Геометрические размеры и форма сопла.

Продукты сгорания, образовавшиеся в камере двигателя, поступают в сопло, где происходит превращение тепловой энергии в кинетическую энергию движения газов.

Состояние продуктов сгорания, как и всякого газа, характеризуется вполне определёнными физическими величинами (параметрами), главные из которых:

абсолютное давление Р, абсолютная температура Т, плотность ρ (удельный вес γ или удельный объём υ ), газовая постоянная R и скорость истечения W.

Для идеальных газов или их смесей установлена связь между основными параметрами в виде уравнения состояния: (1)

Процесс в камере двигателя происходит без подвода тепла к газу и отвода его от газа. Такой процесс называется адиабатическим. Для адиабатического процесса между параметрами существует связь, выражающаяся зависимостями:

, . (2)

Газ из камеры поступает в сопло. Из уравнения энергии установлено, что зависимость между скоростью газа и сечением канала выражается уравнением , (3)

где М=W/a (a – скорость звука).

Свойства газового потока зависят от скорости звука. При адиабатическом процессе скорость звука определяется по формуле . Сечение, где скорость газа равна скорости звука, называют критическим и все параметры потока называют также критическими. Равенство двух скоростей можно получить только при определённом соотношении давления в камере и на срезе сопла: . Это соотношение является исходным параметром при проектировании сопла и связано с соотношением S_a/S_кр, которое называют уширением сопла.

Сверхзвуковые скорости продуктов сгорания можно получить при помощи сопла Лаваля (сверхзвуковое сопло), представляющего собой канал, сечение которого сначала уменьшается, а затем увеличивается (см. формулу сопла – уравнение (3))

Как следует из формул (1,2,3)параметры газового потока по длине сопла изменяются следующим образом рис.14.

Размеры и форма сопла выбираются так, чтобы сопло не давало больших потерь энергии. Поверхность его должна быть наименьшей, так как с увеличением поверхности возрастают вес сопла и количество тепла, отдаваемого в охлаждающую жидкость. Избежать потерь энергии при движении газа по соплу невозможно, но снизить их можно.

Одна из потерь – потери на трение. Они зависят от формы входной части сопла. Для уменьшения этих потерь вход в сопло делают плавным, а в критическом сечении сопло округляют (радиус округления обычно принимается r = d_кр).

В выходной части сопла потери энергии возможны из-за отрыва потока от стенки и за счёт трения газа о поверхность. При F_a=const и F_кр=const уменьшить поверхность сопла можно уменьшая его длину или увеличивая угол раствора выходного конуса. Однако увеличение угла раствора выходного конуса возможно до некоторого критического значения, при котором может произойти отрыв потока, Существует оптимальное значение угла раствора - 2α ≈ 20^о…30^о.

Кроме перечисленных потерь в конических соплах есть потери на рассеивание скорости: скорость газа на выходе из сопла направлена под углом к оси и поэтому в создании тяги участвует лишь осевая составляющая скорости. Чем больше угол раствора сопла, тем больше потери на рассеивание, а уменьшение угла удлиняет сопло, т.е. увеличивает потери на трение. Уменьшают потери на рассеивание профилированием сопла, которое может быть газодинамическим (идеальное) и оптимальное. При газодинамическом профилировании форма выходной части подбирается так, чтобы газы истекали пучком параллельным оси сопла. Достигается это плавным уменьшением угла раствора сопла по длине так, чтобы на входе он был равен нулю или очень мал. Длина идеально спрофилированного сопла по сравнению с коническим соплом увеличивается в 1,5 раза, однако удельная тяга возрастает на 4,5%.

На практике нашли применение оптимальные сопла, обеспечивающие наибольшую тягу двигателя при определённых условиях - длине, массе, F_a/F_кр. При этом выходная часть сопла выполняется с углами раствора 2α₁ и 2α₂, а линия перехода между ними строится по параболе см. рис. 15.

При наружном охлаждении (рис. 16) охлаждающая жидкость поступает в коллектор, а из него в зарубашечное пространство. В качестве охлаждающей жидкости выбирается компонент, способный поглотить большее количество тепла, т.е. имеющий большую теплоёмкость и высокую температуру кипения.

При внутреннем охлаждении создаётся пристеночный слой с более низкой температурой, снижающий тепловые потоки к стенке камеры. Например, горючее можно подать через специальные кольцевые пояса, имеющие струйные или щелевые форсунки. Жидкость под действием газового потока растекается тонким слоем по поверхности и испаряется. в результате возникают два защитных слоя: жидкая и паровая завесы.

Разновидностью внутреннего охлаждения является пористое охлаждение: через поры жидкость попадает в камеру, создавая паровую завесу.

Недостатком внутреннего охлаждения является снижение удельного импульса двигателя из-за неполного участия горючего в процессе сгорания.

Смешанное охлаждение – комбинация двух видов охлаждения.

Так как тяга – это осевая равнодействующая сил внешнего и внутреннего давления, распределённого по внутренней поверхности камеры и внешней поверхности ракеты, то из рисунка 17 видно, что отклонение от расчётного режима приводит к уменьшению тяги и удельного импульса двигателя. В случае недорасширения (рис.17, А) давление в струе сравняется с Р_h только в сечении 1-1 и на участке от среза сопла до 1-1 энергия струи потеряна. Поэтому величина удельного импульса двигателя в этом случае будет ниже, чем на расчётном режиме.

В режиме перерасширения от сечения 2-2 до среза сопла осевая результирующая сила будет направлена против силы тяги.

Таким образом, становится очевидным, что оптимальным режимом работы сопла при неизменном расходе топлива является расчётный режим. На расчётном режиме двигатель будет иметь максимальный удельный импульс.

Недорасширение давления в газовом потоке возникает при подъёме ракеты на высоту. Газ, вытекающий из сопла при избыточном давлении, расширяется в атмосфере и перемешивается с внешней средой. При этом скорость потока при расширении вне сопла практически не увеличивается из-за образования завихрений на границах струи.

При перерасширении (перерасширение может возникнуть, например, при уменьшении расхода топлива в двигателе и соответствующем снижении давления в камере сгорания) за пределами сопла происходит торможение потока и уменьшение скорости до дозвуковой. Переход к дозвуковой скорости сопровождается скачкообразным увеличением давления. По мере роста внешнего давления скачки давления приближаются к срезу сопла и при достаточно большом избыточном давлении в атмосфере (по некоторым данным Р_h/ P_a > 2.5…5,5) входят внутрь сопла.

В этом случае нарушается нормальный режим работы сопла, так как образование скачков внутри сопла приводит к отрыву потока от стенок, возникновению мощных завихрений и большим потерям кинетической энергии.