Определение влияния соотношения компонентов на энергетические характеристики

 

Цель работы: изучение процессов в рабочих телах энергетических установок, влияния основных параметров на характеристики процесса.

Двигатель (ракета)	Топливо	Соотношение компонентов	Давление Pk	Тяга	Удельный импульс
РД-583	Жидкий кислород + Керосин		7,8 МПа (расш. 189)	71 кН (пуст.)	361 с (пуст.)

 

Определим эквивалентные формулы компонентов топлива и запишем их энтальпии.

Окислитель: жидкий кислород (О₂) - 100%; g _О2 = 1

Горючее: керосин С – 85,9 % g _С = 0,85

Н – 14,1 %     g _Н = 0,141

 

Эквивалентная молярная масса μ_Э = 1000 (г/моль).

Молярные массы компонентов:

μ_С = 12,011 (г/моль);

μ_Н = 1,008 (г/моль);

μ_О2 = 2 ^.15,999=31,998 (г/моль).

Окислитель (O₂):

Эквивалентное число атомов компонента:

b_O =1000 ^. 2 / 31,998 = 62,5

 

Эквивалентная формула: O _62,5

Энтальпия: I = - 398,3 кДж/кг.

Горючее (керосин):

Эквивалентное число атомов компонентов:

b_C = 1000 ^. 0,859 / 12,011 = 71,51778

b_H = 1000 ^. 0,141 / 1,008 = 139,8809

 

Эквивалентная формула: C _71,51778 H _139,8809

Энтальпия: I = - 1948 кДж/кг.

С помощью программы ТЕРМОДИНАМИКА.ЕХЕ определим коэффициент адиабаты при замороженном течении для диапазона значений коэффициента избытка окислителя  при давлении в камере .

Затем из газодинамических функций при известном коэффициенте геометрического расширения  находим степень повышения давления  по которой определяем значение давления на срезе сопла .

Далее снова проводим термодинамический расчет при расширении до давления и определяем скорость истечения продуктов сгорания на срезе сопла.

 

Исходные данные для проведения расчета:

[Common]   Pk = 7.8 Alfa = 0.5 … 1.5

[Fuel]   Intalpia=-1948 C=71.51778 H=139.8809

[Oxydizer]   Intalpia=-398.3 O=62,5

 

Результаты расчетов приведены в Приложении 1

Для  

С помощью программы SETKA.EXE построим график зависимости скорости истечения газов на срезе сопла W_a от коэффициента избытка окислителя α.

 

Рис. 2. Зависимость Wa от alfa

 

Запишем сводную таблицу значений α и W_a:

Номер расчета	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
α	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
Wa , м/с	2976,86	3153,11	3238,32	3256,53	3205,75	3152,73	3099,54	3048,52	2999,77	2952,83	2907,14

 

Из записанной таблицы видно, что максимум скорости истечения продуктов сгорания на срезе сопла наблюдается при

Для получения более полной картины влияния соотношения компонентов на энергетические характеристики построим с помощью программы ТЕРМОДИНАМИКА.ЕХЕ графики, показывающие влияние коэффициента избытка окислителя на температуру (рисунок 3) и на молярный вес (рисунок 4):

 

Рис. 3. Зависимость температуры от alfa

Рис. 4. Зависимость молярной массы от alfa

 

Заключение

 

В ходе курсовой работы были изучены процессы в рабочем теле энергетической установки, а именно, в ракетном двигателе РД-583. И было определено влияние коэффициента избытка окислителя на основные энергетические характеристики данного двигателя.

Из графической зависимости Т(α), представленной на рисунке 3, видно, что температура зависит от соотношения компонентов в топливе и имеет максимум. При отсутствии диссоциации максимум в большинстве случаев должен соответствовать стехиометрическому составу топлива, т.е. когда α=1. Вследствие диссоциации этого не наблюдается. Как видно из рисунка 3 максимум температуры наблюдается при α<1. Точное положение максимума зависит от давления, сказывающегося на интенсивности диссоциации.

Из графической зависимости Мр(α), представленной на рисунке 4, видно, что при увеличении избытка окислителя характерно значительное увеличение молярной массы в камере сгорания, т.е. при уменьшении содержания в смеси легких продуктов неполного сгорания горючего.

Определим пустотный удельный импульс, развиваемый данным двигателем:

 

 

 - скорость истечения продуктов сгорания на срезе сопла;

 - площадь поперечного сечения среза сопла;

 - давление на срезе сопла;

 - расход топлива.

