§ 10.4. Циклы реактивных двигателей. Жидкостные реактивные двигатели

В реактивных двигателях теплота, полученная в результате сгорания топ­лива, преобразуется в кинетическую энергию газообразных продуктов сгора­ния и используется непосредственно для получения тяги. Поэтому реактив­ные двигатели называются еще двигателями прямой реакции.

По способу осуществления горения топлива реактивные двигатели быва­ют:

1.Двигатели, в которых для горения используется жидкое топливо, запа­сенное на борту летательного аппарата,- жидкостные реактивные дви­гатели (ЖРД).

2.Двигатели, в которых для горения используется атмосферный воздух, -воздушные реактивные двигатели (ВРД).

Топливная для ЖРД служат водород, его соединения с углеродом и др. В качестве окислителя применяются жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота и др.

Принципиальная схема ЖРД и диаграмма в pv -координатах представле­ны на рис. 10.15, 10.16. Принципиальная схема включает: 1,2 - емкости для жидкого топлива и окислителя; 3,4 - питательные насосы; 5 - камера сгора­ния; 6 - сопло.

Цикл в pv - координатах содержит следующие процессы: - - изохорный процесс сжатия топлива в питательных насосах; 2'-3 - изобарный подвод теплоты в камере сгорания; 3-4 - адиабатное расширение газов в сопловом аппарате; 4- - линия, условно замыкающая цикл и соответствующая охла­ждению газов в атмосфере.

Рис. 10.15

Рис. 10.16

Ввиду значительно меньшего объема жидкости по сравнению с объемом продуктов сгорания и практической несжимаемости жидкости процесс сжа­тия -2' можно считать изохорическим, совпадающим с осью ординат, т.е. с линией 1-2.

Линия 4-1 соответствует случаю, когда давление газов на срезе сопла совпадает с давлением окружающей среды.

Полезная работа цикла определяется по формуле

,

где i₃-i₄ - работа адиабатического расширения продуктов сгорания; - работа, затрачиваемая на привод питательных насосов 3,4. Если процесс в насосах считать адиабатическим, то

Подведенная в цикле теплота, равная теплоте сгорания топлива, будет

.

Коэффициент полезного действия цикла определяется по формуле

.

Ввиду малого удельного объема жидкости работой, затрачиваемой на привод питательных насосов (площадь 12 2' ), можно пренебречь. Тогда

.

Преимущества ЖРД: 1) независимость работы от состояния окружающей среды; 2) возможность полетов в безвоздушном пространстве; 3) полная не­зависимость тяги от скорости полета и, следовательно, возрастание мощно­сти с увеличением скорости; 4) простота конструкции и малая удельная масса (масса установки на 1 кг тяги).

Недостатки ЖРД: 1) сравнительно низкий кпд; 2) необходимость иметь запасы не только топлива, но и окислителя.

10.5. Воздушно-реактивные двигатели

В воздушно-реактивных двигателях (ВРД) для сжигания жидкого топлива используется атмосферный воздух. Бывают бескомпрессорные (со сжатием воздуха только за счет скоростного напора воздушного потока) и компрес­сорные ВРД.

Бескомпрессорные ВРД делятся на прямоточные (сгорание топлива при р = const) и пульсирующие (сгорание топлива при ν =const). Летательные аппараты, имеющие бескомпрессорные двигатели, нуждаются в принуди­тельном запуске, так как эти двигатели работают лишь в набегающем потоке воздуха.

Рис. 10.17

В зависимости от скорости движения летательного аппарата бывают две схемы ВРД - для сверхзвуковых и дозвуковых скоростей полета. На рис. 10.17 приведена схема воздушно-реактивного двигателя для сверхзвуковых скоростей полета, а также характер изменения скорости и давления газового потока внутри аппарата. Рассмотрим характер изменения скоростей w и дав­лений р в различных сечениях двигателя.

В сечении I воздух поступает в канал со сверхзвуковой скоростью. Для осуществления его сжатия канал на участке I-II суживается, а на участке II- расширяется. Вследствие этого давление на участке I-III возрастает, а скорость уменьшается до величины, меньшей скорости звука. На участке III-IV расположена камера сгорания, где происходит сгорание топлива с выде­лением теплоты q₁ при постоянном давлении. Скорость на этом участке ос­тается постоянной.

Скорость на выходе из камеры сгорания оказывается меньшей скорости звука. Для ее увеличения канал двигателя сначала суживается (участок IV-V), а затем расширяется (участок V-VI). В сечении V газ имеет скорость, равную скорости звука. На участке V-VI происходит дальнейшее увеличение скорости до сверхзвуковой и падение давления от критического значения до давления окружающей среды.

На рис. 10.18 приведена схема ВРД для дозвуковых скоростей полета, а также характер изменения давления и скорости потока. В данном случае от­сутствует сужающийся участок на входе в канал, так как скорость газа доз­вуковая. На участке III-IV происходит возрастание скорости, однако она не достигает звуковой.

Рис. 10.18.

1 - диффузор, 2 - камера сгорания, 3 - сопло

На рис. 10.19 представлен теоретический цикл прямоточного ВРД в pv -координатах. Рассмотрим процессы цикла. 1-2 - сжатие в диффузоре потока воздуха; 2-3 - изобарный процесс подвода теплоты q₁ в камере сгорания; 3-4 - адиабатическое расширение газов в сопловом аппарате; 4-1 - охлаждение газов в атмосфере.

Рис. 10.19.

Анализируя цикл, изображенный на рис. 10.19, можно заметить, что по конфигурации он совпадает с циклом газотурбинного двигателя со сгоранием топлива при р = const.

Поэтому кпд цикла ВРД будет

,

где - степень увеличения давления воздуха в диффузоре.

Преимущества воздушно-реактивных двигателей состоят в простоте кон­струкции (малая масса) и возможности достижения высоких скоростей поле­та, в 2-3 раза превышающих скорость звука.