- •Общая теория авиационных
- •1.2. Области применения реактивных двигателей
- •2. Турбореактивный двигатель (трд)
- •2.1. Принцип создания тяги трд
- •2.2. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту трд
- •2.3. Основные параметры трд. Тяга трд Основные параметры трд
- •Тяга трд
- •3. Циклы трд
- •3.1. Сущность второго закона термодинамики
- •3.2. Идеальный цикл трд
- •3.2.1. Условия и диаграммы идеального цикла трд
- •3.2.2. Работа идеального цикла трд
- •3.2.3. Термический кпд идеального цикла трд
- •3.2.4. Идеальный цикл со ступенчатым подводом тепла
- •3.3. Действительный (реальный) цикл трд
- •3.3.1. Процессы в действительном цикле
- •3.3.2. Работа действительного цикла трд
- •Внутренняя (индикаторная) работа
- •Эффективная работа цикла трд
- •3.3.3. Эффективный кпд трд
- •Зависимость
- •Зависимость ηe от высоты полета н
- •Зависимость ηe от числа м полета
- •3.3.4. Тяговый (полетный) кпд трд Физический смысл тягового кпд
- •Вывод: Любое воздействие, приводящее к уменьшению разницы между cc и V, приводит к росту ηтяг. Зависимость ηтяг от высоты полета н
- •Зависимость
- •3.3.5. Полный (экономический) кпд
- •3.3.6. Энергетический баланс и потери в трд
- •4. Зависимость удельных параметров трд от параметров рабочего процесса. Основы расчета врд
- •4.1.Зависимость
- •4.2. Зависимость
- •4.3. Зависимости Rуд и сR от кпд процессов сжатия и расширения
- •4.4. Понятие о свободной энергии врд
- •4.5. Основы газодинамического расчета трд
- •5. Ракетные двигатели (рд)
- •5.1. Принцип действия и классификация рд по источнику энергии
- •5.2. Создание тяги в химическом рд
- •5.2.1. Принцип создания тяги рд
- •5.2.2. Расходный комплекс рд
- •5.2.3. Тяговый комплекс рд
- •5.2.4. Мощность рд
- •5.2.5. Удельный расход топлива
- •6. Цикл ракетного двигателя жидкого топлива (жрд)
- •6.1. Диаграмма идеального цикла рд
- •6.2. Работа идеального цикла рд
- •Так как работа цикла расходуется на приращение скорости продуктов сгорания, то есть увеличение их кинетической энергии от ск ≈ 0 до сс, то
- •6.3. Коэффициенты полезного действия цикла рд
- •6.3.1. Энергетические кпд
- •6.3.2. Импульсный кпд
- •6.3.3. Полный кпд
- •7. Реактивное сопло
- •7.1. Условия получения дозвуковых и звуковых скоростей в сопле
- •7.2. Условия получения сверхзвуковых скоростей
- •7.3. Режимы работы сужающегося реактивного сопла
- •7.2. Режимы работы
- •7.4. Режимы работы сверхзвукового реактивного сопла
- •7.5. Назначение и выбор типа рс
- •7.5.1. Сверхзвуковое рс
- •8. Статические характеристики ракетного двигателя
- •8.1. Дроссельные характеристики жрд
- •8.1.1. Особенности глубокого
- •8.2. Высотные характеристики рд
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 (рс – рн), 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 |
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.