2)давление в камере сгорания;
3)степень расширения газов в сопле;
4)форма и размеры камеры сгорания;
5)угол раствора и конфигурация сопла двигателя;
6)относительная площадь камеры сгорания fK = FJFKp;
7)система охлаждения двигателя;
8)характер защиты оболочки камеры и сопла от перегрева;
9)система топливоподачи, ее конструктивное выполнение и эко номичность работы;
10)давление подачи топлива в камеру сгорания;
11)высота полета (см. фиг. 4. 12) и др.
Улучшением распыла и смешения компонентов топлива и отка зом от обогащения горючим периферийного факела, часто исполь
зуемого для защиты оболочки камеры от перегрева, а также при менением ряда других мероприятий можно существенно повысить
удельную тягу двигателя.
При повышении давления в камере сгорания до рк^60 ата
удельная тяга возрастает вначале стремительно, от 60 до 100 ата
рост ее постепенно замедляется и около 200 ата она остается почти постоянной (фиг. 4. 13 и 4. 14).
Увеличение Руа за счет повышения рк выше определенного зна чения практически ограничено. Повышение рг при прочих равных условиях вызывает:
1)уменьшение габаритов камеры сгорания из-за меньшего удельного объема образующихся продуктов сгорания топлива;
2)увеличение термического к. п. д. двигателя т]{ благодаря уве
личению перепада давления газов в сопле;
7. Удельная тяга двигателя |
95 |
3) увеличение коэффициента тепловыделения топлива в камере
сгорания <рк вследствие интенсификации рабочего процесса за счет уменьшения диссоциации газов и увеличения коэффициента физи-
Фиг. 4. 13. Зависимость теоретической удельной тяги дви гателя от давления в камере сгорания для некоторых топ лив при Рв=1 ата и а=0,8.
ческой полноты сгорания топлива (рп.к, что в совокупности с первым фактором увеличивает скорость газов на выходе из сопла и про порциональную ей удельную тягу двигателя;
4) снижение времени пребы вания топлива в камере сгора ния Тпр, что также уменьшает ее потребный объем, габариты
и вес.
Однако, начиная с некото |
|
|
|
||
рой |
величины рк, дальнейшее |
|
|
|
|
увеличение его не дает замет |
|
|
|
||
ных преимуществ. |
|
|
|
||
С другой стороны, повыше |
|
|
|
||
ние Рв в основном приводит к |
|
|
|
||
следующим явлениям: |
Фиг. 4. 14. |
Теоретическая |
удельная тяга |
||
1) |
повышению температуры |
||||
двигателя |
в зависимости |
от давления |
|||
в камере сгорания двигателя и |
|||||
в камере сгорания для некоторых топлив |
|||||
усложнению системы ее охлаж |
при /?в = 1 ата и а=0,8. |
||||
дения;
2) изменению длины сопла камеры двигателя в связи с необхо
димостью срабатывания в сопле большого перепада давления га зов;
3) возрастанию веса двигателя вследствие требования большей прочности камеры сгорания, сопла и других элементов двигателя;
96 |
Гл. 4. Режимы работы ЖРД |
4)увеличению затраты энергии на подачу топлива в камеру сгорания под большим напором и
5)повышению стоимости двигателя.
Практически давление газов в камере сгорания двигателя выби
рают в каждом отдельном случае на основании сравнительных рас четов, выявляющих его влияние на удельную тягу, габариты и вес камеры и системы подачи двигателя, на возможность надежного охлаждения двигателя и т. п.
В дальнейшем можно ожидать увеличения в двигателях отно шения pJpB за счет повышения рк и понижения рв, что особенно вы годно для дальнобойных снарядов и некоторых типов самоле
тов *.
Вполне вероятны конструкции реактивных двигателей с давле
нием в камере сгорания до 100—200 ата и выше, когда будут по строены атомные реакторы, предназначенные для использования тепла ядерных реакций.
Наиболее радикальным средством повышения РУЛ является
использование высокоэффективных топлив. Однако этот путь уве личения Руд приводит к повышению Тк, что сильно усложняет про блему охлаждения двигателя.
