Файл: Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие.pdf

оборотах ротора вентилятора снижается расход воздуха и сте­ пень повышения давления. При полном перекрытии лопатками направляющего аппарата сечения канала второй контур двига­ теля выключается из работы.

Таким образом, в составе системы управления может быть пять замкнутых регуляторов. Система управления оказывается весьма сложной. Поэтому часто отказываются от регулирования

Р0 Т0 со

Ро То с0

Рис. 8.5. Возможная принципиальная схема управления ДТРДФ с ре­ гуляторами расхода основного и форсажного топлив: ТЫ — топливный насос, ТНФ — топливный насос, форсажный.

параметров я* и у. В таком случае отмеченные параметры ме­ няются в соответствии с изменением п и Т'*\, а также скорости

с0 и высоты Н полета. Кроме того, в целях упрощения системы управления некоторые регуляторы выполняются по разомкнутой схеме. Одна из возможных простейших схем управления ДТРД с форсажной камерой во втором контуре представляется систе­ мой с регуляторами расхода основного и форсажного топлива (рис. 8.5).

, Для ДТРД могут быть приняты различные программы регу­ лирования: на максимальную тягу, на наивысшую экономич­ ность, на полное подобие режимов работы турбокомпрессора и другие. Каждая из программ требует поддержания таких режи­ мов работы двигателя, при которых соблюдается выполнение

98

определенных условий. Например, программа регулирования на максимальную тягу одновального двигателя с форсажными ка­ мерами в контурах требует, чтобы на всех скоростях и высотах полета соблюдались следующие условия: n = n ma7i —const, Г* =

Гф2= const.

Заданная программа регулирования не всегда может быть осуществлена в полном объеме в связи с тем, что у двигателя могут отсутствовать некоторые необходимые регулирующие ор­ ганы и регуляторы в системе управления. В таком случае про­ грамма регулирования с той или иной точностью приближается

кзаданной лишь при определенных условиях полета.

§5. Характеристики двигателя

1.Дроссельная характеристика геометрически неизменяемого одновального ДТРД (рис. 8.6) напоминает дроссельную характе­ ристику ТРД, но с тем отличием, что при дросселировании тяга ДТРД снижается в более медленном темпе, чем у ТРД, а удель­ ный расход топлива возрастает быстрее, причем минимум рас­ хода отвечает значению максимальной тяги.

Степень двухкоитурности у увеличивается при снижении чи­ сла оборотов (рис. 8.7). Это объясняется тем, что при дроссели­

ровании степень повышения давления л* в первом контуре, Имея большее значение, чем во втором я* ,, снижается сильнее, чем л*,. Степень расширения газа 6* на турбине ДТРД выше,

а на реактивном сопле 6рсменьше, чем у ТРД. Поэтому при дросселировании двигателя, когда уменьшается л*£, степень

расширения газа на турбине ДТРД снижается быстрее, чем у ТРД. Так как при этом одновременно возрастает у, то равно­ весные режимы турбокомпрессора имеют место при температуре Т*± газа, более высокой, чем у ТРД. Таким образом, у ДТРД

по сравнению с ТРД при дросселировании оказывается более высокая температура газа Г*4 перед турбиной и менее интенсив­

ное падение расхода воздуха. Это и обусловливает отмеченную закономерность изменения тяги и удельного расхода топлива ДТРД по сравнению с ТРД.

2. Скоростная характеристика одновального нефорсирован- ' ного ДТРД при программе регулирования л = const и Т* =const

(рис. 8.8) показывает снижение тяги и увеличение удельного рас­ хода топлива с ростом скорости при неизменной высоте полета. Это объясняется тем, что с ростом скорости полета, несмотря на увеличение рахода воздуха через контуры (при увеличении сте­ пени двухкоитурности у), снижается удельная тяга контуров,

100

Глава IX

ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 1. Устройство и принцип действия двигателя

Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) имеет (рис. 9.1) ка­ меру сгорания 1, сверхзвуковое реактивное сопло 2, головку 3,

вкоторой располагаются форсунки 4, и рубашку охлаждения 5.

