Вопросы и ответы

А я повторю вопрос к Xan-у, иначе он его пропустит.

mihail66>> И как изменится картинка, если угол будет как у нормального сопла (10-15*)?
Xan> Ну так на Рис.59 ответ на твой вопрос.
Xan> И даже больше, чем на твой вопрос.
Xan> Там ещё и степень расширения участвует. От неё КПД зависит волнистым образом!
Xan, я что-то не могу переварить эту картинку.
Можешь в двух словах подсказать, чтобы мысль в правильную сторону пошла.
Мне даже по тексту ничего не понятно.

Б.г.> Только во время переходного процесса. Дальше температуры одинаковы, определяются только химической кинетикой. А химическая кинетика говорит, что температура не зависит от давления, а только от теплоёмкости и энтальпии.
Кажется, нашёл ответ на свой вопрос в В.С. Егорычев "Теория, расчёт и проектирование ракетных двигателей" с 108-112. Всё же температура будет разной! В камере с бОльшим давлением и температура будет больше.
Mikhal>> К примеру, при давлениях в камере 15 и 60 атм. какова разница температуры?
Б.г.> Можно спросить у PROPER-а, он считает такие вещи.
Проблемы с PROPER. А он считает именно температуру газа в камере, а не температуру горения топлива?

Massaraksh> Давление на форму сопла практически не влияет.
С формой сопла разобрался. А вот на длину юбки давление в камере как влияет?

Massaraksh>> Давление на форму сопла практически не влияет.
Mikhal> С формой сопла разобрался. А вот на длину юбки давление в камере как влияет?
А вот ответ на этот вопрос я как раз и жду от Xan-а.
Длина юбки как раз от угла расширяющейся части зависит.
Если сумеешь в графике разобраться, буду рад разъяснениям.
График именно про это (!)

Xan>> Ну так на Рис.59 ответ на твой вопрос.
mihail66> Xan, я что-то не могу переварить эту картинку.

Картинка.
Слева: идеальное течение из конического сопла, каждая струйка движется по прямой.
За счёт того, что нецентральные струйки имеют компоненту скорости перпендикулярную тяге, часть энергии теряется.
Эти потери вычисляются по формуле 5.12.
И на рисунке 59 они изображены горизонтальными пунктирными линиями.

Справа: реальные струйки из-за поворота в сопле не движутся по прямым, а за счёт инерции немного колеблются относительно прямого пути.
Если сопло обрезать в первом (которое левее) сечении, то крайние струйки движутся в стороны сильнее, и потери будут больше.
Если обрезать во втором сечении, то струйки движется в сторону не так сильно.
Ну, на картинке я нарисовал слишком сильно, к центру движения нет, просто скорость от центра меньше, чем для прямой.

Получается, что в зависимости от того, какое выбрано расширение, КПД может быть немного больше или меньше, чем рассчитанное для идеального случая (по 5.12).
Вот на графике это и нарисовано волнистыми линиями. По сравнению с пунктирными.

На рисунке 60 потери от утопленности сопла. При утопленном часть газов огибает вход и получает поперечный импульс. Из-за чего колебания крайних струек получаются ещё больше, чем при неутопленном.

Но вообще эти эффекты достаточно малы, порядка процента.
Так что для некосмических ракет ими можно пренебречь. И пользоваться формулой 5.12.

Что касается выбора угла расширения, то он ограничен потерями на трение о стенки для слишком длинного сопла (как выбирать оптимум — не знаю). Ну и иногда габаритами (для много ступенчатых).

Колоколообразные сопла для топлив с конденсированной фазой плохи тем, что центробежка прижимает частицы к стенкам сопла. Чего нет у конических.

mihail66> Длина юбки как раз от угла расширяющейся части зависит.
mihail66> Если сумеешь в графике разобраться, буду рад разъяснениям.
mihail66> График именно про это (!)
Как я понял, на графике показаны потери расходимости, возникающие при увеличении угла раскрыва в зависимости от степени расширения. При достаточно большой степени (там типовая принимается 46,8) при изменении угла раскрыва от 10 до 20 градусов эти потери увеличатся с 0,5 до 3 %. Всё это, видимо относится к случаю, когда такой угол раскрыва не приведёт к отрыву потока от стенки сопла.

Xan> Что касается выбора угла расширения, то он ограничен потерями на трение о стенки для слишком длинного сопла (как выбирать оптимум — не знаю). Ну и иногда габаритами (для много ступенчатых).

Выходит что для топлив с конденсированной фазой разумней выбирать большой угол в выходном сечении.
Чтобы сопло было как можно короче.

