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

техническими условиями на изготовление, сборку и испытание. Общих правил для проектирования ЖРД нельзя дать потому,

что разработка каждой отдельной конструкции двигателя зависит от его назначения, вида топлива, располагаемых данных и других факторов. Однако обычные методы выбора форм камеры сгорания

и сопла двигателя, значений его основных параметров, а также рас­ четов теплопередачи, эксплуатационных, геометрических и гидрав­ лических характеристик, систем подачи и впрыска топлива, за не­ многими исключениями, пригодны для всех типов ЖРД.

При проектировании двигателя большое внимание уделяется вопросам' простоты и дешевизны конструкции, удобства управления и эксплуатации, надежности и экономичности работы и т. д.

Решение задачи создания надежной конструкции ЖРД большой

1яги затрудняется тем, что оно связано с непрерывной интенсифи­

кацией тепловых процессов в камере сгорания, увеличением расхо­ да топлива и использованием наиболее эффективных топлив. Целе­ сообразный выбор компонентов топлива для конкретного двигате­ ля, предназначенного решать определенную задачу, является пер­ вым и обязательным условием успеха работ по созданию двигателя. Однако наибольшие трудности возникают при разработке конструк­ ции двигателя.

После того как определена схема двигателя соответственно вы­

бранному виду топлива, разрабатывают конструктивные и другие мероприятия по обеспечению устойчивого горения в камере сгора­ ния двигателя, без пульсаций давления и детонационных явлений,

способных разрушить двигатель в первые секунды его работы в про­

цессе выхода на номинальный режим либо в любой последующий момент вследствие сильных вибраций и взрывов.

Следующим основным этапом разработки двигателя является решение проблемы охлаждения камеры сгорания и сопла. Надежное охлаждение ЖРД всегда представляет большие трудности при со­ здании сколько-нибудь длительно работающих двигателей, разви­ вающих значительную удельную тягу.

Следующим этапом является разработка системы топливоподачи двигателя и, наконец, последним этапом — системы пуска и ре­

гулирования двигателя.

Удачное решение этих задач возможно только при условии уче­ та последних научных достижений в развитии ЖРД и в других смежных областях техники.

Глава 3

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ И К. П. Д. ДВИГАТЕЛЯ

Работа ЖРД состоит в преобразовании химической энергии жидкого топлива в тепловую, а затем в кинетическую энергию про­

дуктов сгорания, вытекающих из сопла в атмосферу, в результате чего создается реактивная сила — тяга двигателя.

Это преобразование в ЖРД химической энергии топлива в соот­

ветствующие другие виды энергии, как и в любом другом двигателе, практически сопряжено с непроизводительной затратой части энер­ гии сжигаемого топлива. Величина этой потери тем меньше, чем совершеннее двигатель.

В настоящей главе рассмотрены термодинамические процессы,

лежащие в основе преобразования в ЖРД химической энергии топ­ лива в кинетическую энергию газового потока.

§ 1, Цикл работы идеального двигателя

Циклом работы ЖРД принято называть совокупность термоди­

намических процессов с рабочим телом в камере двигателя, в ре­ зультате которых химическая энергия топлива преобразуется в ки­

нетическую энергию газов на выходе из сопла в окружающую среду.

Для выявления и анализа главнейших параметров, оказываю­ щих основное влияние на экономичность работы двигателя и слу­ жащих для сравнительной оценки реальных двигателей, в теорию ЖРД введено понятие о цикле работы идеального двигателя.

Под циклом работы идеального двигателя принято понимать некоторый замкнутый и обратимый термодинамический цикл, со­ ставленный из простейших термодинамических процессов и пред­ ставляющий собой упрощенную схему сочетания действительных процессов, протекающих в реальном ЖРД.

В соответствии с этим для цикла работы идеального двигателя приняты следующие допущения:

1) компоненты топлива сжимаются и подаются в камеру сгора­ ния при отсутствии гидравлических сопротивлений в коммуника­ циях и пренебрежимо малой затрате энергии на эти процессы по

сравнению с механической работой, производимой продуктами сго­ рания топлива;

2)при распылении и перемешивании компонентов топлива, по­ даваемых в камеру сгорания, образуется абсолютно однородная (гомогенная) горючая топливная смесь;

3)расходы компонентов топлива в камеру сгорания — постоян­

ные во времени; 4) топливо в камере двигателя сгорает при постоянном давле­

нии и полном тепловыделении (при <рк = 1);

Ф,иг. 3.1. Цикл работы идеального ЖРД в ко­ ординатах pv.

5)продукты сгорания топлива представляют идеальный газ;

6)расширение продуктов сгорания в сопле протекает по адиа­ бате, т. е. без теплообмена с окружающей средой, без догорания

топлива, рекомбинации, релаксации и вязкостного трения молекул

газов;

7)в любом поперечном сечении камеры сгорания и сопла по дли­ не имеют место одинаковые поля давления, температуры и ско­ рости;

8)движение газов в выходном сечении сопла одномерное, ли­ нии токов газа между собой параллельны;

9)в двигателе используется все тепло, за исключением тепла, уходящего с отходящим газом.

