О непараллельности истечения газа из сопла ракетной ступени и тяговой харктеристике комбинированого, ракетно - прямоточного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК: 629.7.036.22.001 (024)

М. А. Катренко

О НЕПАРАЛЛЕЛЬНОСТИ ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА ИЗ СОПЛА РАКЕТНОЙ СТУПЕНИ И ТЯГОВОЙ ХАРКТЕРИСТИКЕ КОМБИНИРОВАНОГО, РАКЕТНО - ПРЯМОТОЧНОГО

ДВИГАТЕЛЯ

Изложены результаты теоретических исследований влияния угла непараллельности истечения струи из сопла ступени жидкостного реактивного двигателя на тяговую характеристику ракетно-прямоточного двигателя. Применена классическая, осесиммет-ричная конструктивная схема проточной части.

Общая постановка проблемы и ее связь с научно-практическими задачами

Техническая невозможность выполнения сопла с одномерным течением потока в выходном сечении приводит к тому, что вектор скорости истечения имеет, помимо осевой составляющей еще и радиальную составляющую Шдг, переменную по радиусу, т.е. распределение параметров потока в выходном сечении сопла отличается от принятого в идеальном представлении равномерного распределения, что приводит к потерям удельного импульса жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) из-за рассеяния [1, 2]. Однако для ракетно-прямоточного двигателя (РПД) непараллельность струи обуславливает дополнительную интенсификацию процесса смешения газовых потоков, и как следствие, снижение габаритов и массы конструкции [3, 4].

Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем

Для наиболее распространенных осесимметрич-ных сопел ракетных двигателей вблизи выходного сечения сопла поток в первом приближении может рассматриваться как часть сферически симметричного течения, ограниченная телесным углом 2ра. Схема течения для конического сопла с радиусами критического сечения Rкp и выходного сечения Rа и углом наклона образующей 2ра в приближении сферической симметрии представлена на рис. 1.

Причем по условиям симметрии все параметры потока в точках, лежащих на сферической поверхности одного и того же радиуса, равны по модулю, при этом векторные величины направлены по радиусу сферы. Тогда выражение для внутренней составляющей тяги сопла с учетом непараллельности истечения струи [2]:

В [1] предложена зависимость учета газодинамических потерь в общем случае в виде:

Р £ 1 + 008 Р Р

Р =

|(р- Ж2С082 р + р)#А .

В [1] рассмотрены случаи с уменьшением и увеличением скорости истечения газов от периферии сопла к его центру. В данной работе исследуется случай равномерной эпюры скоростей, причем непараллельность истечения принята одинаковой для всех точек среза сопла, за исключением его оси симметрии.

Цель исследования

Целью теоретического исследования являлось выяснение закономерностей взаимовлияния параметров течения газов, и оптимального значения угла непараллельности истечения струи из ракетной ступени на тяговую характеристику комбинированного двигателя.

п

Рис. 1. Схема течения газа из реактивного сопла

© М. А. Катренко, 2007

- 0т19яяяяяВестникядвигателестроенияя1 1/п007

- 53 -

а

2

Математическая модель

В математической модели [5, 6], были использованы уравнения сохранения в форме Эйлера, адаптированные к осесимметричной модели течения газовой среды. В этом случае, в консервативной форме, система уравнений, описывающая течение невязкого многокомпонентного газа, имеет вид:

дг

1 3 / \ 1 3 + V ^ А + н'пчу / = V ^ А5,

у 1 У 1 V—!

} 1=1

} 1=1

(1)

где у - номер контрольного объема, / - номер грани У-го контрольного объема, Ау - площади граней у-го контрольного объема, Уу - объем у-й ячейки,

р ^ ри ' ру > ' 0 4

ри 2 ри + Р риу Р пх

ру О = руи н , = 2 ру + р 5 , = Р niy

Е (Е + р)и (Е + р)у 0

Р С, р Си V 1 ) , р СУ ) , 0 ,

F =

Для получения замкнутости системы уравнений (1) использовано уравнение состояния идеального газа в виде:

Р = РЕ(Тк -1ркек , к=1

где ек = СукТ - внутренняя энергия единицы массы к - й компоненты смеси.