Что до габаритов, я не могу уяснить на габариты какого измерения накладываются ограничения.
Типа если сопло слишком длинное, то не удобно применить?
Или речь о диаметре на выходе сопла?

Xan> Что касается выбора угла расширения, то он ограничен потерями на трение о стенки для слишком длинного сопла (как выбирать оптимум — не знаю). Ну и иногда габаритами (для много ступенчатых).
Там ищут компромисс между потерями на трение и рассеяние. При наших возможностях выбора и шлифовки материалов и размерах, не думаю, что это сильно существенно.

mihail66> Выходит что для топлив с конденсированной фазой разумней выбирать большой угол в выходном сечении.
Это, наверное, будет видно по нагару на соплах разного раскрыва. Интересно, удастся ли зафиксировать потери/выигрыш нашими приборами.
mihail66> Чтобы сопло было как можно короче.
mihail66> Что до габаритов, я не могу уяснить на габариты какого измерения накладываются ограничения.
mihail66> Типа если сопло слишком длинное, то не удобно применить?
mihail66> Или речь о диаметре на выходе сопла?
Диаметр как я понял одинаковый. Если брать в идеале, то чем меньше угол раскрыва, тем лучше, но в реальности стенка сопла тормозит и охлаждает поток. Поэтому ищут компромисс.

Mikhal> Меня интересует вопрос о зависимости давления/температуры в критике от давления в камере. К примеру, какое расширение сопла должно быть для карамели при 15 атм и при 70 амт?

Если где-то на форуме найдёшь картинку Sutton_3_7.jpg, то около неё может быть и пояснение.
Или сам пойми.
Я болею, в комп пялиться тяжело.

Xan> Если где-то на форуме найдёшь картинку Sutton_3_7.jpg, то около неё может быть и пояснение.
Спасибо огромное! Всё понятно! Если можно вспомнить, интересно первоисточник почитать. Выздоравливай!

Mikhal> Меня интересует вопрос о зависимости давления/температуры в критике от давления в камере. К примеру, какое расширение сопла должно быть для карамели при 15 атм и при 70 амт?

В таких случаях (идеологический дисбаланс в головах) нужно читать первоисточники. В теории ракетных двигателей одним из таких (Rocket Propulsion Bible) п.и. является книга J. Sutton " Ракетные Двигатели: основы теории и конструкции ЖРД." где замечательно просто и наглядно прописана теория сопла с примерами расчётов конкретных двигателей (глава 3, стр 47). И ваш случай в том числе. Эта книга 2 изд. на русском , была переведена в 1952 г (моя "ровесница" ). Выкладываю, читайте, пожалуйста. Другие более поздние и актуализированные на современные представления о ракетном двигателе, издания есть на английском. На научно-техническом американском eng. 6 Edition лежит у меня на столе в бумажном переплёте, а 7-Edition в djvu. есть (была) на techlib.ru. и на портале ihtik.lib.ru.

Вообще, из собственной практики, для РДТТ на топливах формулы KNSu/Sb (показатель адиабаты для двухфазного продукта сгорания) , работающих в придонной атмосфере (Po = 1) делать расширение более чем 1:4, не имеет практического смысла. Делал сравнительные испытания на одном двигателе с тремя типами дивергентных конусов и получил примерно одни и те же значения графика тяги. Лет 12-14 тому назад мы их здесь уже обсуждали.

a.c.> .... делать расширение более чем 1:4, не имеет практического смысла.

Вот хочу поделиться одним наблюдением.
Для двигателя на сорбитовой карамели, работающего на расчетном давлении 2,8-3,16МПа, прога SRM рекомендует среднее расширение 5,97.
Я делал расширение 6 с углом 12,5*.
Сопло из текстолита.
После прожига было видно, что наибольшим разрушениям подверглась часть сопла ближе к критике.
А юбка осталась почти не тронутой (перерасширение?).
С той поры для таких давлений делаю расширение 4,5-4,7.

mihail66> наибольшим разрушениям подверглась часть сопла ближе к критике.

Перерасширение, тут не причем. Критика всегда самый напряженный участок. А после критики идет охлаждение потока, как раз из-за расширения.

RocKI> Перерасширение, тут не причем. Критика всегда самый напряженный участок. А после критики идет охлаждение потока, как раз из-за расширения.
Разреши продолжу.
А у алюминиевого сопла с расширением 3, край юбки сгорел напрочь.
У меня нет никаких рассуждений на этот счет, материалы разные.
Но хочется понять, какой угол будет оптимальным для карамели?
(Начитавшись форума за 10 лет можно увидеть, что чаще всего пытаются сделать угол 11-13*, редко 15*.
В то время как Эльштейн рекомендует, для модельных РДТТ, угол не менее 15*)

ПС. Впрочем рассуждения, по поводу обгорания именно юбки есть.
Даже если после критики поток охлаждается от расширения, но он не успевает прогреть толстую часть сопла возле критики.
А толщина стенки у края юбки всего 1мм, поэтому она быстро нагрелась и сгорела.

mihail66> А у алюминиевого сопла с расширением 3, край юбки сгорел напрочь.

