Камери та сопла рідинних ракетних двигунів. Основні поняття про робочий процес в камері рідинних ракетних двигунів

1. АКАДЕМІЯ СУХОПУТНИХ ВІЙСЬК ІМЕНІ ГЕТЬМАНА ПЕТРА САГАЙДАЧНОГО

КАФЕДРА РАКЕТНИХ ВІЙСЬК і АРТИЛЕРІЇ
Групове заняття з навчальної дисципліни
ˮОснови теорії та конструкція літальних апаратівˮ
ТЕМА
7. Камери та сопла
ракетних двигунів
рідинних
ЗАНЯТТЯ 1. Основні поняття про
робочий процес в камері рідинних
ракетних двигунів.
1

2. Навчальні питання:

1. Осипов Ю.М., Орлов С.В. і Красник Я.В. Ракетні двигуни і палива.
2007.І.
2. Овчінніков В.О., Сай В.М. Онови теорії ракетних двигунів.
Ознайомити тих, хто навчається з основними поняттями про
робочий процес в камері рідинних ракетних двигунів. Прищепити
почуття відповідального ставлення до дисципліни основи теорії
та конструкції літальних апаратів.
1.Форми і розміри камер РРД.
2.Умови протікання, основні особливості та показання
робочого процесу в камері РРД.
2

3. ПЕРШЕ НАВЧАЛЬНЕ ПИТАННЯ

Форми і розміри камер РРД.
3

4. Форми і розміри камер РРД.

Відомі наступні основні
форми камер ракетних
двигунів:
циліндрична (а),
кулеподібна (б),
еліпсоподібна (в),
конічна (г)
4

5. Форми і розміри камер РРД.

Конструктивне виконання камер РРД
повинно забезпечити малу вагу двигуна,
простоту його виготовлення, якісне
протікання робочого процесу і отримання
високих тягових характеристик, а також
надійний запуск і зупинку двигуна,
стійкість процесу горіння та надійне
охолодження стінок.
5

6. Форми і розміри камер РРД.

Кулеподібні (б), або близькі до них еліпсоподібні (в)
камери у порівнянні з рештою мають ряд переваг:
- вони мають меншу поверхню стінки, що спрощує процес
охолодження і зменшує вагу двигуна;
- вони більш міцні, тому мають меншу товщину стінок, що
приводить до зменшення ваги.
6

7. Форми і розміри камер РРД.

Для кулеподібної камери товщина стінки
в ст
ро d к
4 в
Для циліндричної камери товщина стінки
в ст
ро d к
2 в
де:
ро - тиск в камері (кг/см2);
dк – діаметр камери (см);
σв – границя міцності матеріалу (кг/см2).
7

8. Форми і розміри камер РРД.

НЕДОЛІКИ:
- складність, а значить і дороговизна
виготовлення;
- більший, ніж у решти форм, діаметр, що
приводить до збільшення калібру ракети, а
значить і до збільшення опору в польоті;
- незручність пакетування в багатокамерних
двигунах.
Виходячи з вищесказаного, такі камери
знайшли використання в двигунах великих
тяг, так як виграш у вазі двигуна значний.
8

9. Форми і розміри камер РРД.

Найбільшого розповсюдження знайшли
циліндричні камери (а) завдяки їх простоті у
виготовленні, а також зручності пакетування у
багатокамерних двигунах. В цих камерах
легко здійснюється процес сумішоутворення,
однак у порівнянні з кулеподібними камерами
дещо гірше, що приводить до зниження
питомої тяги до 2%.
9

10. Форми і розміри камер РРД.

До недоліків циліндричних камер можна
віднести:
більша товщина стінок, а значить більша
вага;
більша площа поверхні, а значить і
складність охолодження;
менша стійкість до високочастотних
коливань.
10

11. Форми і розміри камер РРД.

Конічні камери (г) інколи застосовувались в перших
РРД. У цих камер сама камера є вхідною частиною
сопла. Основна їх перевага – простота
виготовлення. Однак вони мають цілу низку
недоліків, основними з яких є збільшена неповнота
згорання палива, неповнота перетворення теплової
енергії в роботу розширення, а значить зниження
значень тяги і питомої тяги. Через це такі камери не
мають практичного використання в РРД.
11

12. Форми і розміри камер РРД.

Конічні камери (г) інколи застосовувались в
перших РРД. У цих камер сама камера є вхідною
частиною сопла. Основна їх перевага – простота
виготовлення. Однак вони мають цілу низку
недоліків, основними з яких є збільшена
неповнота
згорання
палива,
неповнота
перетворення
теплової
енергії
в
роботу
розширення, а значить зниження значень тяги і
питомої тяги. Через це такі камери не мають
практичного використання в РРД.
12

13. Форми і розміри камер РРД.

Прямоточна камера (полутеплове сопло).
13

14. Форми і розміри камер РРД.

Геометричні розміри камери РРД суттєво
впливають на його тягові характеристики. Тому
вони визначаються за умови забезпечення
заданої тяги при якомога більших значеннях
питомої тяги, тобто при якомога більшому
використанні енергії, що міститься у паливі.
Загальним геометричним розміром для усіх форм
камер ракетних двигунів є об´єм камери згорання.
Об´ємом камери згорання Vк прийнято рахувати
об´єм камери до критичного січення. Для
визначення об´єму камери згорання користуються
наступними параметрами:
приведена довжина камери згорання Lпр;
приведений час перебування палива і продуктів
згорання в камері τпр.
14

15. Форми і розміри камер РРД.

