книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

Энтальпия продуктов сгорания зависит как от температуры, так и от состава их; состав же продуктов сгорания в свою очередь зависит от температуры. Для веществ, состоящих из элементов Н, С, N и О, исключение составляют продукты сгорания при низких температурах, если а > 1 ; в этом случае температура не влияет на состав продуктов сгорания.

В общем случае определение температуры сгорания следует . вести одновременно с расчетом состава продуктов сгорания в ка­ мере. Последовательность расчета состава и температуры продук­ тов сгорания следующая. Исходными данными для расчета явля­ ются давление р к* в камере сгорания и химический состав топли­ ва. Зная состав топлива, определяют его элементарный состав и энтальпию /о при начальной температуре. Далее задаются тремя значениями температур ( Т / , Tz" н Т г'") продуктов сгорания и для каждой температуры производят определение состава про­ дуктов сгорания. Зная состав продуктов сгорания, определяют их энтальпию для трех выбранных значений температур Г, I" и V" и строят график зависимости / от температуры'(фиг. 8.3).

Пользуясь соотношением (8.31) и графиком фиг. 8.3, нетруд­ но найти Tz i Для определения состава продуктов сгорания при найденном значении температуры нет необходимости производить вновь решение системы уравнений, описывающей состав продук­ тов сгорания, поскольку он может быть найден графической ин­ терполяцией. Таким же образом найти средний (кажущийся) мо­ лекулярный вес газов в камере сгорания р.к и газовую постоян­ ную (фиг. 8.4).

Определение состава и температуры продуктов сгорания в об­ щем случае связано с решением системы из десяти и более урав­ нений, что представляет собой довольно трудоемкий процесс. Ис­ пользование электронных вычислительных машин для этих целей существенно упрощает задачу.

201

§ 8.9. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА

здесь 5К и 5С — энтропия газа в конце камеры сгорания и в вы­ ходном сечении сопла.

Уравнение (8.36) является исходным для расчета.

Для расчета изоэнтропического процесса в сопле необходимо

2 0 2

203

Для определения площади сечения в произвольном месте по длине сопла необходимо знание р и Т вдоль сопла. Точное опреде­ ление этих величин возможно по изложенной выше методике. За­ дача облегчается, если заменить действительный процесс расши­ рения газов в сопле адиабатой, имеющей средний постоянный по­ казатель, хотя решение в этом случае получается приближенным. Для этой цели можно воспользоваться известным уравнением для определения среднего показателя k:

Средний показатель изоэнтропического процесса, идущего с изменением состава и теплоемкости газов, меньше показателя адиабаты с постоянными составом и теплоемкостью газов. Это ес­ тественно, так как процесс равновесного расширения продуктов сгорания вследствие рекомбинации сопровождается превращени­ ем химической энергии в тепловую, что эквивалентно подводу те­

расчета.

Перейдем к определению действительных величин реального процесса течения.

Скорость истечения и удельная тяга на расчетном режиме со­ шла согласно вышеуказанному найдутся так:

Р у , = ?С фк Р у , ид-

Средний показатель действительного процесса должен отли­ чаться от среднего показателя изоэнтропы k вследствие влияния гидравлических потерь, теплообмена со стенками и неоднородно­ сти состава по сечению потока. Однако практически это влияние до сих пор уловить не удалось. Отдельные из указанных факто­ ров влияют в разную сторону на величину показателя процесса (например, теплоотдача в стенки и гидравлические потери). По­ этому при определении геометрических размеров будем считать, что показатель действительного процесса равен среднему пока­ зателю изоэнтропы k.

