Файл: Аксентьев С.Т. Сопла ракетных двигателей учеб. пособие.pdf

- 5В -

Гас. 2.12.

§ 2.4. Внешние потери и ах влияние на режим работы сопла

Для оценки качества работы сопла необходимо также уч вать влияние внешних потерь на величину коэффициента тяги ла Кс и тягу двигателя в целом.

К внешним потерям относят потери, связанные с влияние давления окружающей среды на выходную площадь сопла, а так потери от взаимодействия вытекающей из сопла газовой стру внешнием набегающим потоком (донные потери).

Выясним сначала влияние внешних потерь, вызываемых д лением окружающей среды на величину коэффициента тяги соп Характер этого влияния на режим работы идеального с

был рассмотрен в первой главе.

- 59 -

Теперь дадим количественную оценку этих потерь для реа ного сопла. Учитывая потери коэффициента тяги за счет внешне

=i

противодавления KHap 'P ' 5. , запишем выражение для коэффи-

Pn'F-нр

циента тяги реального сопла в виде:

ной струе скачок при определенных условиях может войти в со При этом на стенке сопла произойдет отрыв пограничного слоя, что приведет к значительным потерям величины тяги. Такой реж монет иметь место при работе высотного сопла на испытательн стенде, на уровне моря. Может он иметь место и при работе г сотного ракетного двигателя в условиях плотных слоев атмосф при прохождении их ракетой.

Модель течения, при котором внутри сопла должен наблюд ся отрыв пограничного слоя от стенки при входе скачка внутрь сопла, показана на рис. 2.13 .

Как видно из рис.2.13 ,утолщенкз пограничного слоя на стенке сопла начинается ппи некотором давлении pi < р« в точке, расположенной выше по течению, чем точка отрыва.

- 60 -

Рис. 2.13.

Комом и Беделок [l3 J было получено эмпирическое урав

ние, позволяющее определять давление отрыва <pl потока от

По этому уравнению для различных значений К были построены кривые (рис.2.14), а проведенные эксперименты под твердили удовлетворительное описание характера отрыва урав­ нением (2 . 47) .

Физическая же картина рассматриваемого явления состои в следующем.

Основной поток, который в расширяющейся части сопла является сверхзвуковым, как известно £ l J , можеа? быть затор можен до величин Pi только в системе скачков уплотнения.

- 61 -

kk

OA

0.7

¥

-

о

0,4

a?.

D,I 0 w» 40 60 so iao i2o № tea i&a щю 220 гчо 2во fcjfa

РИС. 2.1*.

Такие скачки (обнчно косые иди близкие по форме к

образуются в точке отрыва пограничного слоя от стенки соп За поверхностью косого скачка образуется застойная зона, к распространяется от стенки к оси сопла на некоторую глуби Эта зона характерна тем, что течение в ней носит ярко в ный турбулентный характер. Давление в застойной зоне плавн

нарастает от величины отрыва p i до давления окружающей

среды рн * По мере удаления от стенки сопла интенсивно

турбулентности ослабевает,и на границе застойной зоны основн

поток, отклоненный косым скачком внутрь сопла, движется о

которой скоростью 1^с'< Щ0* При этом потери в скорости

«определяютсяп . firуглом скачка^/ ^<Х.«SjLjи углом поворота потока 8а s| { г М )

А А . с<Ц°< I

- 63 -

Анализ затих графиков позволяет .сделав несколько'важны

выводов:

1 . На практике оптимальный коэффициент тяги сопла Кс

соответствует расчетному режиму работы сопла рс*ря . Он см

2. Этот оптгмум не соответствует полному расширению газ

всопле*

3.С увеличением потерь в сопле потребная длина сверх­ звуковое части, позволяющая сохранить расчетный режим, ревко возрастает.

Из этих выводов следует,что с точки врения уменьшени

игабаритов сопла без существенного ухудшения его рабочих х

рактеристик можно рекомендовать укороченные по сравнению с оптимальными сопла. Укорочение сопла Также умевьпает опасно отрыва пограничного сдоя от стенки при работе его на режи неглубокого перерасяшрения.

§ 2.5. Взаимодействие,реактивной струи с внешним потоком

В условиях полета в плотных сдоях атмосферы необходимо учитывать сложный эффект взаимодействия между истекающей из сопла струей газа и внешним, обтекающим летательный аппаратвоздушным потоком. Этот эЛхрект взаимодействия состоит в то на границе раздела потоков образуется "вязкий" пограничный с вызывающий торможение реактивной струи.

Помимо этого,большое различие в термодинамических и

" 65 —

Наличие застойных зон за корыой вызывает появление та называемого донного сопротивления.

Под донным сопротивлением, возникающим за срезом соплар понимают силу сопротивления полету, связанную с возникновением застойных зон пониженного давления в кормовой части летатель го аппарата.

Физическая сущность донного сопротивления состоит в то 'но в режиме перерасширения реактивная струя не в состоянии заполнить все располагаемое сечение выходной части сопла. О очень неустойчива и при больших степенях нерасчетное» легко отрывается от стенок сопла.

Величина донного сопротивления может быть определена уравнения;

где d FCTp - кольцевая площадь незаполненного газовой струей выходного сечения сопла.

Уравнение (2.49) и график (рис.2-17)/12 J показывают,что

наличие донного сопротивления приводит к уменьшению тяги дв гателя и одновременно к увеличению лобового сопротивления ле­ тательного аппарата.

На величину донного сопротивления существенное влияние оказывает согласование выходной площади сопла с кормовой частью летательного аппарата.

- 6? - Схеиы а) и б) показывают, что больше углы расширения

сопла ( а ) и крутой скос хвостовой части фюзеляжа (б) при водят к увеличению Донного сопротивления и таким образом у личивают опасность наступления отрыва потока от стенок соп Небольшие утлч расширения (в) н большая донная площад сопла (с) снижают опасность возникновения отрыва потока от

нок сопла.

Схема i d ) иллюстрирует отрыв потока от стенок н вхо

скачка внутрь сопла.

Проведенные исследования показывают, что тщательное со

ласование сопла с обводами кормовой части фюзеляжа позволя снизить донное сопротивление примерно на I5J&,что эквивален уменьшение расхода топлива в камеру двигателя примерно на

2. Режим недорасширевиа

В этом случае взаимодействие между струей и внешним токам сказывается на величине лобового сопротивления летат ного аппарата.

Физическая модель такого взаимодействия имеет следующ вид (рис. 2.19).

Ыедорасширенная газовая струя, выходя из сопла, продол жает двигаться в окружающем пространстве, расширяясь, • свое внешней границей как бы продолжает контуры сопла.

При этом между поверхности) корпуса и внешней границей газовой струи образуется пространственный внутренний тупой угол АСБ.