Приведеною довжиною камери
згорання Lпр називається умовна
величина, що дорівнює
відношенню об´єма камери Vк до
площі критичного січення сопла
Fкр:
Lпр= Vk/ Fкр
,
звідки об´єм камери згорання
Vк=LпрFкр (м3)
Значення Lпр залежать від роду
палива і визначаються
експериментально. Для різних
палив величина Lпр складає 1000
– 5000мм.
Приведений час перебування
палива і продуктів згорання в
камері це умовний мінімально
необхідний час для повного
протікання робочого процесу в
камері. Він визначається за
формулою:
Vк ро
пр
GRоTо
звідки об´єм камери згорання
Vkp
пр
GRоTо
ро
де G – секундна витрата палива;
Ro – газова постійна продуктів
згорання палива;
To,рo – температура і тиск в
камері згорання.
15

16. Форми і розміри камер РРД.

Значення τпр залежить від виду палива і
якості сумішеутворення в камері і не
залежить від тиску і секундної витрати
(так як G/Р0 для камери з постійною Fкр
практично не змінюється). Воно так, як і
Lпр визначається експериментально і
знаходиться в межах τпр=0,0015÷0,005 с.
Приведена довжина камери згорання Lпр
і приведений час перебування τпр є
пропорційними параметрами.
16

17. ДРУГЕ НАВЧАЛЬНЕ ПИТАННЯ

Умови протікання, основні
особливості та показання
робочого процесу в камері РРД.
17

18. Умови протікання, основні особливості та показання робочого процесу в камері РРД.

Робочий
процес в камері РРД – це
процес
перетворення потенціальної
енергії (ентальпії) палива в кінетичну
енергію
продуктів
згорання,
що
відкидаються. Цей процес проходить в
умовах, що значно відрізняються від
умов в інших теплових машинах.
18

19. Умови протікання, основні особливості та показання робочого процесу в камері РРД.

Основні відмінності і особливості:
в камеру РРД обидва компоненти палива вводяться в рідкій
фазі;
початкове регулювання компонентів палива є доволі грубим.
Середній розмір крапель в РРД є на порядок більшим, ніж у
дизельних двигунів;
в камерах РРД за короткий інтервал часу спалюються дуже
великі маси палива, наприклад в РРД 9Д21 секундна витрата
палива G = 58 кг/с (КАМАЗ – 38 л, Урал – 42 л, 2С3 – 165 л на
100 км);
параметри робочого процесу в камерах РРД дуже високі: тиск
р0 = 50 – 100 кг/см2, температура Т0 = 3000 – 4700оС.
Наприклад тиск в камері РРД ракети 8К14 9Д21 р0 = 69,4
км/см2 (КАМАЗ – 2,5 кг/см2, танковий двигун
5 – 12 кг/см2, температура 2500оС).
камери РРД характеризуються дуже високою
теплонапруженістю
19

20. Умови протікання, основні особливості та показання робочого процесу в камері РРД.

Основні відмінності і особливості:
що в сотні разів перевищує теплонапруженість інших двигунів
(внутрішнього згорання, повітряно – реактивних і т.п.);
внаслідок високих параметрів робочого процесу хімічні реакції
між компонентами палива здійснюються за дуже малі проміжкі
часу, тому в камерах РРД основна роль належить фізичним
явищам підготовки рідин і горіння їх парів;
горіння палива і течія продуктів згорання по соплу
супроводжуються інтенсивною передачею тепла стінкам
камери. Питомі теплові потоки стінкам камери сягають
величезних значень ккал/м2·год, при цьому поперечний
градієнт температури в стальній стінці може складати 500 –
600о С на 1 мм. У зв’язку з цим важно забезпечити
термостійкість стінок камери і належне її охолодження. Тому
робочий процес в камері РРД часто організовують з надмірною
втратою питомої тяги.
20

21. Умови протікання, основні особливості та показання робочого процесу в камері РРД.

Основні відмінності і особливості:
що в сотні разів перевищує теплонапруженість інших двигунів
(внутрішнього згорання, повітряно – реактивних і т.п.);
внаслідок високих параметрів робочого процесу хімічні реакції
між компонентами палива здійснюються за дуже малі проміжкі
часу, тому в камерах РРД основна роль належить фізичним
явищам підготовки рідин і горіння їх парів;
горіння палива і течія продуктів згорання по соплу
супроводжуються інтенсивною передачею тепла стінкам
камери. Питомі теплові потоки стінкам камери сягають
величезних значень ккал/м2·год, при цьому поперечний
градієнт температури в стальній стінці може складати 500 –
600о С на 1 мм. У зв’язку з цим важно забезпечити
термостійкість стінок камери і належне її охолодження. Тому
робочий процес в камері РРД часто організовують з надмірною
втратою питомої тяги.
21

22. Умови протікання, основні особливості та показання робочого процесу в камері РРД.

Показники робочого процесу в камері РРД:
1. Температура продуктів згорання, Т,˚ К.
2. Тиск продуктів згорання в камері, р0, кг/см2.
3. Коефіцієнт співвідношення між компонентами
палива
4. Витратонапруженість поперечного січення
камери GF
5. Ступінь розширення продуктів згорання в
камері двигуна δк
6. Теплонапружність Qv
7. Час перебування палива в камері згорання.
22

23.

1. Вивчити основні поняття про робочий
процес в камері рідинних ракетних
двигунів.
1. Осипов Ю.М., Орлов С.В. і Красник Я.В.
Ракетні двигуни і палива. 2007.І. с 67-89
2. Овчінніков В.О., Сай В.М. Онови теорії
ракетних двигунів. С.84-98
23