$ 12. Определение действительных параметров и характеристик ЖРД 281
Для приближенных расчетов можно использовать следующие зависимости:
= |
Гк^?27кт; |
|
|
<РУД |
РК |
|
|
рк |
" |
Г.=-^- |
(6.82) |
Чр |
Чс |
|
|
На фиг. 6. 30—6. 33 показано влияние давления газов в камере сгорания р„ и коэффициента окислителя а на параметры ЖРД.
При повышении рк изменяются парамет ры продуктов сгорания данного топлива и геометрические размеры и вес сопла камеры
двигателя следующим образом:
1) незначительно увеличивается темпера тура сгорания Тк (фиг. 6.30), что частично объясняется некоторым подавлением с повы шением диссоциации газов и, следователь но, ростом коэффициента тепловыделения топлива фк’,
2) уменьшается температура газов на вы ходе из сопла камеры двигателя Тв (см.
фиг. 6. 30), что объясняется более значитель
ным снижением с повышением ря |
значения |
Фиг. |
6.30. |
Зависимость |
|||
|
л—1 |
|
|
|
|||
(Рв/Рк) |
относительно |
изменения |
|
Тк и Тв от рк продуктов |
|||
п |
отноше сгорания |
топлива при |
|||||
ния Тв/Тк |
в формуле |
|
|
|
а = 1 ата. |
||
|
л—1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
3) |
весьма слабо |
увеличивается значение |
параметра |
||||
(фиг. 6.31), что объясняется большим уменьшением с повышением рн значения секундного расхода топлива Gs относительно измене ния произведения pKF^, в формуле
_ _ РкДкр .
Gs ’
4)уменьшается по гиперболическому закону критическое сече ние сопла камеры (см. фиг. 6.32), что в основном объясняется сни жением с повышением рм секундного расхода топлива в камеру двигателя данной тяги;
5)уменьшается также площадь выходного сечения сопла каме
ры (см. фиг. 6.32), что объясняется необходимым изменением' с повышением рн отношения FK/FRp для сохранения заданного зна чения давления газов на выходе из сопла р«;
282 Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД
6) уменьшается вес сопла камеры двигателя в связи с умень шением его габаритов при повышении рк и, как уже известно, уве
личивается удельная тяга;
Фиг. 6. 32. Зависи мость Лкр и Лв
сопла камеры от рк при /?в=1 ата.
7) возрастают коэффициенты ф2,к, фс и фуд и уменьшается время
пребывания топлива в камере сгорания тПр вследствие интенсифи кации теплового процесса в камере двигателя (фиг. 6. 33).
•Фиг. 6.33. |
Характер изменения |
<рРк, <fc, |
Фиг. 6.34. Зависимость Руд и |
|
"Руд и тпр в |
зависимости от рк |
при хо |
р от а |
при рв = 1 ата. |
рошей организации рабочего процесса |
|
|
||
в камере с коническим и профилирован |
|
|
||
|
ным соплами. |
|
|
|
На фиг. 6. 34 показано изменение удельной тяги РуД и парамет |
||||
ра 0 в зависимости от коэффициента |
избытка |
окислителя а для |
||
двух топлив. |
|
|
|
|
Глава 7
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ КАМЕР ЖРД
От конструктивного выполнения камеры и характера организа
ции в ней рабочего процесса в основном зависят величина удель
ной тяги, надежность работы, удельный вес и стоимость двигателя. Расчеты процессов сгорания топлива в камере и истечения про дуктов сгорания из сопла позволяют определить только удельную тягу, секундный расход топлива при данных условиях его сжига ния и данной тяге двигателя и основные геометрические размеры сопла. Конструктивные же размеры сопла и камеры сгорания (включая и основные ее геометрические размеры), а также рацио
нальные их формы обычно устанавливаются в процессе рабочего проектирования, конструирования и проведения прочностных рас четов камеры.
Выбор и расчет рабочих и конструктивных параметров камеры в сочетании с простотой и малым удельным весом ее конструкции, надежностью работы и высокими эксплуатационными характери стиками являются основными задачами проектирования и кон струирования камеры двигателя.
При проектировании ЖРД также весьма важно решить вопро сы выбора системы зажигания несамовоспламеняющихся компо нентов топлива при запуске двигателя и материалов для изготов
ления отдельных частей и элементов двигателя, а также вопросы,
связанные с его конструктивным выполнением.
Целесообразный выбор системы зажигания топлива обеспечи вает безотказный запуск двигателя и устраняет возможность ава рии его вследствие неисправности зажигания. Целесообразный вы бор материалов для изготовления двигателя, а также удачное кон структивное выполнение могут обеспечить ему надежную работу при минимальных удельном весе и стоимости. При этом также упрощается производство двигателя. Весьма существенным являет ся вопрос конструктивной связи ЖРД с боевым аппаратом.
