Сравнение размеров двигателей

Тяга ракетного двигателя в условиях атмосферы.

Вывод формулы тяги ракетного двигателя базируется на 3-м законе Ньютона, при условии, что поток рабочего тела по тракту рассматривается ста­дион арным.

Стационарным называется движение, при котором расход газа во всех поперечных сечениях канала одинаков и не зависит от времени, а параметры газа в указанных сечениях, включая входное, постоянны и также не являются функцией времени.

Тяга реактивного двигателя является равнодействующей сил давления газов на внутренние и наружные поверхности камеры двигателя. Она возникает в результате преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию, истекающих из камеры, продуктов сгорания.

Рис.6

Тяга в условиях атмосферы Рн ≠ 0; рис.6

где: Wэн - эффективная скорость истечения при наличии давления окружающей среды, м/с.

Билет №5

1. Мощностные параметры РД.

2. Требования, предъявляемые к распыливающему устройству ЖРД.

Мощностные параметры ракетных двигателей

1.Мощность реактивной струи, Вт.

2.Мощность первичного источника энергии, Вт.

где: - коэффициент полезного действия двигательной установки.

Требования, предъявляемые к распыливающему устройству ЖРД

Для эффективного сжигания жидкого топлива должно быть обеспечено его полное испарение в заданное время и в нужном месте камеры сгорания двигателя. Для этого в нужный момент вся масса топлива, подаваемая в камеру сгорания, должна иметь максимальную поверхность. Значительное увеличение поверхности компонента может быть получено распылением его на мельчайшие частицы. Поэтому распыливающее устройство ЖРД должно обеспечивать дробление жидких компонентов топлива, подаваемых в камеру сгорания под определенным давлением и в соответствующих количествах, на мельчайшие капли, быстрое и хорошее смешение их между собой. От того, насколько со­вершенно осуществляются эти процессы, в значительной мере зависят скорость и полнота сгорания образующейся топливной смеси, величина потребного объема камеры сгорания, ее размеры, удельный вес, устойчивость работы и другие характеристики. Чем совершеннее смесеобразование, тем экономичнее, устойчивее и надежнее работа двигателя.

Процесс распыла жидких компонентов топлива зависит от их физических свойств, типа и конструкции форсунок, режима их работы и других фак­тов.

Форсунки двигателя дробят компоненты топлива на миллиарды капель, имеющих поверхность, измеряемую десятками квадратных метров.

Если, например, 1 л жидкости до подачи в камеру сгорания имеет диа­метр около 0,124 м и поверхность -0,0483 м², то после дробления ее на капли диаметром 100 мк (10~4.м) суммарная поверхность жидкости увеличится почти в 1240 раз и будет составлять около 60 м².

Состояние теории смесеобразования и горения топлива в ЖРД в на­стоящее время не позволяет еще производить точные расчеты этих процессов. Поэтому при проектировании головок камеры двигателя приходится исходить из необходимости удовлетворения основных требований к смесеобразованию, используя при этом результаты исследований и опыт эксплуатации.

Распылительное устройство (головка камеры) ЖРД должно удовлетво­рять следующим требованиям.

1. Компоненты, топлива должны быть раздроблены на капли достаточно мелко и однородно, так как от тонкости распыла зависят качество смесеобразования, равномерность и скорость горения топлива.

В обычных схемах ЖРД тонкость распыла компонентов топлива зави­сит от типа, конструкции и производительности форсунок, их геометрических характеристик, перепада давлений на форсунках и других факторов.

Тонкость распыла компонентов топлива является качественным критерием смесеобразования и характеризуется средневесовым диаметром образующихся капель. Чем меньше средний диаметр капель, тем лучше распыл и эффективнее процесс сгорание топлива.

Однородность распыла характеризуется изменением диаметров капель в факеле распыленного компонента топлива. Чем уже пределы, между которыми располагаются диаметры капелек распыливаемых компонентов топлива тем больше однородность распыла.

В современных ЖРД распыленные капли компонентов топлива имеют диаметр около 25—250 мк. Это значит, что 1 cм³ распиливаемой жидкости де­лится примерно на 6-106 капель. В азотно-кислотных двигателях средние весо­вые диаметры, капель керосина лежат в диапазоне 120—150 мк.