Полученные результаты и их анализ

Расчетная схема ракетно-прямоточного двигателя, на основе которой проведен численный эксперимент, представлена на рис. 2.

Численное моделирование было выполнено при следующих диапазонах изменений входных данных:

- угол непараллельности истечения газа из сопла изменялся в пределах от 0° до 30°;

- статическое давление на срезе сопла ракетной степени и на выходе из диффузора входного устройства, рассчитывалось в зависимости от числа М полета и изменялось в пределах от 105 до 6 х 105 Па;

- компоненты топлива: керосин + О2, а коэффи-

циент избытка окислителя в камере сгорания принимался постоянным а = 0,9;

- геометрические параметры камеры сгорания ЖРД принимались постоянными.

В качестве тягового параметра двигателя принят коэффициент усиления тяги, который определялся из соотношения:

Ки =-

Р

РПД

Р ЖРД

На рис. 3-5 показаны зависимости коэффициента усиления тяги РПД от угла непараллельности истечения газа из ступени ЖРД.

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления тяги РПД от угла непараллельности истечения газа из ступени ЖРД при Ра (ЖРД) = 105 Па

Рис. 2. Расчетная схема ракетно-прямоточного двигателя

Рис. 4. Зависимость коэффициента усиления тяги РПД от угла непараллельности истечения газа из ступени ЖРД при Ра (ЖРД) = 2 х105 Па

Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления тяги РПД от угла непараллельности истечения газа из ступени ЖРД при Ра (ЖРД) = 6х105 Па

Полученные путем численного моделирования результаты показывают, что для получения максимального прироста тяги необходимо регулировать угол образующей среза сопла.

Аппроксимация результатов позволила получить зависимость для прогноза максимального значения коэффициента усиления тяги в зависимости от угла непараллельности истечения газа из ступени ЖРД, в виде:

Ки = 0,412 + 0,226-р-0,0123-р2 .

Выводы

Проведенные теоретические исследования показали, что непараллельность истечения газа из ступени ЖРД комбинированного двигателя влияет на его тяговые характеристики посредством влияния на процессы смешения потоков газа.

Перечень ссылок

1. АлемасовВ.Е. и др. Теория ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1980.

2. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1968.

3. Борисенко А.И. Газовая динамика двигателей. - М.: Оборонгиз, 1962.

4. Зуев В.С., Макарон В.С. Теория прямоточных и ракетно-прямоточных двигателей. М.: Машиностроение, 1971.

5. Бучарский В.Л., Катренко М.А., Шинкаренко А.А. Некоторые результаты численного моделирования процессов смешения в ракетно-пря-моточных двигателях. // Сб. научных трудов ДНУ " Проблемы высокотемпературной техники". - Днепропетровск.: РВВ ДНУ, 2003. - С. 31-36.

6. Бучарский В.Л, Катренко М.А., Шинкаренко А.А. Особенности численного моделирования процесса смешения в сверхзвукововом газоструйном эжекторе. //Сб. научных трудов ИТМ НАН Украины "Техническая механика". - Днепропетровск. № 1. - 2005. - С. 50-58.

Поступила в редакцию 12.03.2007

Викладено результати теоретичних досл'джень впливу кута непаралельност1 витi-кання струменя i3 сопла рiдинного реактивного двигуна на тягову характеристику ра-кетно-прямоточного двигуна. Застосована класична, вiсесиметрична конструктивна схема проточно!' частини.

Stated are the results of theoretical research influence of an angle of non-parallelism in outflow from the nozzle of stage liquid-propellant engine on a tractive characteristics of rocket-ramjet engine. Classical, axisymmetrical, design scheme of flow part has been used.

- 0219яшВестникя)вигателестроенияя1 1/т007 - 55 -