.204

Температура газа в выходном сечении будет равна:

§ 8.10). Используя эти значения показателя к, можно произве­

продуктов сгорания объем расчетов значительно сокращается. Од­ нако необходимо иметь заранее подготовленную диаграмму для данного топлива, с вполне определенным составом, т. е. опреде­ ленным коэффициентом избытка окислителя. Это предполагает проведение серии предварительных расчетов, целесообразность которых может быть оправдана лишь для стандартных топлив. Одна из таких диаграмм приведена в приложении. На I—5-диа­ граммах наносят изобары, изохоры,- изотермы и другие кривые. Максимальное значение энтальпии ограничено ее значением для исходных веществ и представляет собой исходную энтальпию то­

плива /о- Если давление в камере А ,* известно (фиг. 8 .6 ), то исходная

точка k, соответствующая Состоянию продуктов сгорания в камере-

205

удельный объем. Линия к—с будет графическим изображением процесса изоэнтропического течения; точка с находится на изоба­ ре р с, соответствующей давлению на срезе сопла. В точке с мож­

Ф и г. 8.6. К использованию / —S -диаграммы

Проходные сечения на выходе из сопла и по его длине опре­ деляются из уравнения расхода или с помощью построения вспо­ могательных линий постоянной удельной плотности тока яг/у или

Пользуясь линиями w у= const или а?уд=-const, можно опре­ делить также критическое сечение сопла (точка «кр») и парамет­ ры состояния газа в нем. В критическом сечении плотность то­ ка w у достигает максимального значения, a dyl — минимально-

.го; поэтому кривые dyll = const будут касаться изоэнтропы к ^ с в точке «кр» (фиг. 8.6).

§8.10. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ИСТЕЧЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ

На фиг. 8.7 — 8.16 и в табл. 8.6 представлены результаты тер. модинамических расчетов для ряда ракетных топлив.

На фиг. 8.7 и 8.8 представлены результаты расчета состава продуктов сгорания для двух жидких топлив раздельной подачи.

206

Видно, что с уменьшением коэффициента избытка окислителя уменьшаются доля продуктов полного окисления (из-за недостат­ ка кислорода) и доля продуктов диссоциации. Уменьшение доли продуктов диссоциации объясняется, с одной стороны, уменьше­ нием температуры сгорания ввиду понижения теплотворности топлива, а с другой стороны, — увеличением доли продуктов не­ полного окисления; последние диссоциируют в меньшей степени, чем продукты полного окисления. Рост давления несколько уменьшает долю продуктов диссоциации.

На фиг. 8.9 — 8.15 показаны зависимости Р удид, Тг, р.к и- k от коэффициента избытка окислителя и давления в камере для некоторых жидких топлив раздельной подачи. При отсутствии диссоциации максимум*температуры Тz должен совпадать с мак­

которое смещение максимального Значения температуры в сторо­ ну богатых смесей (фиг. 8.10—8.12) объясняется понижением степени диссоциации и, следовательно, уменьшением доли тепла, идущей на диссоциацию при уменьшении коэффициента избытка окислителя.

207

PyJ.tffl. « г е # / м

= Рн — ' a-та. Окислитель — R0% HsOs; горючее — 50% N2 H4 H.O +

+ 50% СНзОН

h

28

?Ч

20

10

Фиг. 8.10. Зависимость Т2, РуДШ1, рк и А от а при

рк* = 40 ата и рс = /> я = 1 ата.

Окислитель — HNOs; горючее — керосин .

керосин

«

Як

Окислитель — жидкий кислород; горючее — несимметричный диметилгидразид

Увеличение давления несколько повышает температуру вслед­

нением состава продуктов сгорания. С уменьшением а растет до-

.ля более легких продуктов неполного окисления, вследствие чего

меняются состав и температура продуктов сгорания. С уменьше­ нием й (при й < 1) уменьшается температура, а следовательно, и степень диссоциации, что ведет к уменьшению теплоемкости и поэтому к увеличению показателя k. Уменьшение коэффициента избытка окислителя приводит к росту доли газов с' Меньшим чис­ лом атомов, что также способствует увеличению k. С ростом дав­ ления в камере величина k несколько растет ввиду уменьшения степени диссоциации. При данном/?к*с увеличением степени пони-

жения давления в сопле —51— (т. е. с уменьшением рс) величи­ не

на k также несколько растет, так как при этом уменьшается вли­ яние диссоциации на процесс расширения газа в сопле.

Изменение удельной тяги (или, что то же, скорости истече­ ния) с изменением а определяется влиянием коэффициента из­

2 1 0