Топливо, состоящее из наиболее крупных капель, будет запаздывать с завершением смесеобразования и, следовательно, с завершением процесса диффузионно-турбулентного сгорания. При слишком грубом распыле, что воз­можно в результате неправильного выполнения распиливающего устройства или регулирования тяги двигателя изменением перепада давления компонентов топлива, может получиться резкое снижение эффективности процесса сгорания и неустойчивая работа.

Однако, тонкость распыла компонентов топлива сама по себе не явля­ется единственным средством улучшения качества рабочего процесса в камере сгорания двигателя. Система смесеобразования должна обеспечивать не только тонкий распыл и хорошее перемешивание компонентов топлива, но и органи­зованный подвод тепла для их подогрева, испарения и воспламенения.

2. Концентрация распыливаемых, компонентов топлива по попе­речному сечению камеры сгорания должна быть одинаковой, так как в про­тивном случае сгорание их будет неполным.

В начале камеры сгорания обычно получается грубо перемешанная го­рючая смесь, которая при дальнейшем движении по камере сгорания продол­жает перемешиваться и становится более однородной. Параллельно с этим процессом идут подогрев и испарение распыленных компонентов и выгорание образующейся горючей смеси.

Время завершения процесса сгорания топлива определяется главным образом скоростью смешения компонентов топлива. При прочих равных усло­виях смешение будет протекать тем интенсивнее, чем мельче газовые струйки компонентов топлива и больше скорость их относительно друг друга. Полнота сгорания топлива в конечном итоге определится отношением времени пребы­вания рабочего тела в камере сгорания ко времени, потребному для завершения процесса сгорания топлива.

Местные отклонения коэффициента состава топлива в камере сгорания от расчетного всегда приводят к неполноте сгорания и, следовательно, к пони­жению удельной тяги двигателя.

Доказано, что начальная неравномерность состава компонентов топли­ва в пределах шага между форсунками быстро выравнивается без заметного снижения удельной тяги двигателя, а неравномерность состава топлива при ее масштабе больше шага форсунок обычно не успевает выравниваться и значи­тельно снижает удельный импульс.

Для защиты оболочки камеры двигателя от перегрева иногда горючую смесь вблизи поверхности оболочки преднамеренно обогащают специальной подачей через периферийные форсунки около 2—4% горючего от общего рас­хода его в камеру сгорания. При этом головка двигателя обеспечивает постоян­ство коэффициента избытка окислителя в центральной части камеры сгорания и заниженное значение его у поверхности оболочки камеры.

3. Расходонапряженность топлива по поперечному сечению камеры сгорания должна быть одинаковой, так как там, где расход топлива будет больше расчетного, процесс сгорания будет неполным, а в местах, где этот расход окажется меньше указанного, объем камеры сгорания будет использо­ван неполностью.

Равномерность расхода топлива по поперечному сечению камеры сго­рания является количественным критерием распыла компонентов топлива. Этот критерий влияет на выбор формы камеры двигателя.

4. Зона смесеобразования топлива по длине камеры сгорания должна быть возможно короткой, так как в противном случае потребуется относи­тельно больший объем камеры сгорания, что может увеличить ее габариты и удельный вес.

Зона распыла компонентов лежит вблизи головки камеры, определяет­ся типом и конструкцией форсунок и характеризуется расстоянием от головки камеры до места проникновения капель. Эта зона при обычных струйных фор­сунках имеет большую длину, чем при центробежных форсунках.

Форма факела обусловливается в основном конструкцией рас­пылительной головки камеры и дальнобойностью струи распыливаемых ком­понента топлива.

5. Суммарный факел распыла компонентов топлива относительно оси камеры сгорания должен быть симметричным, так как если факел горящего топлива будет бить о поверхность оболочки камеры и сгорать на ней, то возможны ее перегрев и прогар.

Струя окислителя не должна бить по поверхности оболочки камеры, так как это вызовет быстрый ее прогар вследствие окисления металла.

Форсунки нужно расположить на головке так, чтобы результирующее направление потока топлива после столкновения всех струй было параллельно оси камеры. Это требование особенно относится к струйным форсункам с пе­ресекающимися струями.

Задачей конструктора является распределить форсунки на головке камеры так, чтобы при равномерном распределении компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания не попадало много окислителя на стен­ки.

