316 Гл. 7. Преектирование и расчет камер ЖРД
Перечисленные факторы, обусловливающие оптимальное значе ние угла раствора расширяющейся части сопла, между собой про тиворечивы и в каждом отдельном случае поддаются точному учету только экспериментально.
На фиг. 7. 11 показано изменение веса сопла камеры заданной тяги и потерь в нем энергии газа в зависимости от угла раствора его расширяющейся части.
Кривые этой фигуры показывают, что по величине потерь энер гии газа в коническом сопле оптимальный угол раствора должен
быть около 20°. Однако для уменьшения веса сопла при расчете
этот угол принят равным 30°. Это допущение оказывается оправ
данным, так как ухудшение эффективности (удельной тяги) двига теля допустимо почти на столько процентов, на сколько процентов при этом уменьшается его вес.
Если в сопле камеры имеет место отрыв потока газов от стенок
вследствие резкого изменения направления его движения или рас ширения из-за чрезмерно большого угла раствора, то потери энер
гии газов в сопле могут быть весьма большими.
Оптимальное соотношение между эффективностью работы соп ла и его весом зависит не только от угла раствора, но и от давления в камере сгорания и выходном сечении сопла, от оптимальной вы сотности сопла, а также продолжительности работы двигателя. Это необходимо учитывать в каждом конкретном случае проектирова ния и конструирования камеры двигателя.
Сопло на выходе не должно иметь острую кромку, так как при скруглении ее возможны перерасширение газов и увеличение по тери энергии вследствие рассеивания.
§ 9. Профилирование сопла камеры двигателя графическими методами
Сопло камеры обычно профилируют в двигателях средних и больших тяг, а также в двигателях, работающих с большой сте пенью расширения газов, так как использование конического сопла приводит к значительной потере энергии газов вследствие радиаль ного рассеивания.
Профилирование сопла позволяет повысить удельную тягу дви гателя на 2—3% относительно значения тяги той же камеры, но с коническим соплом.
Для уменьшения потери энергии газов в профилированном соп ле, его длины и веса рекомендуется 1 начальный угол раствора соп ла увеличивать до 40—50°. Такое увеличение угла оправдывается
тем, что в сопле происходят процессы догорания топлива, реком бинации и релаксации молекул газов, способствующие радиаль ному расширению их при движении в сопле.
1 Г. Б. Синя ре® и М. В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Оборонгиз, 1950,
§ 9. Профилирование сопла камеры двигателя |
317 |
|
Угол непараллельное™ газов на срезе |
сопла при |
fB = FJFBp= |
= 4ч-8 и /?к/рв = 204-60 ата рекомендуется |
принимать |
ав— 12-ь16°. |
При этом сопло получается короче и легче, а коэффициент скоро сти фс^0,98~0,99.
Увеличение удельной тяги двигателя на 2—3% за счет только конструктивных параметров сопла указывает на целесообразность профилирования сопел камер ЖРД средних и больших тяг. Полу чаемая в этом случае экономия в расходе топлива может с избыт ком покрыть затраты, связанные с профилированием сопла.
Фиг. 7. 12. Графическое построение профиля сопла камеры двигателя.
Существует несколько различных способов графического профи
лирования сопла камеры двигателя. Строго газодинамическое про филирование сопла, в котором образующая сверхзвуковой части совпадает с линией тока газов, является сложным и трудоемким.
Кроме того, длина и вес такого сопла получаются сравнительно большими, а технология его изготовления весьма сложной. Поэто
му для профилирования сопла камеры двигателя целесообразнее
пользоваться упрощенными графическими методами.
Исходными данными для профилирования расширяющейся ча сти сопла камеры двигателя являются:
1)безразмерная площадь сопла fB = FJFKV-,
2)радиусы критического гкв и выходного гв сечений сопла;
3)угол сопла на срезе ав/2.
Наиболее просто графически построить профиль сопла камеры по параболе. При этом входная часть сопла в области критического сечения образуется дугой с радиусом 2г^> (фиг. 7. 12), а сопряже ние этой части сопла с образующей камеры сгорания выполняют произвольно.
