7 / 14
Термодинамическая оценка топливной эффективности…
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2017. № 5
81
срезе сопла при расширении до заданного давления. Значение этой энтальпии
зависит от характера расширения ПГ в сопле. Если расширение изоэнтропно, то
Н
с
принимает, как известно, минимально возможное значение и, следовательно,
скорость отходящих газов максимальна. При наличии потерь
Н
с
возрастает, и
скорость отходящих газов снижается.
Отличие реального процесса расширения от изоэнтропного процесса учи-
тывалось параметрически с помощью КПД процесса расширения
c
к
c
к
c
,
s
H H H H
где
Н
с
— энтальпия ПГ на срезе сопла при наличии
потерь,
c
s
H
— энтальпия ПГ на срезе сопла при изоэнтропном расширении до
заданного давления. Скорость ПГ с учетом потерь определяется формулой
2
c
к
c
c
= 2
.
k
s
v v
H H
(3)
Таким образом, расчет рабочего процесса в сопле сводится к определению
с
s
Н
при заданном давлении атмосферы и энтропии ПГ в сечении «к» и вычис-
лению
v
c
по формуле (3).
Результаты расчетов.
Все расчеты были выполнены для следующих полетных
условий: высота
H
= 26 км, M
н
= 7, скоростной напор
q
= 75 кПа. В качестве основ-
ного углеводородного горючего в настоящей работе рассматривался керосин Jet-A.
Стандартная энтальпия керосина марки Jet-A
1814кДж/кг,
f
H
массовое cте-
хиометрическое соотношение при горении в смеси с воздухом
K
m
0
= 14,4. Воздух
рассматривался как бинарная смесь N
2
/O
2
c отношением N/O = 3,726. При реше-
нии системы уравнений (2) для чистого керосина учитывались четыре химических
элемента — C, H, N, O. При этом предполагалось, что совокупность газовых моле-
кулярных компонентов ограничивается следующими соединениями: CO, CO
2
,
COOH, HNO, HNO
2
, HNO
3
, H
2
, H
2
O, HO
2
, H
2
O
2
, HCOOH, NH, NH
2
, NH
3
, NO, NO
2
,
NO
3
, N
2
, N
2
O, O
2
, O
3
. Систему (2) решали с помощью комбинации двух глобально
сходящихся квазиньютоновских методов: линейного поиска и доверительной об-
ласти [7], реализованных в программном пакете CHEMIX (ЦИАМ им. П.И. Бара-
нова). Следует отметить, что данные методы схожи с аналогичными методами,
использованными Б.Г. Трусовым в известной программе моделирования химиче-
ских и фазовых равновесий АСТРА [8].
На рис. 3 показаны полученные в расчете дроссельные характеристики ке-
росинового ПВРД в зависимости от КПД процесса расширения при
в
2, 5.
M
Область возможных режимов ограничена слева (
≈ 2) тепловым запиранием
камеры. Из приведенных результатов следует, что при всех КПД процесса рас-
ширения максимум удельного импульса реализуется на режимах, отвечающих
тепловому запиранию КС. Даже при весьма значительных потерях в сопле
удельный импульс превышает 1000 с, что более чем в 2 раза больше удельного
импульса наиболее совершенного кислородно-водородного ЖРД. На рис. 4 по-
казана зависимость от
эффективного КПД, определяемого как отношение тя-
говой мощности к теплоте, выделяющейся при горении топлива.