Уменьшения попадания компонентов топлива при распыле его фор­сунками на поверхность оболочки камеры можно добиться соответствующим направлением форсунок, изготовлением их со срезом под углом и т. п.

б. Перепад давлений компонентов топлива в форсунках должен быть оптимальным как по физической полноте сгорания топлива, так и по удель­ному весу системы топливоподачи двигателя.

При понижении перепада давлений распыливаемой жидкости в фор­сунках уменьшаются давление подачи топлива в камеру сгорания и, сле­довательно, мощность и вес системы топливоподачи, но при этом ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топлива. При повышении же перепада давлений в форсунках происходит обратное.

Удовлетворение этого требования практически сопряжено с больши­ми трудностями, и поэтому при расчете ЖРД перепадом давлений компонентов топлива в форсунках обычно задаются на основании статистических данных.

7. Распыливающее устройство двигателя должно быть конструк­тивно простым и дешевым в производстве, мало чувствительным к измене­нию режима работы двигателя и к возможным вибрациям.

К распыливающему устройству двигателя с регулируемой тягой предъявляются дополнительные требования.

Опыты показывают, что перепад давлений в форсунках меньше 2 кг/см2, как и малое число форсунок, приводит к неудовлетворительному рас­пылу компонентов топлива и, следовательно, к неустойчивой работе двигателя.

Если при работе двигателя на минимальном режиме перепад давлений компонентов топлива в форсунках принять равным 2— 3 кг/см², то при этом перепад давлений в форсунках на режиме номинальной тяги окажется резко завышенным (может быть в 5—10 раз больше, чем на режиме минимальной тяги), что весьма невыгодно из-за относительно большого веса системы топливоподачи. Поэтому регулирование тяги двигателя изменением перепада дав­лений компонентов топлива в форсунках может быть оправдано только в не­большом диапазоне.

Выполнить все перечисленные выше требования к распыливающему устройству ЖРД можно путем правильного проектирования и конструирования головки камеры двигателя, т. е. целесообразным выбором ее формы, типа фор­сунок, их параметров, числа и схемы расположения на головке и т. д.

Правильная организация распыла компонентов топлива в ЖРД позво­ляет уменьшить объем камеры сгорания, ее габариты и удельный вес, повысить надежность, ресурс, экономичность и устойчивость работы двигателя. Качест­венное смесеобразование также облегчает условия зажигания топлива при за­пуске двигателя и снижает число аварий.

Билет №6

1. Удельные параметры РД.

2. Расположение форсунок в плоской головки. Баки, классификация, схемы (6.14).

Удельные параметры ракетных двигателей

1) Удельный импульс, (Н • с)/ кг

Удельный импульс является основным параметром, характеризую­щим совершенство конструкции и эффективность преобразования энергии в нём. Величина удельного импульса не зависит от тяги, создаваемой двигате­лем. Для химических ракетных двигателей величина удельного импульса лежит в диапазоне 2000/4000

Вышеприведённый вывод формулы тяги осуществлялся при условии её постоянства во время работы двигательной установки. Однако на практике это не соответствует действительности. На рис.7 приведена зависимость тяги двигательной установки от времени её полёта. (Iвзл, Iпол, Iпд - значения им­пульса ДУ на режимах взлёта, полёта и выключения, Iпд- импульс последейст­вия).

Рис 7

Суммарный импульс двигательной установки [Н*с] можно определить по следующим зависимостям:

Величину I_ПД стараются уменьшить, т.к. это обеспечивает точность доставки полезного груза к цели.

2) Удельный расход топлива, кг/Н • с.

Для химических ракетных двигателей величина удельного расхода топлива, существенно выше аналогичного параметра для воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Поэтому время работы ВРД существенно больше, чем ХРД.

3) Удельная мощность реактивной струи, Вт/Н.

4) Удельная масса ДУ, кг/Н, кг/Т.

где: М - масса ДУ без учёта топлива.

Величины удельной массы двигателей различных типов приведены

ниже:

1т=104Н.

Способы размещение топливных форсунок на плоских головках камеры двигателя

Форсунки размещают на головке камеры после того, как выбраны конструкция головки, тип наиболее приемлемых форсунок и их количество, а также определены их геометрические параметры.

Рис.49