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

§ 8. Выбор формы и углов раствора сопла камеры двигателя

Форма и углы раствора входной и выходной частей сопла каме­ ры ЖРД существенно влияют на процесс расширения и разгон га­ зов в сопле. Поэтому при проектировании камеры эти углы нужно выбирать оптимальными. Чем совершеннее спроектировано, скон­ струировано и технологически выполнено сопло, тем меньше в нем потери энергии газов и тем больше их эффективная скорость исте­ чения и удельная тяга двигателя.

Фиг, 7. 10. Сопла камеры конической и профилированной форм:

/—профилированное сопло с увеличенным углом раствора, 2—обычное ко­ ническое сопло, 3—профилированное сопло с углом раствора конического сопла.

Современные двигатели имеют сопла конической и профилиро­ ванной по длине формы (фиг. 7. 10).

Сопла некоторых выполненных камер имеют полный угол раство­ ра входной части 60—90° и выходной части 20—40°. Такие сопла ме­ нее эффективны по сравнению с соплами профилированной по длине формы.

Сопла различных форм и углов раствора еще мало изучены при

различных диапазонах режимов работы существующих ЖРД, что представляет некоторые трудности при их проектировании.

При массовом производстве камер ЖРД сварной конструкции, когда применяется штамповка заготовок сопел из листов металла, затраты на изготовление сопла профилированной формы будут при­ мерно такими же, как и конического сопла.

При проектировании сопла необходимо стремиться к тому, что­ бы возможно полнее удовлетворить следующие основные требова­ ния:

1) возможно меньшие потери энергии газов в сопле, суммар­ ное значение которых обычно учитывается величиной коэффициен­ та полноты скорости истечения <рс;

2)поверхность оболочки сопла при заданных размерах крити­ ческого и выходного сечений должна быть оптимальной как по эффективности работы сопла, так и по условиям охлаждения, удельному весу и другим показателям;

3)конструкция и технология изготовления сопла должны быть возможно простыми.

Эти требования к конструкции сопла являются взаимоисклю­ чающими, так как полное удовлетворение одного из них приводит

кухудшению других свойств сопла. Поэтому при проектировании

сопла в зависимости от назначения двигателя приходится прини­

мать то или иное компромиссное решение.

В сопле камеры двигателя имеют место следующие потери энер­ гии газов, снижающие удельную тягу двигателя:

1.Потеря вследствие трения газов о поверхность оболочки соп­ ла. Эта потеря уменьшается, если внутреннюю поверхность сопла

выполнить гладкой и с большим углом раствора выходной части;

еевеличину нельзя свести к нулю. Чем больше длина сопла, тем

больше потеря на трение. Величина потери энергии вследствие тре­

ния учитывается коэффициентом ®тр.

Силы трения в камере сгорания пренебрежимо малы из-за ма­ лых скоростей газового потока.

2.Потеря вследствие непараллельности истечения газов из соп­ ла относительно его оси. Радиальное перемещение газов в конусе сопла снижает их количество движения в осевом направлении и,

следовательно, уменьшает удельную тягу двигателя. Эту потерю можно свести к нулю, если подобрать профиль сопла так, чтобы скорости газов в потоке на выходе из сопла были параллельны оси двигателя. Однако такие профилированные сопла получаются длин­ ными, что влечет за собой потерю на трение газов о поверхность оболочки, увеличивает вес и габариты сопла (см. фиг. 7.9). По

этой причине нецелесообразно выводить газовый поток из сопла при полностью параллельном течении. Практически общий угол раствора профилированного сопла на выходе принимают равным

10—16°

Величина потери энергии газов вследствие радиального рассеи­ вания их в сопле (непараллельности потока на выходе из сопла) учитывается коэффициентом фрас.

3.Потеря вследствие несовершенства профиля сопла (входные

потери). Эта потеря вызывается срывом потока и скачками уплот­ нения в сверхзвуковой области сопла.

При чрезмерной кривизне критической области сопла перифе­

рийные струи могут отрываться от поверхности сопла из-за возни­

кающих сил инерции при переходе через критическое сечение. Эти срывы нарушают плавность истечения при переходе через скорость звука, вызывают образование вихревых зон, скачков уплотнения. Кроме того, скачки уплотнения могут образоваться и в сверхзву­ ковой части сопла, в местах чрезмерной кривизны профиля сопла.

