§ 2. Тепловой баланс камеры сгорания двигателя |
225 |
14) при увеличении времени пребывания топлива в |
камере сго |
рания топливо лучше выгорает (повышается коэффициент полноты сгорания), но при этом растут размеры и удельный вес камеры.
§ 2. Тепловой баланс камеры сгорания двигателя
Потери энергии топлива в камере ЖРД делятся на потери не посредственно в камере сгорания и в сопле камеры.
Рассмотрим сначала теплопотери в камере сгорания двигате
ля.
Известно, что процесс сгорания топлива в камере двигателя протекает при весьма высоком температурном уровне' и тепловом потенциале. В результате этого молекулы продуктов сгорания на ходятся в сильно возбужденном состоянии и частично диссоци ируют с поглощением тепла. При этом имеет место некоторая фи зическая неполнота сгорания топлива в связи с несовершенным смешением и ограниченным временем пребывания компонентов топлива в камере сгорания. Кроме того, процесс сгорания топлива сопровождается теплоотдачей в окружающую среду и работой трения молекул газов между собой и о поверхность оболочки ка меры двигателя. Эта работа трения преобразуется в тепло газов.
Если внутренняя оболочка камеры двигателя охлаждается
одним из компонентов топлива, то сообщенное этому компоненту тепло в охлаждающем тракте сопла камеры qoxlt.o вносится в каме ру сгорания и является для нее внешним физическим притоком тепла. В двигателях средней и большой тяги это тепло обычно не превышает 0,1—0,2% от низшей рабочей теплотворности топлива.
Кроме того, каждый килограмм топлива, поступающего в камеру сгорания, обладает определенной скоростью аут и, следовательно, вносит в нее с собой извне энергию w$/2g.
Однако эти внешние притоки энергии с |
топливом в камеру |
сгорания двигателя (q0XJI.c и &i^/2g), как и |
работа трения в ней |
газов, относительно теплотворности топлива малы и с достаточ ной точностью для практических целей при расчетах могут не учи тываться, тем более что количественная оценка их на первом эта пе расчета и проектирования двигателя невозможна.
На первом этапе проектирования ЖРД наиболее часто учиты
вают тем или иным способом следующие потери энергии топлива в камере сгорания двигателя (по расчету на 1 кг) вследствие:
1)диссоциации газов qam в ккал/кг;
2)неполноты сгорания qrtn в ккал/кг;
3)теплоотдачи в окружающую среду qow в ккал/кг.
При этом условии тепловой баланс камеры сгорания ЖРД вы разится уравнением
Ни Як ”1” Ядмс “Ь Янеп ?окр |
^к + ^пот ККО,Л,Кг, |
(6.5) |
где Ни — теплотворность топлива |
в ккал/кг; |
|
15 371
226 |
Гл. |
6. Рабочие процессы |
в камерах |
ЖРД |
|
Як — удельное |
тепловыделение |
топлива |
в камере сгорания |
|
двигателя в ккал!кг\ |
|
ккал!кг. |
|
|
Япот—потери тепла в камере сгорания в |
|||
Теплопотери топлива в камере сгорания существующих ЖРД зависят от большого числа факторов и обычно колеблются в пре
делах
Дис —<7неп~2--:-5% и^окр«1% от Ни,
что составляет общую теплопотерю топлива 7ПОТ~ 10-:-20% от Ни.
Теплопотеря <7ДИС может быть |
определена расчетом, а <7неп и |
Яокр — только экспериментально. |
При расчетах значением <?окр |
и работой трения газов часто пренебрегают из-за их малости.
Фиг. 6.5. Примерная диаграмма |
энергетического баланса |
|||||
|
|
топлива в камере ЖРД. |
|
|
|
|
1—располагаемое тепло топлива в виде теплотворности, Нu=qк+qнеп+<7дис + |
||||||
+<70кр’ 2—удельное тепловыделение топлива в камере |
сгорания, Як=Ни~ |
|||||
—^неп'^дис'^окр)’ *2~энеРгия газов на выходе из |
сопла, состоящая из |
|||||
тепловой |
и кинетической энергии; 4— кинетическая энергия газов на выходе |
|||||
|
|
-в2 |
|
|
|
|
из сопла, |
L„„_ =——; 5—полезно используемая кинетическая эн.-ргия газов |
|||||
|
расп |
2j? |
|
|
кинетическая |
|
на передвижение аппарата, ^исп=/?удг/; 6—неиспользованная |
||||||
энергия газов боевым аппаратом; 7—тепловая энергия |
газов |
на выходе из |
||||
|
|
сопла. |
|
|
|
|
В сопле двигателя происходят процессы |
догорания |
топлива, |
||||
рекомбинации |
продуктов диссоциации |
и работа |
трения |
газов, а |
||
также преобразование части располагаемой теплоты в кинетиче скую энергию вытекающей струи газов из сопла двигателя. Осталь ная часть располагаемой теплоты остается в газовом потоке и является для двигателя потерянной, что аналогично потере энер гии с горячими выхлопными газами в двигателях внутреннего сго рания (фиг. 6. 5).
