3.1.1 Повітряні реактивні двигуни (ПРД)

            Схему турбокомпресорного двигуна показано на рис. 3.1.

 

 

В польоті повітря залітає в дифузор 1, потім стискається в компресорі 2 і надходить до камери згоряння 3. Продукти згоряння (гази) спочатку розширюються в турбіні 4, а потім в реактивному соплі 5, виходять з сопла з великою швидкістю, внаслідок чого утворюється реактивна тяга. Ідеальний цикл установки з ізобарним підведенням тепла показано на рис. 3.2.

 

В безкомпресорних ПРД стиснення повітря здійснюється тільки за рахунок набігаючого струменя у вхідному дифузорі 1 (рис. 3.3), далі перебіг процесів збігається з циклом ТКРД, але розширення газів здійснюється тільки в реактивному соплі, і швидкість витікання завжди більша швидкості польоту, внаслідок чого виникає реактивна тяга:

де  - масова витрата газів через сопло, кг/с;

 - швидкість витікання газів із сопла, м/с;

 - швидкість літального апарата, м/с.

            Безкомпресорні ПРД діляться на дві групи: прямоточні (ППРД) та пульсуючі (ПуПРД).

 

            З термодинамічної точки зору ППРД є аналогом циклу Брайтона, і його термічний ККД також залежить від ступеня підвищення тиску  Для визначення  і  використаємо рівняння першого закону термодинаміки для струменя набігаючого повітря, яке запишемо для перерізів 1-1 (на вході в дифузор) і 2-2 (на вході в камеру згоряння):

де  і  - ентальпія повітря відповідно в перерізах 1-1 і 2-2, Дж/кг;

ср – теплоємність повітря, ср=1005 Дж/(кг·К);

Т1 і Т2 – абсолютні температури відповідно в перерізах 1-1 і 2-2;

 - швидкість набігаючого повітря, яка дорівнює швидкості літака , м/с;

 - швидкість стиснутого повітря на вході в камеру згоряння, яка значно менша швидкості , нею можна знехтувати, »0.

            З урахуванням залежностей  і  після перетворень маємо

і ,

де  - число Маха за польотом,

 - швидкість звуку на висоті польоту.

 

            При ступені підвищення тиску в дифузорі  для циклу ТКРД маємо

,

де  - показник ступеня;

для точки

де  - ступінь підвищення тиску в компресорі.

Кількість підведеного тепла

.

Питома робота компресора

.

Температуру за турбіною знайдемо з умови

.

Швидкість витікання газів з реактивного сопла

,

де  - температура газів на виході з реактивного сопла;

 - ступінь підвищення тиску в циклі.

Кількість відведеного тепла

.

Термічний ККД циклу

.

Питома робота циклу

.

Параметри точок циклу ППРД визначаються аналогічними рівняннями.

Цикл пульсуючого ПРД цілком схожий з циклом ГТУ при ізохорному підведенні тепла (див. рис. 2.6), тільки підвищення тиску здійснюється у вхідному дифузорі. Параметри точок циклу ПуПРД знаходяться так само і за тими самими рівняннями, як у ГТУ з ізохорним підведенням тепла.

 

            3.1.2 Схему ракетного двигуна на твердому паливі зображено на рис. 3.5, де 1 – камера згоряння; 2 – тверде паливо; 3 – реактивне сопло.

Ідеалізований цикл цього двигуна показано на рис. 3.6, де 2-3 – ізобарне підведення тепла q1; 3-4 – ізоентропне розширення продуктів згоряння в реактивному соплі; 4-1 - ізобарне відведення тепла q2 з пороховими газами, які вилітають із реактивного сопла; 1-2 – ізохорне стиснення продуктів згоряння.

                                   p


Рисунок 3.6 – Схема ідеального циклу ракетного двигуна на твердому паливі

 

            На рис. 3.7 зображено схему ракетного двигуна на рідкому паливі. Рідке паливо з паливного бака 2 та окиснювач з бака 3

подаються до камери згоряння 1 помпами 4 і 5 з тиском Р2, при якому підводиться тепло q1, далі продукти згоряння адіабатно розширюються в реактивному соплі 6. Таким чином, цикл РДРП цілком схожий з циклом двигуна на твердому паливі РДТП (див. рис. 3.6).

            Кількість підведеного в ізобарному процесі 2-3 тепла q визначається як

а кількість відведеного тепла

де  - теплоємність продуктів згоряння, Дж/(кг·К).

            Корисна питома робота циклу дорівнює

тому що робота стиснення рідини в процесі 1-2, яка дорівнює  дуже мала порівняно з підведеною теплотою і нею можна знехтувати.

            Термічний ККД циклу ракетних двигунів визначається із загального виразу

.

            Процес адіабатного розширення 3-4 водночас є процесом ізоентропного витікання робочого тіла із сопла зі швидкістю  тобто ,

і термічний ККД можна записати так:

де  - швидкість витікання газів з реактивного сопла, м/с;

 - ступінь розширення газів в соплі;

 - показник ступеня.