6.2. Профилирование камеры жидкостного ракетного двигателя

6.2.1. Определение размеров камеры сгорания

Одним из факторов, определяющим полноту сгорания топлива и тем самым влияющим на совершенство камеры сгорания, является время, которое может быть отведено для протекания химических реакций горения. Оно определяется скоростью газа в камере сгорания, используемым для процессов горения объемом камеры сгорания V_к , а также давлением и температурой.

В настоящее время нет способа расчета объема камеры сгорания, учитывающего действительно происходящие в ней физико-химические процессы, поэтому объем камеры сгорания, необходимый для полного сгорания топлива, определяют с использованием экспериментальных данных.

На рис. 6.2 показан график изменения удельного объема продуктов сгорания по времени от начального удельного объема жидкого топлива _T до удельного объема продуктов сгорания _к по окончании процесса горения.

Предположим, что до некоторого времени запаздывания t_зап реакции горения не происходят, а во время t_зап процесс горения протекает мгновенно. При этом, исходя из графика, средний удельный объем продуктов сгорания _ср в момент времени t_зап будет равен _ср=0.5 _к. Средний удельный объем позволяет найти истинное время пребывания топлива и его продуктов сгорания в камере сгорания:

, (6.3)

где – условное время пребывания.

(6.4)

Отсюда можно получить

. (6.5)

Обработка экспериментальных данных для различных топлив (двигателей) показала, что

Определив из термодинамического расчета

(6.7)

можно рассчитать объем камеры сгорания .

С другой стороны

Тогда из (6.5) следует

(6.8)

Преобразуем (6.8)

, (6.9) где - приведенная длина камеры сгорания.

Тогда для объема камеры сгорания получим выражение

. (6.10)

Обработка экспериментальных данных для различных топлив (двигателей) показала, что:

• для топлив HN0₃ + НДМГ, N₂0₄ + НДМГ, 0_2ж + керосин – l_прив = (1,0÷1,5)м; - для топлива О_2ж + Н_2ж - l_прив = (0,5 ÷1,0) м.

Определим размеры камеры сгорания. Для цилиндрической камеры сгорания

(6.11) где

Тогда,

(6.12)

6.2.2. Профилирование сопла

В сопле камеры двигателя происходит расширение и разгон продуктов сгорания (рабочего тела), т.е. преобразование тепловой энергии, получаемой в камере сгорания, в кинетическую энергию движения газов. От качества работы сопла, его массовых характеристик зависят качество и масса всей двигательной установки.

Задача проектирования сопла состоит в определении такого контура сопла, при котором удовлетворялись бы следующие основные требования, предъявляемые к соплам:

1. Сопло должно иметь возможно меньшие потери тяги;

2. Поверхность стенки сопла при заданных , должна быть минимальной, что уменьшает массу сопла и облегчает его охлаждение;

3. Конструкция и технология изготовления сопла должны быть возможно более простыми.

Однако, как часто бывает в технике, указанные требования являются в известной мере противоречивыми и полное удовлетворение одного из них приводит к некоторому ухудшению других свойств сопла. Поэтому при проектировании сопла в зависимости от назначения двигателя принимают то или иное компромиссное решение.

При выполнении эскизного проекта для расчета характеристик двигателя, расчета охлаждения, оценки массы двигателя достаточно знать приближенный контур сопла, размеры которого незначительно отличаются от размеров точного контура, рассчитываемого из газодинамических соображений. В этом случае используют приближенные методы построения контура сопла, которые позволяют достаточно быстро найти оптимальный контур. Один из таких методов (сопло с угловой точкой) приведен ниже (рис.6.3). Радиус скругления дозвуковой части на участке докритического сечения составляет .

На основании анализа семейства контуров оптимальных сопел построены графики зависимостей углов θ_m и θ_a от безразмерной длины сверхзвуковой части сопла и безразмерного радиуса сопла на срезе . Сверхкритическая часть контура на участке АС приближенно аппроксимируется параболой.

Расчеты показали, что замена точного контура параболическим приводит к расхождению радиальных размеров сопла на (1÷3)%. Значение θ_a находится в пределах 10°÷14°. Зная , задаваясь значением θ_a из рис. 6.4 находим значения θ_m и