Тепловой баланс камеры сгорания, характеризуя результат процесса сгорания топлива, не отображает собой в сколько-нибудь явном виде воздействие динамических и других факторов, привед шее к определенному результату. Это балансовое статистическое равенство прихода и расходов тепла топлива, участвующего в ра
бочем процессе камеры двигателя, однако, имеет существенное
$ 3. Коэффициент тепловыделения топлива в камере сгорания |
227 |
значение как для доводки двигателя, так и для технического рас чета вновь проектируемой камеры сгорания.
При расчетах камер ЖРД потерю энергии топлива вследствие физической неполноты сгорания обычно учитывают более удобным
коэффициентом полноты давления газов в камере сгорания <рРк, а потерю энергии топлива вследствие несовершенства процесса истечения продуктов сгорания из сопла камеры двигателя — коэффициентом полноты скорости истечения газов из сопла каме ры <рс (см. § 3 этой главы).
§ 3. Коэффициент тепловыделения топлива в камере
сгорания двигателя
В камере сгорания двигателя происходит неполное выделение тепла топлива вследствие физической неполноты сгорания, дис социации продуктов сгорания и теплоотдачи в окружающую среду.
Отношение |
выделенного |
тепла при |
сжигании |
1 |
кг |
топлива |
||||||
к располагаемому теплу |
в виде теплотворности этого |
топлива |
Ни |
|||||||||
принято |
называть полным коэффициентом |
тепловыделения |
топ |
|||||||||
лива: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
?к= |
~~ = 'Рп.Л.к'Рст.к ~ |
|
|
|
(6. 6) |
|||||
|
|
пи |
Пц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где /к —теплосодержание |
1 |
кг |
продуктов |
сгорания |
|||||||
|
|
топлива с учетом теплопотерь |
вследствие не |
|||||||||
|
|
полноты |
сгорания |
и диссоциации |
(теплопоте- |
|||||||
|
|
рей в окружающую среду принебрегаем из-за |
||||||||||
|
|
ее малости) в ккал/кг; |
|
|
|
|
|
|||||
?п.к=-^-=- /к |
— коэффициент |
физической полноты |
сгорания |
|||||||||
Уд.к М/?д.к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
топлива (коэффициент тепловыделения топ |
||||||||||
|
|
лива по физическому смешению компонентов |
||||||||||
|
|
между собой), показывающий ту |
часть тепла, |
|||||||||
|
|
которая выделяется в камере сгорания дви |
||||||||||
|
|
гателя во |
время сгорания топлива при наличии |
|||||||||
|
|
теплопотери только вследствие несовершен |
||||||||||
|
|
ства смешения и сгорания компонентов топ |
||||||||||
|
|
лива; |
величина 1—<рпк представляет ту часть |
|||||||||
|
|
тепла, которая осталась в продуктах сгора |
||||||||||
|
|
ния в |
конце |
камеры |
сгорания |
в виде хими |
||||||
|
|
ческой энергии несгоревшей части топлива; |
||||||||||
'Рк |
4 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тл.к—---- --------------коэффициент полноты тепловыделения топлива |
||||||||||||
<Рп.к |
ЛцРп.к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в камере сгорания двигателя при наличии |
||||||||||
|
|
теплопотери |
только |
вследствие |
диссоциации |
|||||||
|
|
газов; |
величина 1•— срдк представляет ту часть |
|||||||||
|
|
тепла, которая остается в продуктах диссоци |
||||||||||
|
|
ации |
газов в |
виде |
химической энергии; |
|
||||||
15*
228 |
Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД |
|
|
©ст к—коэффициент стабильности |
тепла продуктов |
|
сгорания топлива в камере |
сгорания, показы |
|
вающий ту часть тепла, которую имеют про |
|
|
дукты сгорания в камере при наличии тепло- |
|
|
потери только в окружающую среду; |
|
1 —®ст.к — доля теплоотдачи в окружающую среду. |
||
Для определения теплосодержания отдельных компонентов га |
||
зовой смеси |
можно использовать данные таблицы прилож. I, вычи |
|
тая из энергосодержания газа при данной температуре энергосо
держание при 20° С, т. е. считая, что |
— |
ккал/кмоль. |
Следовательно, коэффициент тепловыделения топлива в каме |
||
ре сгорания фк показывает ту часть |
тепла, |
которая фактически |
выделяется во время сгорания топлива в камере при наличии теп-