Расчеты показывают, что практически возможный предел повы
шения Руд за счет химической энергии |
топлива лежит |
около |
кг топлива!сек |
экономичность |
работы |
Величина удельной тяги, характеризуя |
двигателя, не вскрывает специфики протекания теплового процесса в камере сгорания и в сопле двигателя, его резервы для повышения экономичности. В этом отношении наиболее показательными явля ются к. п. д. двигателя.
Земные данные удельной тяги имеют существенное значение только для невысотных двигателей.
Основной характеристикой экономичности работы высотных ЖРД следует считать их удельную тягу в пустоте.
Наиболее полной характеристикой экономичности работы вы сотного двигателя является его средняя удельная тяга по траекто рии полета, выражаемая формулой
р |
----- И?в + ^в(Дв—Да.ср) |
|
(4.19") |
______________________ кг т^ги |
|||
ул,ср |
Gs |
кг топлива/сек ’ |
|
где ра —среднее по траектории полета атмосферное |
давление |
||
в ата. |
|
|
|
1 Вопросы ракетной техники, выл. 1 и 2, 1954, ИЛ.
§ 8. Расходы топлива в двигателе |
97 |
§ 8. Расходы топлива в двигателе
Для определения размеров камеры сгорания, распылительной
головки камеры, топливных баков, системы топливоподачи, вклю чая и пуско-регулирующие агрегаты, нужно знать секундные рас ходы компонентов топлива в двигателе в камеру и на питание средств подачи.
В жидкостном ракетном двигателе в общем случае принято раз личать следующие секундные расходы топлива:
1) основной — в камеру сгорания двигателя при работе его на заданном режиме Gs кг/сек-,
2)пусковой — в камеру сгорания, соответствующий режиму ра боты двигателя на первой пусковой ступени, Gs п кг/сек-,
3)вспомогательный — на обслуживание системы топливопода чи (ТНА, ЖАД) G's кг!сек.
Секундный расход топлива в камеру сгорания при работе дви гателя на соответствующем рабочем режиме определяется по фор муле
С — |
=—кг!сек. |
(4. 20) |
Ауд.ц |
wst,!g |
|
Для проектирования |
и расчета двигателя необходимо |
знать |
связь между секундным расходом топлива в камеру G3, величиной
площади поперечного критического сечения сопла Ад, и параметра ми газов на входе в сопло из камеры сгорания.
Газодинамика дает следующую зависимость между Gs, |
и па |
|||||||||||
раметрами газа на входе в сопло ЖРД: |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
/—~~~ / |
-п+-1- |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
9 V 2(л—1) |
|
|
|
|
|
|
|||
G=pKFK. 1 / ——(---------- ) |
=pKB=F С кг!сек |
|
||||||||||
s |
Ик кр |/ RKTK \п -f-1 ) |
|
к |
|
кр |
' |
I |
(4.21) |
||||
ИЛИ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(■ |
|
„ |
РкАкрА |
|
|
А |
__Рк^кр |
|
|
|
I |
|
||
J~ /«л “Рк кр /ял Г- ’ |
|
|
' |
|
||||||||
|
|
Г |
п |
/ |
2 |
___ / |
2 |
|
л + 1 |
|
|
|
|
|/ |
2 \л—1 |
\ 2(п—Ч |
|
|
|||||||
гдеА = |/ |
2g—— (——) |
=]/ng(—— ) |
—коэффициент, |
|||||||||
|
|
п +1 \л -1- 1 / |
|
\п +1 / |
|
|
|
|||||
|
незначительно |
зависящий |
от |
показателя |
политропы п |
|||||||
|
(при увеличении п от |
1,1 |
до |
1,2 |
величина А повышается |
|||||||
|
от |
1,98 |
до 2,03); |
|
|
|
|
|
|
|
||
Q |
v RKTK |
|
Рк^кр |
|
|
импульс |
давления |
газов в |
||||
р=------— — |
------ удельный |
|||||||||||
|
|
Д |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
камере сгорания, характеризует свойства топлива и пол ноту его сгорания.
7 371