Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

нии сопла. Эти параметры процесса сгорания топлива необходимы для проектирования и расчетов камеры двигателя.

Значение термодинамической (статической) температуры про­ дуктов сгорания данного топлива в камере двигателя зависит от

ряда факторов, основными из которых являются:

1)теплотворность топлива, характеризуемая химическим со­ ставом его компонентов и их соотношением между собой;

2)давление в камере сгорания, значение которого устанавлива­

ют при проектировании двигателя исходя из экономических, экс­

плуатационных и других соображений; 3) теплопотери сжигаемого топлива, значения которых зависят

от организации и условий протекания рабочего процесса в камере сгорания двигателя, конструкции и геометрических параметров по­ следней, а также других факторов.

В зависимости от учета тех или иных теплопотерь топлива во время сгорания в камере ЖРД принято различать следующие тер­ модинамические температуры продуктов сгорания топлива:

1) идеальную £К.„°С или 7’ки°К; 2) теоретическую tK X или Гкл.°К и 3) действительную ?К°С или Т’к°К.

Идеальной температурой сгорания топлива называют ту, кото­ рую имели бы продукты полного сгорания этого топлива при сте­ хиометрическом соотношении компонентов и отсутствии в камере сгорания двигателя каких-либо теплопотерь. При этом условии идеальная термодинамическая температура продуктов сгорания топлива определится из уравнения энергии до и после полного сго­ рания данной единицы топлива (см. § 5, гл. 6). Для существующих топлив ЖРД «^31004-4800° С и выше.

Идеальная температура сгорания зависит только от химического состава топлива, так как только им определяются состав продук­ тов сгорания и количество выделяющегося тепла. Величина этой температуры служит одной из характеристик топлива.

При высоких температурах сгорание топлива в камере двига­ теля практически сопровождается не только увеличением внутрен­ ней энергии продуктов сгорания в виде поступательного, враща­ тельного и колебательного движения молекул и их атомных ядер, но и значительной диссоциацией, сопровождаемой большой потерей тепла и, следовательно, понижением температуры в камере сгора­

ния двигателя.

Теоретической температурой сгорания топлива называется та,

которую имели бы продукты сгорания этого топлива при заданном давлении в камере двигателя и наличии только одной теплопотери вследствие диссоциации газов. Для существующих топлив и усло­ вий их сжигания в ЖРД ^./^30004-3800° С и выше.

Значение этой термодинамической температуры всегда ниже идеальной температуры и значительно зависит от вида и состава топлива и условий его сжигания.

Так как прямым путем точно определить теплопотери топлива вследствие диссоциации продуктов сгорания не представляется возможным, то их можно определить аналитически методом после­ довательных приближений или другим.

Практически в камере двигателя также имеют место теплопоте­ ри топлива вследствие физической неполноты сгорания и отдачи в окружающую среду, сопровождаемые понижением температуры сгорания.

Действительной называется температура, которую фактически

имеют продукты сгорания данного топлива в камере сгорания ре­

Действительная температура сгорания новых наиболее теплоэф­ фективных химических топлив, вероятно, может достичь 5500° С.

Практическая возможность использования продуктов сгорания

с температурой выше 4000° С вряд ли вероятна. Величина этой тем­ пературы ограничивается жаропрочностью материалов камеры двигателя. Наилучшие существующие материалы при длительной работе могут выдерживать температуру порядка 1500—2000° С. Одним из наиболее стойких материалов является окись магнчя. Возможным пределом для материала даже при кратковременной работе камеры двигателя является температура не выше 3000° С.

При температуре свыше 4100° С любой материал оболочки каме­

ры двигателя будет испаряться.

Определение действительной температуры в камере сгорания двигателя является весьма сложной и не точной в решении задачей,

гак как практически невозможно точно учесть влияние ряда факто­ ров на процесс сгорания топлива.

Температурный уровень в камере сгорания двигателя оказывает большое влияние на процесс сгорания топлива, степень диссоциа­

ции газов и конструкцию двигателя. Для ЖРД целесообразно при­ менять топлива с низкими температурами горения и относительно

высокими скоростями истечения продуктов сгорания, так как при этом упрощается конструкция двигателя.

§ 5. Определение состава и идеальной температуры продуктов сгорания топлива

Если горючее и окислитель состоят в общем случае из углеро­ да, водорода, кислорода и азота, то продукты полного сгорания ве­ совой единицы этого топлива при коэффициенте избытка окислите­ ля а=1 и отсутствии диссоциации представляют собой газы СОг.

Н2О И N2.

При наличии в горючем и окислителе воды в виде примеси со­ став этого топлива можно выразить следующей химической форму­ лой:

Cc,HhlOo,Nn, • ЩГН2О + Хи (Cc2Hh2Oo2Nn2 • /поН2О) =

где Ci, hi, Oi, П1 и с2, h2, о2, п2 — число атомов отдельных элементов

в 1 кмоле соответственно горюче­ го и окислителя;

%—молярный коэффициент состава

топлива;

где Л1Со2 = Cj + Хр-С2— число кмолей углекислоты;

А/н2о = 0,5 [Al+ Xp-h2 + 2(mr + x|1w0)] — число кмолей водяного газа; AfN2 = 0,5 (nj+ Хип2) — число кмолей молекулярного азота;

2) по расчету на 1 кг горючего

gco2 4- gH2O + gNs ~ 1.