лопотерь вследствие диссоциации, неполноты сгорания |
и отдачи |
в окружающую среду; величина 1—фк представляет ту |
часть теп |
ла, которая теряется в камере сгорания двигателя вследствие на
личия теплопотерь топлива qKeB, |
и q0KP. |
|
В существующих |
двигателях |
<рп к~ 0,95 0,98; фд кяк 0,85 |
0,90; ?ст.к^0,99 и |
0,70 -*-0,90. |
|
Коэффициент фпк зависит от вида и состава топлива, конструк ции распыливающего устройства, формы и объема камеры сгора ния и других факторов; его можно определить приближенно только
при помощи экспериментов, |
как и |
коэффициент фст.к- |
Коэффи |
||||
циент фд.к можно определить |
сравнительно точно |
аналитически. |
|||||
В настоящее время экспериментальные данные по коэффици |
|||||||
енту фпк пока весьма ограничены, что |
затрудняет |
оценку |
его ве |
||||
личины при расчете двигателей. |
|
|
|
|
|
|
|
Установлено, что при увеличении времени пребывания тПР топ |
|||||||
лива в камере сгорания двигателя значение фп.к сначала |
растет |
||||||
стремительно, а затем, начиная |
с некоторой величины |
безразмер- |
|||||
ного времени сгорания топлива |
|
*^пр |
?«24-3, это |
увеличение |
|||
т= ---- |
|||||||
|
|
|
тсг |
|
|
|
|
становится весьма незначительным (фиг. 6.6). |
двигателя рк |
||||||
При увеличении давления |
в |
камере |
сгорания |
||||
диссоциация продуктов сгорания топлива уменьшается, что уве личивает коэффициент фдк (фиг. 6.7). При этом повышается оп тимальная величина коэффициента избытка окислителя а в топли ве, в связи с чем возрастает также коэффициент тепловыделения
топлива фк.
По длине сопла двигателя значения фп и фд возрастают вследст вие догорания топлива и рекомбинации молекул продуктов дис социации и на срезе сопла практически могут достигать единицы.
В более длинных соплах время пребывания продуктов сгорания топлива увеличивается, вследствие чего процессы догорания топ лива и рекомбинации молекул протекают более полно.
Явления, происходящие в камере сгорания двигателя при а-^1
£ 4. Термодинамические температуры сгорания топлива |
229 |
и фл.к<{1, очень сложны и еще мало изучены. Если в каком-нибудь участке камеры сгорания окажется больше окислителя, то при этом местное значение коэффициента избытка окислителя ам будет
больше его среднего значения а для всей камеры сгорания, и про
цесс сгорания топлива в этом месте осуществится более полно.
В других участках камеры сгорания, где окажется больше го рючего, т. е. при ам<а, процесс сгорания топлива будет происхо дить менее полно. При очень несовершенном распыле и перемеши
вании компонентов топлива в некоторых участках камеры сгорания
Фиг. 6.6. Зависимость коэффици |
Фиг. 6. 7. Зависимость коэффициента |
ента полноты сгорания топлива от |
тепловыделения топлива по диссоциа |
безразмерного времени. |
ции от давления и температуры в ка |
|
мере сгорания двигателя. |
может оказаться почти полное отсутствие одного из компонентов топлива. Компонент топлива, не участвующий в процессе сгорания, будет нагреваться, испаряться и разлагаться за счет тепла сгорев
шей части топлива, увеличивая количество продуктов неполного сгорания.
Когда такие газы покидают сопло, несгоревшая часть горючего вблизи границы струи приходит в соприкосновение с воздухом ат мосферы и продолжает гореть снаружи, образуя длинный язык пла
мени. Другой распространенной чертой вытекающей струи газов из сопла двигателя являются ударные волны, которые заметны в виде широких светящихся «пакетов».
§ 4. Идеальная, теоретическая и действительная
термодинамические температуры сгорания топлива
Уровень теплового потенциала продуктов сгорания топлива в ка
мере двигателя характеризуется температурой этих продуктов.
Температура продуктов сгорания топлива значительно влияет на характер рабочего процесса в камере двигателя и на выбор спо соба ее охлаждения. Поэтому основной задачей термодинамическо го расчета ЖРД является определение температуры и состава продуктов сгорания топлива в камере сгорания и в выходном сече