В зависимости от значения Д, |
выбирают угол а/2 (6ч-8°) и |
под |
этим углом к упомянутой окружности проводят касательную |
АВ. |
|
После этого определяют длины участков АС и AD по формулам: |
||
АС—агкР и |
AD = brKP. |
|
318 Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД
Для разных значений |
а/2 коэффициенты а |
и b |
принимают |
||||
следующие значения: |
|
|
|
|
|
|
|
/в |
4 |
|
6 |
|
8 |
|
|
а/2 |
15° |
|
17° |
|
19° |
|
|
а |
5,15 |
|
4,82 |
4,62 |
|
|
|
b |
8,4 |
|
9,6 |
11,2 |
|
|
|
Затем проводят линию |
среза |
сопла |
DE и |
касательную EG |
|||
к образующей сопла на срезе под углом а,в/2, |
а точки £ и С соеди |
||||||
|
|
|
няют параболой, способ по |
||||
|
|
|
строения которой показан на |
||||
|
|
|
фиг. 7. 12. Для рабочего чер |
||||
|
|
|
тежа сопла составляют таб |
||||
|
|
|
лицу координат и вычерчи |
||||
|
|
|
вают профиль сопла. Значи |
||||
|
|
|
тельно |
проще |
изготовление |
||
|
|
|
такого сопла, профиль кото |
||||
|
|
|
рого образован прямыми ли- |
||||
Фиг. 7. 13. Схема профилирования сопла |
ниями и дугами. |
Нафиг. 7.'13 |
|||||
упрощенным графическим методом. |
|
схематически показано такое |
|||||
|
|
|
сопло. |
|
|
|
|
Конический участок 1-2 этого сопла образован прямыми линия |
|||||||
ми, а участок 2-3 — шаровой поверхностью |
радиуса |
г3, который |
|||||
может заканчиваться конической поверхностью. |
|
|
|||||
Следует иметь в виду, что в двигателях с тягой, регулируемой |
|||||||
изменением расхода топлива в |
камеру, |
профилированное сопло |
|||||
может оказаться нецелесообразным. Камеры сгорания и сопла ЖРД можно моделировать, но воспользоваться этим методом при созда нии новых конструкций двигателей пока еще невозможно, посколь ку разработка научных методов моделирования ЖРД пока нахо дится в начальной стадии.
§ 10. Нагрузки оболочек камеры двигателя
При расчете ЖРД на прочность наиболее трудным и мало раз работанным является расчет оболочек и головки камеры вслед ствие трудности учета возникающих в них во время работы напря жений при высокой температуре и воздействии других факторов.
Во время работы отдельные элементы камеры двигателя под вергаются разнообразным нагрузкам. Особенно разные по харак теру нагрузки несут внутренняя и наружная оболочки камеры. Эти
оболочки подвергаются воздействию:
1)радиальных и осевых сил гидростатического давления;
2)термических нагрузок, возникающих вследствие нагревания
внутренней оболочки;
3)динамических и вибрационных нагрузок, появляющихся во время запуска, нормальной работы и остановки двигателя;
4)реакций опор крепления камеры к силовой раме двигателя
или непосредственно к боевому аппарату.
§ 10. Нагрузки оболочек камеры, двигателя |
319 |
Величины каждой из этих нагрузок оболочек разных конструк ций камер двигателя весьма различны, и поэтому расчеты оболо чек камеры сгорания и сопла на прочность должны производиться для каждого конкретного двигателя. Поскольку точный учет на грузок, отмеченных пп. 2—4, весьма затруднен, то расчеты оболо
чек обычно приходится производить исходя из общих соображений. Статическая нагрузка на оболочки создается давлением жидко сти в охлаждающем тракте камеры. Под давлением этой жидкости наружная оболочка (рубашка) камеры подвергается растяжению.
При этом внутренняя оболочка камеры сжимается под действием разности давлений жидкости в охлаждающем тракте \рохЛ и газов в канале камеры рт (фиг. 7.14).
Поскольку |
давление |
охлаж |
|
|
|
дающей жидкости в тракте на пу |
|
|
|
||
ти от среза сопла до головки ка |
|
|
|
||
меры понижается вследствие гид |
|
|
|
||
равлического сопротивления трак |
|
|
|
||
та, а давление газов в канале ка |
|
|
|
||
меры, наоборот, понижается от |
|
|
|
||
головки камеры до среза сопла, то |
|
|
|
||
максимальная разность |
давления |
|
|
|
|
жидкости на внутреннюю оболоч |
Фиг. |
7. 14. |
Изменение давления |
||
ку создается у выходной части |
жидкости в |
охлаждающем тракте |
|||
сопла (в области входа жидкости |
по длине камеры двигателя. |
||||
в охлаждающий тракт). |
|
|
подвержена радиальному |
||
Оболочка |
неохлаждаемой камеры |
||||
и осевому растяжению давлением газов; наибольшее давление имеет место внутри камеры сгорания, а наименьшее — у выходной части сопла.
Условия работы оболочек камеры двигателя значительно услож няются высокой температурой внутренней оболочки. Так как проч
ность металла зависит от температуры, которая в данном случае
по длине оболочки (от головки до среза сопла) понижается, то
и прочность внутренней оболочки различна как по длине камеры, так и в различные периоды работы двигателя.
Учет напряжений в отдельных элементах камеры, возникающих
в результате статических нагрузок, возможен с необходимой для практики точностью. Недостаточно определенными являются на пряжения, появляющиеся в элементах камеры вследствие неравно
мерного их нагрева во время работы.
Особенно неодинаково нагреваются внутренняя и наружная оболочки камеры двигателя, в силу чего внутренняя оболочка, как относительно более нагретая, стремится удлиниться, тогда как наружная оболочка, конструктивно связанная по концам с внутрен ней оболочкой, препятствует этому удлинению. В результате этих
явлений внутренняя оболочка камеры двигателя подвергается сжа
тию, а наружная — растяжению.