При этих допущениях цикл работы идеального двигателя состоит

из одной изохоры, двух изобар и одной адиабаты (фиг. 3. 1):

1)изохора сжатия и подачи топлива в камеру сгорания, харак­

теризующая процессы в системе топливоподачи двигателя (ли­ ния ан);

2)изобара сгорания топлива в камере двигателя (линия нк);

3)адиабата расширения газов в сопле двигателя (линия кв);

4)изобара отвода тепла от рабочего тела в окружающую среду, представляющая условное замыкание рабочего цикла (линия ва).

Все основные параметры, характеризующие работу 1 кг газа, в цикле идеального двигателя имеют предельно высокие значения, степень приближения к которым тех же параметров реального дви­ гателя определяет совершенство последнего.

Фиг. 3.2. Цикл работы идеального ЖРД в пустоте (с полным расшире­ нием газов в сопле).

Полная полезная работа 1 кг газа в цикле идеального двигателя

Полная работа 1 кг газа в цикле идеального двигателя при работе в пустоте с полным расширением газа в сопле (рв=ра=0) будет

— максимально-идеальная скорость истечения газов из соп­ ла при полном расширении (до рв=0).

По отношению к величине Lt принято оценивать .экономичность

реального двигателя, цикл работы которого осуществляется при тех

же давлениях газов в камере сгорания и в выходном сечении сопла, но при потере энергии топлива и других отступлениях от условий работы идеального двигателя.

На фиг. 3. 2 показан цикл работы идеального двигателя в пусто­ те (с полным расширением газов в сопле).

Совершенство работы идеального ЖРД принято оценивать ве­ личиной термического к. п. д. тц, который учитывает только тепло-

потерю топлива с отходящими газами в окружающую среду соглас­

но второму закону термодинамики.

§ 2. Цикл работы реального двигателя

Условия работы реального двигателя существенно отличаются от условий работы идеального двигателя. При работе реальногодвигателя необходимо учитывать:

1)гидропотери в коммуникациях при подаче жидких компонен­ тов топлива в камеру сгорания;

2)неоднородность полей скоростей и концентраций компонен­ тов топлива в поперечных сечениях по длине камеры сгорания вследствие несовершенства распыла их и смешения;

3)потери тепла топлива в виде диссоциации, неполноты сгора­ ния и теплоотдачи в окружающую среду;

4)падение давления рабочего тела по длине камеры сгорания вследствие гидропотерь и ускорения потока при нагревании;

5)догорание компонентов топлива в сопле, не успевших дого­ реть в камере из-за несовершенства их распыла и смешения и огра­ ниченного времени пребывания их в камере;

6)установление химического и энергетического равновесия про­ дуктов сгорания топлива при их течении и расширении в сопле;

7)потери вследствие вязкостного трения газов, т. е. трения мо­ лекул между собой и о стенки камеры;

8)неравномерность истечения газов в закритической части соп­ ла и непараллельность потока газов в окружающую среду;

9)недорасширение или перерасширение газа в сопле вследствие

различных режимов и внешних условий работы двигателя и др.

В связи с этим цикл работы реального двигателя отличается от

цикла идеального двигателя (см. фиг. 3. 1), и полная работа 1 кг газа в нем Li меньше теоретически мыслимой полной работы иде­ ального цикла Lt на величину побочных потерь энергии топлива

^пот > т. е.

На величину побочных теплопотерь топлива в реальном двига­

теле £„от больше всего влияют:

1) конструкция распылительной головки камеры (способ рас­ пыла и смешения компонентов топлива, тип и распределение фор­ сунок на головке камеры);

2)химический состав компонентов топлива и их соотношение между собой;

3)величина объема камеры сгорания и ее конструктивная форма;

4)геометрические характеристики сопла и его профиль;

5)внешние условия работы двигателя (работа у земли, на уров­ не моря или на некоторой высоте от земли) и др.

В силу ряда перечисленных факторов, сопровождающих и ус­ ложняющих рабочий процесс в камере сгорания и сопле реального двигателя, практически невозможно точно определить параметры рабочего тела даже в характерных сечениях камеры двигателя; по­ этому при расчете двигателя часто приходится вводить ряд допу­ щений и коэффициентов, упрощающих решение задачи.

§ 3. Классификация скоростей истечения газа из сопла камеры ЖРД

Процесс истечения газа из соцла камеры двигателя характери­

зуется величиной абсолютной скорости потока за соплом.

Для вывода формул коэффициентов полезного действия двига­ теля необходимо уяснить физическую сущность условных понятий

оскоростях истечения газа из сопла камеры двигателя.

Втеории ЖРД принято различать скорости истечения газов:

1) максимально-идеальную ‘wmax’, 2) идеальную wB.„; 3) теоре­ тическую Д7В Т; 4) действительную ®в; 5) эффективную wa$-, 6) кри­ тическую wKp.

Максимально-идеальной называют скорость истечения, которую имел бы газ в выходном сечении сопла камеры идеального двигате­ ля при полном преобразовании располагаемой химической энергии 1 кг топлива в кинетическую энергию газа при бесконечно большой степени его расширения, т. е.

®„„=/S^=91,53/7?;=j/Zg^RJ, я!сек, (3.3)

где Ни ккал/кг — низшая теплотворность топлива.

Величина идеальной скорости истечения характеризует качество топлива.

Идеальной называют скорость истечения, которую имел бы газ в выходном сечении сопла камеры идеального двигателя при адиа­ батическом изменении состояния и наличии противодавления атмо­ сферного воздуха, т. е.

где тр — термический к. п. д. двигателя.