2.2. Термодинамический расчет процессов горения и истечения
Термодинамический расчет состава и характеристик продуктов сгорания твердого топлива на входе в сопло и в его различных сечениях проводится при следующих общих допущениях: горение протекает полно, без обмена теплом с окружающей средой; продукты сгорания - химически и физически равновесная смесь; газовая фаза подчиняется уравнению идеального газа; отсутствуют необратимые процессы. Скорость течения в двигателе (при горении) предполагается равной нулю. Течение смеси при расширении по соплу однородное по составу и одномерное. Значение параметра, рассчитанного при этих предположениях, называют идеальным [2,25].
Исходными
данными для расчета являются химический
состав, энтальпия топлива H
и внешние условия - давление в двигателе
р0
и степень
расширения сопла.
По результатам расчета идеальных параметров вычисляют: скорость
продуктов
сгорания в данном сечении v
=
;
расходный комплекс
=p0F
/m=f
р0;
удельную площадь f=F/m;
геометрическую
степень расширения сопла F/F
=f/f
;
удельный
импульс в пустоте Iуп=v
+fapa;
удельный импульс при ра=рн
(рн-
давление
окружающей среды) Iу
= Iу
п
-рfа
=v
коэффициент
тяги в пустоте К
=
;
температуру
Т.
Наряду с расчетом процесса равновесного расширения смеси продуктов сгорания в сопле также вычисляют изоэнтропийные течения еще по нескольким моделям:
1) химически замороженное течение (с целью верхней оценки потерь удельного импульса из-за химической неравновесности);
2) течение без фазовых превращений, к примеру без кристаллизации окиси алюминия (с целью оценки потерь удельного импульса из-за отсутствия кристаллизации);
3) течение с внезапным замораживанием при некоторой температуре (с целью приближенного описания сложного процесса химической кинетики).
Термогазодинамический расчет идеальных значений различных параметров осуществляется на ЭВМ; результаты расчета для некоторых твердых топлив приведены в табл. 2.1 -2.4 [2].
Таблица 2.1
Характеристики и равновесный состав продуктов сгорания
(мольные доли) баллиститного топлива HES-4016
(C
H
O
N
)
|
Характеристика и состав продуктов сгорания |
| |||
|
7,0 (горение) |
3,986 |
0,10 |
0,05 | |
|
Т, К
к О Н
О
Н ОН
Н
N NO CO CO |
3163 26,4 - - - - 2,88 0,88 0,5 1,17 0,0009 0,0073 0,0016 0,0588 0,0127 0,270 0,145 0,0022 0,316 0,186 |
2935 26,6 1,17 - - 1 2,46 0,84 0,4 1,18 0,0003 0,0050 0,0006 0,602 0,072 0,0275 0,146 0,010 0,312 0,194 |
1573 26,8 1,2 2480 2676 8,87 1,70 0,54 0,16 1,22 - - - 0,098 - 0,246 0,147 - 0,273 0,236 |
1386 26,8 1,20 2605 2770 14,9 1,70 0,47 0,14 1,22 - - - 0,1120 - 0,2315 0,1472 - 0,259 0,2503 |
,
МПа
,
м/с
,
кДж/(кг*К)
,
Н*с/м
,
Вт/(м*К)
О
Таблица 2.2
Характеристики и равновесный состав продуктов сгорания
(мольные доли) смесевого топлива ANB-3066
(C
H
O
N
Cl
Al
S
)
|
Характеристика и состав продуктов сгорания |
| |||
|
4,0 (горение) |
2,3 |
0,10 |
0,05 | |
|
Т, К
к Н
Н
Н HCl
N CO
CO Al |
3415 27,9 - - - - 3,76 0,91 1,28 1,16 0,0454 0,3511 0,0947 0,1157 0,0793 0,2656 0,0086 0,3204 |
3220 28,1 1,14 - - 1 3,46 0,88 1,16 1,16 0,0371 0,3609 0,0896 0,1252 0,0801 0,2682 0,0084 0,3309 |
2300 28,8 1,13 2454 2725 6,83 2,20 0,71 0,55 1,17 0,0062 0,3912 0,0732 0,1585 0,0822 0,2747 0,0090 0,3576 |
2150 28,9 1,13 2,631 2866 11,9 2,07 0,68 0,42 1,18 0,0037 0,3935 0,0720 0,1604 0,0824 0,2746 0,0097 0,3585 |
,
МПа
,
м/с
,
м/с
,
кДж/(кг*К)
,
Н*с/м
,
Вт/(м*К)
О
O
Таблица 2.3
Характеристики и равновесный состав
продуктов сгорания ДРП
(C
H
O
N
S
К
)
|
Характеристика и состав продуктов сгорания |
| |||
|
4,0 (горение) |
2,3 |
0,10 |
0,05 | |
|
Т, К
к Н
Н
Н
S SO
SO
S HS
H
N CO CO |
2567 35,3 - - - - 1,62 0,48 0,14 1,22 0,2585 0,0204 0,0906 0,0070 0,0171 0,0614 0,0080 0,0016 0,0026 0,1291 0,2371 0,1631 |
2342 35,6 1,21 - - 1,0 1,66 0,45 0,13 1,21 0,2604 0,0198 0,0920 0,0098 0,0121 0,0555 0,0110 0,0013 0,0025 0,1302 0,2239 0,1791 |
1465 36,9 1,20 1826 2007 6,05 1,62 0,32 0,085 1,20 0,2699 0,0162 0,092 0,0252 0,0003 0,0082 0,0226 0,0001 0,0112 0,1349 0,1261 0,2891 |
1318 37,1 1,20 1941 2093 10,2 1,62 0,29 0,08 1,20 0,2717 0,0159 0,086 0,0264 - 0,0031 0,0203 - 0,0182 0,1359 0,1060 0,3105 |
,
МПа
,
м/с
,
м/с
,
кДж/(кг*К)
,
Н*с/м
,
Вт/(м*К)
О
O
S
Таблица 2.4
Характеристики и равновесный состав продуктов сгорания
низкотемпературного топлива ТР-Q-3011А
(C
H
O
N
Cl
)
|
Характеристика и состав продуктов сгорания |
| |||
|
4,0 (горение) |
2,3 |
0,10 |
0,05 | |
|
Т, К
к
Н
Н HCl
N CO
CO
СН С* |
1224 28,9 - - - - 3,99 0,46 0,31 1,24 0,248 0,167 0,064 0,109 0,277 0,117 0,018 - |
1139 22,2 1,18 - - 1,0 5,17 0,43 0,39 1,24 0,243 0,162 0,065 0,110 0,257 0,135 0,027 - |
860 24,3 1,14 1643 1822 6,76 9,97 0,35 0,60 1,19 0,237 0,189 0,072 0,123 0,094 0,242 0,043 0,042 |
815 24,8 1,14 1758 1914 11,8 9,18 0,33 0,58 1,19 0,233 0,203 0,074 0,126 0,067 0,255 0,042 0,052 |
,
МПа
,
м/с
,
м/с
,
кДж/(кг*К)
,
Н*с/м
,
Вт/(м*К)
О
___________________
*Массовая доля в конденсированном состоянии.