Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Общая теория РД.doc
Скачиваний:
418
Добавлен:
29.03.2015
Размер:
3.28 Mб
Скачать

Так как работа цикла расходуется на приращение скорости продуктов сгорания, то есть увеличение их кинетической энергии от ск ≈ 0 до сс, то

Lц = =(6.4)

6.3. Коэффициенты полезного действия цикла рд

6.3.1. Энергетические кпд

Эффективность превращения теплоты в полезную работу в идеальном цикле оценивается термическим коэффициентом полезного действия ηt, являющимся отношением теплоты, превратившейся в полезную работу Lц ко всей теплоте Q1, подведенной в цикле

, (6.5)

Таким образом, при помощи ηt оценивают потери тепла с выходной струей, обусловленные вторым законом термодинамики или совершенство двигателя как тепловой машины.

Величина ηt тем больше, чем выше сс по отношению к Q1. В свою очередь сс тем выше, чем больше работа расширения ПС в РС при сохранении расчетного режима работы РС (рсрн), то есть, чем выше температура Тк и давление рк ПС в КС. Величины Тк и рк в ограниченном объеме тем выше, чем выше химическая энергия топлива Нu.

Из выражения 6.5 следует, что теоретический (идеальный) удельный импульс равен

(6.6)

Удельный импульс в действительном (реальном) цикле Iу.д меньше Iу.ид, так как при осуществлении реальных рабочих процессов в камере РД (камера сгорания + реактивное сопло) имеют место тепловые, газодинамические и другие потери. Степень совершенства внутренних процессов (величину потерь) в камере оценивают с помощью отношения действительной кинетической энергии на выходе из сопла к теоретической (идеальной), которое называется относительным внутренним КПД камеры РД:

(6.7)

Суммарные потери оценивают с помощью эффективного КПД

(6.8)

Из выражения 6.8 следует, что действительный удельный импульс равен

(6.9)

Приведенные выше КПД справедливы для камеры РД, сопло которой работает на расчетном режиме (рс = рн) на стенде (скорость полета равна нулю).

6.3.2. Импульсный кпд

В теории ракетных двигателей более удобным и практически важным является импульсный КПД , который оценивает потери не энергии, а скорости истечения или удельного импульса. Так как потери массы рабочего тела в РД практически отсутствуют, то импульсный КПД оценивает одновременно потери удельного импульса и тяги.

, (6.10)

где: Iу.ид – идеальный – определяется по формулам п. 5;

Iу.д – действительный (реальный) – определяется экспериментально.

Следовательно, действительный удельный импульс

(6.11)

Процессы в КС и РС различаются по своей природе, поэтому потери в них иопределяют по отдельности, а суммарные потери импульса тяги

(6.12)

Так как роль КС в создании тяги характеризуется расходным комплексом β, то потери в КС являются потерями β

, (6.13)

где βд, βид – действительное и идеальное значения расходного комплекса. βид определяется по формуле 5.13, а βд – экспериментально или рассчитывается с помощью статистических коэффициентов ξi, полученных при обработке экспериментальных данных. В этом случае определяется по формуле:

, (6.14)

где: ξнп – потери тепла на неполноту сгорания ракетного топлива;

ξт – потери тепла на нагрев двигателя;

ξд – потери тепла на диссоциацию (разложение) молекул при высокой температуре Тк;

ξзав – потери тепла на завесное пленочное охлаждение, то есть на создание слоя относительно холодного газа вдоль стенок КС путем впрыска горючего в пристеночный слой для охлаждения стенок (имеются только у ЖРД).

Потери в КС определяются только процессом горения и охлаждения КС.

Роль РС в создании тяги характеризуется тяговым комплексом КR, поэтому потери в РС являются потерями КR

, (6.15)

где КR..д и КR.ид – действительное и идеальное значения тягового комплекса. КR..ид в вакууме (пустоте) определятся по формуле:

КR.ид = , (6.16)

где λс = сс /cкр – коэффициент скорости (безразмерная скорость), а – местная скорость звука (скорость в критическом сечении РС). КR..д – определяется экспериментально или рассчитывается с помощью статистических коэффициентов ξi

, (6.17)

где: ξрас – потери связанные с рассеиванием выходной скорости (для конических каналов) (рис. 6.2).

На рис.6.2: 2α – угол раствора; са.ср = сс – средняя осевая составляющая скорости. Величина коэффициента рассеивания определяется как:

. (6.18)

зависит от угла α и определяется по табл. 6.1. При увеличении угла α, следовательно, уменьшении , снижаетсяса.ср (при сс = const)

При проектировании РС рекомендуется выбирать значения угла α ≤ 25…30о.

Таблица 6.1

α, град

0

5

10

20

1,0

0,998

0,992

0,97

Д

Рис.6.2. Потери из-за рассеивания скорости

Рис.6.3. Профилированное РС


ля уменьшения этого вида потерь у сопел с большой степенью расширения газастенки расширяющейся части профилируют по форме свободно расширяющейся струи газа (рис. 6.3) с осевым выходом потока;

ξтр – потери скорости на трение потока о стенки РС;

ξн – потери энергии связанные с тем, что при расширении газа температура падает и происходит рекомбинация молекул с выделением тепла, но оно подводится к газу при меньшем давлении, чем в КС и, следовательно, меньше преобразуется в работу расширения газа по разгону потока;

ξs – потери скорости на двухфазность потока, связанные с тем, что в продуктах сгорания некоторых топлив присутствуют твердые и жидкие окислы легких металлов (энергетических добавок) которые сами не расширяются, а увлекаются потоком, создавая дополнительное вихреобразование, а значит и потери энергии.

Рис. 6.4. Зависимости потерь от относительной длины сопла: - - - k = 1,14; ―k = 1,25.

На рис. 6.4 показаны зависимости коэффициентов потерь ξрас, ξтр, ξн от относительной длины сопла , где:Lс – длина сопла; Dкр – диаметр сопла в критическом сечении.