Преобразуем данную формулу с помощью уравнения состояния  и уравнения неразрывности .

 – газовая постоянная продуктов сгорания на выходе из сопла;

 – универсальная газовая постоянная;

 - молярная масса продуктов сгорания на выходе из сопла;

 - плотность продуктов сгорания на выходе из сопла;

 – температура продуктов сгорания на выходе из сопла.

Итак, пустотный удельный импульс вычисляется по формуле:

 

 

Для того чтобы сравнить результат с пустотным удельным импульсом прототипа, разделим, полученный для данного двигателя, импульс на ускорение свободного падения. В итоге получим, что пустотный удельный импульс рассчитываемого двигателя равен .

Для проверки посчитаем пустотный удельный импульс еще для двух значений :

- при

 

 

- при

 

Убедившись в правильности найденного максимального пустотного удельного импульса, определим расхождение между исходным и расчетным вариантами:

Исходный удельный импульс в пустоте двигателя РД – 583 равен

 

 

Расхождение в результатах объясняется тем, что:

- во первых, вследствие возможного различия свойств, используемого керосина.

- во вторых, при определении эквивалентных формул компонентов топлива не учитывалось то, что в окислителе О₂ содержится примесь – жидкий азот N ₂.

- в третьих, не учитывалось изменение соотношения С/Н, которое изменяется по весу на 6 %.

Список литературы

1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. «Теория ракетных двигателей» /Под ред. В.Е.Алемасова. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1969. - 548 с.

2. Иров. «Газодинамические функции».

3. И. Г. Шустов «Двигатели 1944 – 2000» - Москва «АКС - Конверсалт».

 

Приложение 1

Расчет в КС	Расширение до давления ра
Óñëîâíàÿ ôîðìóëà òîïëèâà: H = 37,542 C = 19,1943 O = 45,7278 It,êÄæ/êã = -814,214 Âåñ.äîëÿ îêèñë. = 0,731617 Êîýô.èçá.îêèñë. = 0,8   Ñâîéñòâà ãàçîâîé ñìåñè: P, ÌÏà = 7.8 T, K = 3369,33 v, ì3/êã = 1,54505 Ip, êÄæ/êã = -814,221 Sp, êÄæ/(êãK) = 11,9062 Cpç, êÄæ/(êãK)= 2,00829 Cpp, êÄæ/(êãK)= 9,10697 kç = 1,21672 kp = 1,18749 M, ã/ìîëü = 23,2436 Z(âåñ.ä.êîíä.)= 8,81144E-2844 Nu, Ïà ñ = 9,01966E-5 La, Âò/(ì Ê) = 0,256654 La", Âò/(ì Ê) = 1,16385 Ap, ì/ñ = 1163,47   Ñîñòàâ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ H 4,3057965E-002 O 2,3829560E-002 CO 2,9990758E-001 CO2 1,4622902E-001 HO2 6,5621725E-005 H2 7,6529696E-002 H2O 3,0220786E-001 OH 7,1994966E-002 O2 3,6163349E-002		Óñëîâíàÿ ôîðìóëà òîïëèâà: H = 37,542 C = 19,1943 O = 45,7278 It,êÄæ/êã = -814,214 Âåñ.äîëÿ îêèñë. = 0,731617 Êîýô.èçá.îêèñë. = 0,8   Ñâîéñòâà ãàçîâîé ñìåñè: P, ÌÏà = 0,00217721 T, K = 2017,08 v, ì3/êã = 293,264 Ip, êÄæ/êã = -6116,72 Sp, êÄæ/(êãK) = 11,9062 Cpç, êÄæ/(êãK)= 1,87122 Cpp, êÄæ/(êãK)= 2,35177 kç = 1,20363 kp = 1,17254 M, ã/ìîëü = 26,2641 Z(âåñ.ä.êîíä.)= 0 Nu, Ïà ñ = 6,53457E-5 La, Âò/(ì Ê) = 0,172637 La", Âò/(ì Ê) = 0,216973 Ap, ì/ñ = 864,62 W, ì/ñ = 3256,53 Ñîñòàâ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ H 3,3483182E-003 O 6,4986717E-005 CO 2,2682996E-001 CO2 2,7729168E-001 H2 7,3104450E-002 H2O 4,1724690E-001 OH 1,9553845E-003 O2 1,5828888E-004