Цикл жидкостно-реактивного двигателя

Жидкостно-реактивным двигателем (ЖРД) называется двигатель, создающий силу тяги вследствие вытекания из сопла продуктов сгорания жидкого топлива. ЖРД получили широкое распространение как силовые установки самолётов, баллистических снарядов, ракет; применяются также для бурения скважин в твёрдых породах. ЖРД (рис.13.6) состоит из камеры сгорания 3 с соплом 4, окружённых охлаждающей рубашкой, системы подачи топлива 1, в которую входят баки, насосы и агрегаты управления. Рабочие компоненты топлива подаются в камеру сгорания через форсунки 2, перемешиваются там и сгорают. Продукты сгорания расширяются в сопловом канале, при этом часть теплоты, которой они обладают, превращается в кинетическую энергию. Скорость истечения газов увеличивается, а давление падает от давления в камере сгорания до давления окружающей среды (при полном расширении).

Рис.13.6

Равнодействующая от сил давления, приложенных к стенке камеры сгорания и сопла, создаёт силу, направленную в сторону, противоположную истечению – силу тяги двигателя. Сила тяги получается непосредственно, без каких-либо промежуточных устройств, и равна

где  – расход топлива, кг/с;  – скорость в выходном сечении сопла, м/с.

Рассмотрим цикл ЖРД с газогенерацией (рис.13.7), когда рабочее тело турбины, связанной с насосом горючего Г и окислителя О (ТНА), получается в жидкостных газогенераторах. В схеме ЖРД (рис.13.6) роль газогенератора играет охлаждающая рубашка, в которой жидкий водород превращается в газообразный. Генераторный газ после турбины направляется в камеру сгорания.

Рис.13.7.

Работа турбины ТНА  (рис.13.7) равна работе насосов . Пл.2c43 – работа, затраченная на преодоление сопротивления в тракте горючего. Количество теплоты, подводимой к основной камере, складывается из теплоты генераторного газа  и теплоты дожигания , так что .

Процесс горения топлива идёт при постоянном давлении и непрерывном увеличении объёма продуктов сгорания. Следовательно, процесс горения в основной камере можно представить изобарой c-z (рис.13.7). После этого продукты сгорания поступают в реактивное сопло и расширяются до конечного давления (процесс z-e). Отработавшие газы выбрасываются из сопла в окружающую среду, унося с собой заключённую в них теплоту.

При изучении идеального цикла считают, что . Циклы считаются обратимыми, т.к. процесс горения отождествляется с подводом эквивалентного количества теплоты при , а процесс выброса газов в окружающую среду – с отводом эквивалентного количества теплоты от рабочего тела также при . Рабочее тело, участвующее в цикле, рассматривается как идеальный газ с постоянной теплоёмкостью. Диаграмма идеального цикла в координатах v-p представлена на рис.13.7.б. Площадь acze представляет собой работу цикла.

Параметром цикла является степень расширения газа . Термический КПД цикла , где  и . Т.к. в идеальном цикле  и  малы по сравнению с  и , то  и , тогда КПД будет равен

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

Таким образом, термический КПД цикла определяется при полном расширении только степенью расширения и при увеличении последней увеличивается. По мере увеличения степени расширения рост термического КПД замедляется и применение высоких давлений в камере сгорания нецелесообразно, т.к. будет необходимо делать её с более толстыми стенками и, следовательно, утяжелять двигатель.

Б о льшие значения показателя адиабаты  дают б о льший термический КПД. Повышения  можно достигнуть, увеличивая в продуктах сгорания наличие одноатомных или лёгких газов. С другой стороны, термический КПД цикла равен отношению теоретической работы цикла  к подведённому количеству теплоты , тогда

Таким образом, термический КПД можно связать непосредственно со скоростью газа в выходном сечении сопла и, следовательно, с тягой ЖРД при единичном расходе топлива.