Эта потеря уменьшается, если всем участкам сопла придать соот­

ветствующие плавные очертания.

Рядом экспериментов установлено, что при очертании сопла

в области критического сечения радиусом, равным диаметру этого сечения, потеря на входе оказывается незначительной.

Величина потери вследствие несовершенства профиля сопла учитывается коэффициентом фПр«ф. Эта потеря может также иметь место и при нормальном угле раствора выходной части сопла, если двигатель будет работать на режимах чрезмерного перерасшире­ ния газов в сопле вследствие уменьшения расхода топлива в каме­

ру сгорания.

4.Потеря вследствие частичной неравновесности истечения га­ зов. Эта потеря зависит от природы продуктов сгорания топлива.,,

их давления и длины сопла двигателя; при длине сопла порядка 0,1 м она достигает не более 1—2%. При более длинных соплах эта потеря практически близка к нулю, так как при этом увеличивает­

ся время пребывания газов в сопле и поэтому в нем полнее завер­

шаются процессы релаксации и рекомбинации молекул газов. По­

теря вследствие неравновесности истечения газов в сопле обычно учитывается при расчете процесса истечения по среднему показа­ телю политропы.

5.Потеря вследствие теплоотдачи от газов в окружающую сре­ ду. Эта потеря уменьшается, если сопло имеет меньшую поверх­

ность оболочки за счет увеличения угла раствора выходной части.

Величина потери в окружающую среду в охлаждаемом двига­ теле пренебрежимо мала (не превышает 0,2—0,3%).

Перечисленные здесь потери энергии газов в сопле камеры сни­ жают удельную тягу двигателя на 1—5% от ее теоретического зна­ чения, вычисленного при истечении газов из сопла без потерь.

Основные потери энергии газов в сопле двигателя учитываются коэффициентом полноты скорости истечения:

?с ?тРсРрас?проф’

Двигатели имеют <рс^0,95н-0,99.

Действительная скорость истечения газов из сопла двигателя может быть определена по формуле

~ ?уд™в.т М/сек,

где wB>т — скорость газового потока в выходном сечении сопла, вычисленная без учета радиального рассеивания газов

по обычной формуле изэнтропического расширения.

Коэффициент фс для существующего ЖРД можно определить экспериментально, а для проектируемого двигателя величину его

следует оценивать приближенно на основании данных статистики.

Учет потери энергии газового потока вследствие непараллель­ ное™ газов на выходе из сопла можно учесть приближенно коэф­ фициентом рассеивания (ppaq (табл, 7.3),

При этом средняя осевая скорость истечения газов из сопла вы­ разится формулой

w'b = Трасте м/сек,

где <ppac = 1'2^l+cos-®у, здесь ав — полный угол раствора выход­

ной части сопла.

Конические сопла применяются в камерах двигателей малых

и средних тяг, где потерей энергии газового потока вследствие ра­ диального рассеивания можно пренебречь. Преимуществом кони­ ческих сопел является сравнительная простота их конструкции и изготовления.

Для конических сопел проектируемых камер ЖРД можно при­

нимать углы растворов: а) входной части = 60-4-90°; б) выходной

части а^25-4-30о.

Радиус скругления профиля критической области сопла можно принимать

г = (0,7-^1)^р, '

где б?кр — диаметр критического сечения сопла.

При таких углах раствора сопло имеет сравнительно небольшие длину и вес, а также не происходит значительного снижения удель­ ной тяги двигателя относительно Рул полностью соосного потока.

Оптимальные углы раствора входной и выходной частей сопла для заданного режима работы камеры двигателя можно устано­ вить экспериментально.

Эксперименты показывают, что угол раствора и форма входной

части сопла незначительно влияют на величину удельной тяги дви­ гателя и практически не влияют на характер газового потока в закритической части сопла.

Форма и угол входной части сопла определяют поле скоростей

и давлений в газовом потоке докритической части сопла. Вслед­ ствие сужения канала давление газов у поверхности сопла за счет

действия центробежных сил получается больше, чем вблизи оси его, а в критическом сечении — наоборот. Чем больше угол суже­