Чем меньше расширение, тем меньше охлаждение потока.

mihail66> (Начитавшись форума за 10 лет можно увидеть, что чаще всего пытаются сделать угол 11-13*, редко 15*.
mihail66> В то время как Эльштейн рекомендует, для модельных РДТТ, угол не менее 15*)

Я в статье приводил цифры взятые не с потолка и не у Эльштейна, а из профессиональной книги Фахрутдинова. Это 9-12 градусов. Совсем небольшой диапазон, а тебя в какие-то крайности бросает.

Xan> Справа: реальные струйки из-за поворота в сопле не движутся по прямым, а за счёт инерции немного колеблются относительно прямого пути.

Это тоже в книжке прямо так написано?

Xan> Вот на графике это и нарисовано волнистыми линиями. По сравнению с пунктирными.

Это обычное влияние волнового сопротивления от возникновения ударных волн, а не колебание струек потока.

Xan> Колоколообразные сопла для топлив с конденсированной фазой плохи тем, что центробежка прижимает частицы к стенкам сопла. Чего нет у конических.

Прижимает и что дальше?
АТК везде использует ПХА с алюминием (30% конденсата), и везде в их двигателях профилированные сопла.

Xan>> Справа: реальные струйки из-за поворота в сопле не движутся по прямым, а за счёт инерции немного колеблются относительно прямого пути.
SashaMaks> Это тоже в книжке прямо так написано?

Намёком!
Ты же можешь это смоделировать и "пощупать руками".

Кстати:
(Трансляция второго пуска Electron (RocketLab) - YouTube)
Когда картинка со второй ступени, там висит батарейка в мешке и тряпка колeблется. Примерно после двадцатой минуты ролика.
Вопрос: это от вибраций или от "ветра" выхлопа?
В принципе, в вакууме от струи выхлопа часть молекул должна лететь во всяких направлениях, в том числе и назад (в смысле — в обратную сторону), так что тряпка может от этого трепыхаться.
Можешь на симуляторе оценить плотность этого потока?

SashaMaks> Прижимает и что дальше?

В какой-то книжке была картинка: в критике конденсат инерцией отодвигается от стенки, получается слой газа без конденсата.
А в колоколе конденсат обратно через слой чистого газа движется к стенке.
И, типа, надо делать так, чтоб конденсат не успел доползти.

SashaMaks> АТК везде использует ПХА с алюминием (30% конденсата), и везде в их двигателях профилированные сопла.

Не, конические тоже есть.
Похоже, если двигатель попроще, и от него не требуется параметров "очень-очень", то конус.
А маршевые вакуумные — те да.

a.c.> https://www.dropbox.com/s/.../Rocket%20Engines_Sutton_1ed.djvu?dl=0
Отличная книга! Спасибо огромное!

Xan>> Sutton_3_7.jpg
Mikhal> Если можно вспомнить, интересно первоисточник почитать.

Не задавался этим вопросом.
Но спросил у гугля.
И вот восьмое издание:
(https://archive.org/details/...)

SashaMaks>>
Xan> Можешь на симуляторе оценить плотность этого потока?

Уже не надо!
(Rocket_Propulsion_Elements_8th_Edition_by_Oscar_Biblarz_George_P._Sutton.pdf)
Стр. 712 и далее, там ответ.

Xan> И вот восьмое издание:
Xan> (https://archive.org/details/...)

Разгар критики 54 мм у шаттловского ускорителя.
0.22 мм в секунду на сторону.
Это на странице 570.

Интересная книжка!

Правда, и опечатки нашёл уже.

Xan>>> Справа: реальные струйки из-за поворота в сопле не движутся по прямым, а за счёт инерции немного колеблются относительно прямого пути.
Xan> Ты же можешь это смоделировать и "пощупать руками".

Этого нет.

Xan> Вопрос: это от вибраций или от "ветра" выхлопа?
Xan> Можешь на симуляторе оценить плотность этого потока?

А это есть.

Давление в камере примерно 10 атм, окружающее давление 0,001 атм.

SashaMaks> Давление в камере примерно 10 атм, окружающее давление 0,001 атм.

Давление окружающее 1 атм.