Цикл жидкостно-реактивного двигателя

Жидкостно-реактивным двигателем (ЖРД) называется двигатель, создающий силу тяги вследствие вытекания из сопла продуктов сгорания жидкого топлива. ЖРД получили в настоящее время широкое распространение как силовые установки самолетов, баллистических снарядов, ракет. Они применяются также для бурения скважин, в твердых породах.

ЖРД, схема которого приведена на рисунке 12.6, состоит из камеры сгорания 1с соплом 2, системы подачи топлива 3, в которую входят баки, насосы, агрегаты управления.

Рабочие компоненты топлива – горючее и окислитель, подаются в камеру сгорания через форсунки 4, перемешиваются там и сгорают.

Продукты сгорания расширяются в сопловом канале. При этом часть теплоты, которой они обладают, превращается в кинетическую энергию вытекающей среды.

Скорость истечения газов увеличивается, а давление падает от давления в камере сгорания до давления окружающей среды (при полном расширении).

Равнодействующая от сил давления, приложенных к стенке камеры сгорания и сопла, создает силу, направленную в сторону, противоположную истечению,– силу тяги двигателя.

Сила тяги получается непосредственно без каких-либо промежуточных устройств. Она равна

, (12.4)

где G ─ расход топлива, кг/сек; ω ─ скорость в выходном сечении сопла.

Процессы, происходящие в ЖРД, сводятся к следующему: топливо, состоящее из горючего и окислителя, насосом (или под давлением сжатого газа) подается в камеру сгорания. При этом давление топлива в насосе возрастает от р_а до р_с. В р-v – диаграмме (рисунок 12.7) этот процесс изобразится прямой, параллельной оси р. Объем, занимаемый топливом, откладывается по оси абсцисс, вправо от начала координат.

Процесс горения топлива идет при постоянном давлении и непрерывном увеличении объема продуктов сгорания. Следовательно, процесс горения можно представить себе изобарой с-z. После этого продукты сгорания поступают в реактивное сопло и расширяются до конечного давления (процесс z-е). Отработавшие газы выбрасываются из сопла в окружающую среду, унося с собой заключенную в них теплоту.

При изучении идеального цикла пренебрегают объемом жидкого топлива по сравнению с объемом газов. Циклы считают обратимыми, так как процесс горения отождествляется с подводом эквивалентного количества теплоты при р = const, а процесс выброса газов в окружающую среду – с отводом эквивалентного количества теплоты от рабочего тела также при р = const. Рабочее тело, участвующее в цикле, рассматривается как идеальный газ с постоянной теплоемкостью.

На рисунке 12.8 представлена р-v диаграмма идеального цикла ЖРД.

Пл. acze представляет собой работу цикла.

Параметрами цикла является степень расширения газа .

Термический КПД цикла ,

где и .

Так как в идеальном цикле Т_аи Т_смалы по сравнению сТ_zиТ_е, то

и ,

и .

Если расширение газа в идеальном цикле осуществляется по адиабате, то, произведя замену

,

найдем . (12.5)

Таким образом, термический КПД цикла ЖРД определяется при полном расширении только степенью расширения и при увеличении последней увеличивается (рисунок 12.9).

Из графика видно, что по мере увеличения степени расширения рост замедляется и применение высоких давлений в камере сгорания нецелесообразно, так как необходимо будет делать ее с более толстыми стенками, следовательно, и утяжелять.

Большие значения k дают больший термический КПД. Повышения kможно достигнуть, увеличив в продуктах сгорания наличие одноатомных или легких газов.