ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Теория сопла и характеристические параметры Жомотт и Ж. Ванденкеркхове) из "Ракетные двигатели " Для преобразования тепла, выделяющегося в камере сгорания ракетного двигателя, в кинетическую энергию с целью создания ТЯГИ используется сверхзвуковое сопло. При изучении течения по соплу газа, нагретого до высокой температуры, выделяют ряд параметров, характеризующих сочетание топливо—двигатель. Эти основные параметры служат базой для оценки ракетного двигателя, а также для сравнения различных систем. Для того чтобы вывести эти параметры математическим путем, нужно использовать достаточно простую модель, на которой можно проследить различные рассматриваемые явления. Это приводит к необходимости введения различных допущений, обоснованность которых следует предварительно доказать. [c.76] Не входя в подробности детальной теории сопла, рассмотрим основные соотношения, необходимые для наших целей. [c.76] Рассмотрим идеальный ракетный двигатель, соответствующий следующим допущениям. [c.76] Мы пренебрегаем выделением (или поглощением) тепла, которое может иметь место при понижении давления, теплоотдачей к стенкам, изменением состава продуктов сгорания, потерями на трение в пограничном слое. Мы не учитываем также переходные явления, трехмерность реального газового потока и, наконец, наличие каких-либо твердых или жидких частиц. Поправочные коэффициенты, часть которых может иметь желательное для нас влияние (например, химическая рекомбинация) выводятся на основе изучения этих явлений. [c.77] Сравнительная важность некоторых из них (например, теплопередача, пограничный слой) зависит от реальных размеров двигателя. Эти различные поправочные коэффициенты будут введены позднее (см. разделы 2.5.9, 2. 6 и 3.5). [c.77] Выражение в квадратных скобках под корнем равно нулю, когда р=рк или р=0. Таким образом, отношение т// имеет некоторое максимальное значение при определенной величине отношения р/рк, называемой критическим отношением давлений. Пусть-индекс кр относится к критическим условиям. [c.78] Критическое отношение давлений Ркр/Рк, следовательно, разграничивает два типа сопел. Введем для обозначения параметров в выходном сечении сопла индекс а. [c.79] Если (ра1рк) (ркр/рк), то СОПЛО, рассчитанное на данный массовый расход т, будет целиком сужающимся (постоянно убывающее поперечное сечение вдоль по потоку). [c.79] Если (Ра/Рк) (Ркр/Рк), то сопло, рассчитанное на понижение давления в потоке газа, массовый расход которого равен т, до давления окружающей среды, должно сначала сужаться, а затем, после критического сечения, где давление равно ркр, такое сопло должно иметь расширяющуюся часть. Такие сопла называются сверхзвуковыми соплами, или соплами Лаваля. [c.79] В критическом сечении, как это легко показать. [c.79] Это соотношение указывает, что в критическом сечении сопла скорость течения газа равна скорости звука Окр в данном газе при давлении Ркр и температуре Гкр. Дальше-по потоку, за критическим сечением, в расширяющейся части сопла скорость продолжает нарастать и становится, таким образом, сверхзвуковой. Вот почему эти сопла и называют сверхзвуковыми. Когда в критическом сечении достигнута звуковая скорость, говорят, что наступает кризис течения в сопле (или запирание потока), и величина массового расхода, проходящего через него, определяется исключительно условиями в критическом сечении, т. е. не зависит от условий на выходе из сопла. Соотношения (10), (II) и (12) сохраняют силу для изоэнтропных сопел, в которых скорость на входе не равна нулю, поскольку для различных переменных, характеризующих условия на входе в сопло, мы используем их значения, соответствующие заторможенному состоянию. В связи с тем, что в ракетных двигателях можно получить достаточно высокое отношение давлений, Ьопла этих двигателей всегда бывают сверхзвуковыми. [c.79] В табл. 1 приведены значения Г, соответствующие различным величинам к, с которыми приходится встречаться в расчетах. [c.80] Уравнение (16) выявляет те переменные, которые влияют на величину скорости газового потока в выходном сечении сопла t a-Этими переменными являются отношение давлений рк/Ра, начальная температура газа в камере сгорания Тк, молекулярный вес смеси продуктов сгорания л и отношение их удельных теплоемкостей k. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов в отдельности. [c.82] Однако повышение давления в камере сгорания подавляет диссоциацию продуктов сгорания и, следовательно, ведет к повышению температуры Т . (см. далее раздел 3.4). Вместе с тем,, хотя увеличение давления в камере сгорания оказывает благоприятное влияние на скорость истечения, практически повышать давление в камере беспредельно нельзя, так как это ведет к чрезмерному увеличению сухого веса двигателя, а в случае ЖРД — и к увеличению веса системы подачи. Поэтому, если позволяют условия горения смеси в камере, на практике обычно выбирают умеренные величины отношения давлений — в диапазоне от 30 до 50, за исключением тех случаев, когда ракетный двигатель предназначен для работы на очень большой высоте. [c.83] Б) Скорость Уа изменяется пропорционально квадратному корню из температуры газа в камере сгорания Т . Следовательно, желательно выбирать такие топлива, которые позволили бы получать высокие значения Т . Однако здесь надо принимать во внимание два ограничения. Одно из них является конструктивным. Оно заключается в том, что стенки камеры сгорания и особенно стенки сопла должны выдерживать эту высокую температуру. В случае сравнительно большой продолжительности горения это означает, что нужна специальная система охлаждения для защиты участков поверхности камеры и сопла, подверженных воздействию высокой температуры, тогда как в случае более короткого времени работы двигателя обычно бывает достаточно определенных защитных покрытий. Второе ограничение, которое является основным, заключается в том, что при высоких температурах происходит диссоциация продуктов сгорания на более простые молекулы или атомы. Этот процесс идет с поглощением большого количества тепла (см. разделы 1.2, 3. 4 и гл. 9). Указанное обстоятельство практически ограничивает величину температуры в камере сгорания значениями от 2750 до 3500° К. Лишь немногие химические реакции позволяют цолучить более высокую температуру в камере сгорания, но и то ценой преодоления очень больших трудностей (например, реакция фтора с водородом дает Гк 5000 К). [c.83] В) Молекулярный вес продуктов сгорания должен быть возможно более низким. В атом отношении наиболее благоприятен водород. [c.83] Г) Величина отношения удельных теплоемкостей к влияет на оба множителя правой части уравнения (17). Первый множитель соответрвует начальной энтальпии СрТ , т. е. величине максимальной скорости шах он уменьшается с возрастанием к фиг.2.2). [c.83] На фиг. 2.3 приведен график изменения С] в зависимости от рк/ра при пяти различных значениях к. [c.85] Уравнение (18) в расчетах применяется очень часто, так как оно приводит к очень простому выражению для тяги (см. разд. 2.4.2). [c.85] ИСХОДИТ отрыва потока от стенок внутри закритической (расширяющейся) части сопла (см. разд. 2.2.7). На фиг. 2. 4 и 2. 5 приведены кривые изменения степени уширения сопла /а//кр в зависимости от отношения давлений рк/ра при различных величинах к. [c.88] Вернуться к основной статье