Внастоящее время для жидкостных ракетных двигателей широко

применяется двухкомпонентное топливо (окислитель-)-горючее)

с раздельной подачей компонентов в камеру сгорания. Струйные или центробежные форсунки окислителя и горючего располага­ ются в шахматном или сотовом порядке, что обеспечивает в про­ цессе распыления получение тесной однородной горючей смеси. Воспламенение образовавшейся горючей смеси происходит либо за счет введения в камеру сгорания самовоспламеняющегося компонента топлива, либо от электрической свечи, от пирозапала или от другого воспламеняющего устройства. После сгорания первых порций топлива при неизменной подаче возникает ста­ ционарный режим работы — в единицу времени через реактив­ ное сопло отбрасывается в окружающую среду такое количество продуктов сгорания, какое образуется при сгорании топлива. Поэтому в камере сгорания устанавливается определенное по­ стоянное давление рк (рис. 9.1). Величина этого давления опре­ деляется только расходом топлива, что следует из уравнения (5.6)

РкГкр

тЛ— т- '-кр

102

В зависимости от назначения двигателя давление в камере сгорания может иметь различную величину, но нередко состав­ ляет 25—80 дан/см2. Это объясняется тем, что, во-первых, интен­ сивный рост удельной тяги наблюдается при повышении давле­ ния примерно до 80 дан/см2, после которого темп р<?ста удельной тяги замедляется, и, во-вторых, при более высоких давлениях увеличивается вес камеры сгорания и обслуживающих систем.

Не вся химическая энергия, которая может быть выделена при сжигании топлива, расходуется на повышение энтальпии продуктов сгорания, так как имеет место неполнота горения, дис­ социация продуктов сгорания и излучение. Поэтому полная эн­ тальпия1 /І( продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания

где /о — полная энтальпия продуктов сгорания, охлажденных до 293° К; hu — теплотворность топлива; £ = 0,924-0,98 — коэффици­ ент выделения тепла.

Несмотря на потери химической энергии, теплонапряженность камер сгорания существующих Ж РД высока и составляет <7кс =

= (5004-800) -ІО6 м3ч ат .

Уравнение (9.1) позволяет определить температуру Тк про­ дуктов сгорания на выходе из камеры сгорания. Решение задачи усложняется влиянием температуры на теплоемкость ср продук­ тов сгорания, состав которых изменяется вследствие термической диссоциации, зависящей от давления и температуры.

Наивысшая температура Т1{ в камере сгорания при отсутствии диссоциации продуктов сгорания имеет место при коэффициенте избытка окислителя а=1,0 (рис. 9.2). Возникновение диссоциа­ ции приводит к снижению температуры Гк продуктов сгорания и увеличению газовой постоянной Ru- При понижёнии давления рк в камере сгорания усиливается диссоциация, в связи с чем тем­ пература Tu продуктов сгорания снижается, а величина газовой постоянной RKувеличивается, причем максимум температуры Тк смещается в сторону более богатых смесей (а<1,0). При изме­ нении давления рк в камере сгорания произведение RKTK изме­ няется незначительно в связи с отмеченным характером измене­ ния Ru и Tu. Температура продуктов сгорания на выходе из ка­ меры сгорания может доходить до 3500—4500° К. Продукты сго­ рания, обладая высокой потенциальной энергией, направляются в реактивное сопло. В реактивном сопле происходит преобразо­ вание потенциальной энергии потока в кинетическую (снижается температура и давление газа, увеличивается скорость течения

1 Под полной энтальпией I понимается количество тепла, которое необхо­ димо для получения 1 кг вещества в данном состоянии из исходных элементов, взятых при начальной температуре 293° К.

103

газа). У современных двигателей скорость истечения газа из со­ пла доходит до 2500—3000 м/сек и выше.

В результате ускорения отбрасываемых масс газа возникает реактивная сила, которая приложена непосредственно к двига­ телю. ,

Камера сгорания и реактивное сопло охлаждаются во избежа­ ние разрушения конструкции под действием высокой темпера­ туры и давления. Наружное охлаждение камеры сгорания и ре­ активного сопла осуществляется, одним из компонентов топлива, который протекает по рубашке охлаждения перед поступлением

в стенке на внутреннюю поверхность камеры. Пленка жидкого компонента на поверхности стенки, а по мере ее испарения паро­ вая завеса изолируют внутреннюю поверхность камеры и сопла от горячих газов.

Двигатели с небольшой продолжительностью работы могут выполняться без специального охлаждения. В таком случае ка­ мера сгорания и реактивное сопло имеют более толстые стенки, что обусловливает повышенную тепловую инерцию.

§2. Системы питания

Всистему питания двигателя включаются баки, где на ракете хранятся компоненты топлива и устройства, обеспечивающие по­ дачу компонентов топлива в камеру сгорания. Различают два вида систем питания жидкостных ракетных двигателей: вытесни­ тельную и насосную. Вытеснительная система питания (рис. 9.3)

104