§ 1. Требования, предъявляемые к камерам ЖРД
Камера ЖРД любого типа и конструкции должна удовлетворять определенным требованиям, обусловленным особенностями ее ра боты и эксплуатации.
§ 1. Требования, предъявляемые к камерам ЖРД |
285 |
||
Основными особенностями камеры ЖРД, |
отличающими ее от |
||
камер сгорания других тепловых двигателей, являются: |
|||
1) высокая теплонапряженность ее |
рабочего объема (около |
||
0,5 • 109—5-Ю9 ккал/м? час), что предъявляет |
особые |
требования |
|
к конструкции камеры сгорания; |
газов в ней |
(около 20— |
|
2) большие давления и температуры |
|||
80 ата и 2800—3600° С), что предъявляет особые требования к ма териалам и к системе охлаждения;
3) малое время, отводимое для сгорания в ней топлива (не больше 0,005 сек.), что требует очень хорошего распыла компонен
тов топлива при подаче в камеру сгорания для более полного |
их |
|
сгорания; |
топ,лива, в |
си |
4) большие секундные расходы компонентов |
||
лу чего требуется надежное зажигание его при |
запуске двига |
|
теля; |
|
|
5)резкое ухудшение экономичности работы камеры двигателя
иусловий ее охлаждения при снижении режима работы относи
тельно расчетного;
6)жесткое ограничение в удельном весе вследствие специфики
использования ЖРД на летательных аппаратах, что требует при менения для изготовления камеры, как и других элементов двига теля, легких и прочных материалов при использовании их с весьма малыми запасами прочности.
Главной задачей при проектировании и конструировании каме
ры двигателя является обеспечение возможно большей удельной
тяги при минимальном удельном весе и максимальной надежности конструкции. В ряде случаев, когда это компенсируется соответ ствующим уменьшением веса, вполне допустимо некоторое сниже ние удельной тяги. Хотя такое мероприятие дает косвенный эффект
исвязано иногда со значительным изменением конструкции двига теля, но тем не менее им не следует пренебрегать.
Конструктивные и эксплуатационные особенности ЖРД во мно
гом зависят от вида применяемых компонентов топлива.
При проектировании камеры двигателя необходимо стремиться
обеспечить:
1)надежное воспламенение топлива при запуске в любых атмо сферных условиях;
2)устойчивое горение топлива (без пульсаций давления) в диа пазоне установленных режимов работы двигателя;
3)малые потери энергии топлива при сгорании в минимальном объеме и заданном режиме работы двигателя;
4) надежность охлаждения (если двигатель охлаждаемый)
иработы в пределах установленных режимов и ресурса;
5)небольшой перепад давления жидкости в охлаждающем
тракте;
6) простоту конструкции камеры, минимальные удельный вес и стоимость и др.
286 Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД,
Камеры сгорания существующих двигателей, созданные на ос новании экспериментальных исследований, большинству этих тре бований в значительной мере удовлетворяют.
Совершенство камеры ЖРД в основном определяется величи ной развиваемой удельной тяги при простой, легкой и надежной конструкции. Величина удельной тяги двигателя является наибоболее существенным параметром, определяющим дальность полета боевого аппарата при данном совершенстве его конструктивного выполнения.
Основным фактором, влияющим на величину удельной тяги ка
меры двигателя, является качество организации и осуществления
в |
ней рабочего процесса. Изучение процессов сгорания |
топлива |
в |
камерах ЖРД с целью дальнейшего их улучшения и |
совершен |
ствования представляет весьма обширную область эксперименталь ных и теоретических исследований.
Для совершенствования конструкции камеры двигателя необ ходимы дальнейшие исследования процессов сгорания в ней задан ных топлив при различных соотношениях компонентов и давлениях горения в зависимости от конструкций распыливающего устрой ства, скоростей впрыска компонентов топлива, конфигурации каме ры сгорания и сопла, а также других факторов и условий работы двигателя.
§2. Поперечная и объемная расходонапряженности
итеплонапряженности камеры сгорания двигателя
Основными качественными и количественными характеристика ми работы камеры сгорания двигателя являются:
1. Коэффициент избытка окислителя в топливе а, характеризу
ющий при заданных условиях сгорания данного топлива макси мальный температурный уровень рабочего процесса в камере сго рания:
|
Ни Г Н- |
О OQ |
|
(1 + «Хо) ср |
|
где ср — средняя |
теплоемкость |
продуктов сгорания топлива |
вккал!кг °C.
2.Коэффициент тепловыделения топлива в камере сгорания (рк,
т. е. число, показывающее ту часть тепла, которая выделяется при сгорании топлива с учетом всех побочных теплопотерь.
3.Коэффициент полноты давления в камере сгорания фРк, ха
рактеризующий степень физической полноты сгорания топ
лива.
4. Расходонапряженность и теплонапряженность поперечного сечения камеры сгорания, т. е. количество топлива или тепла, при