В сопле камеры двигателя происходит расширение и разгон продуктов сгорания (рабочего тела), т.е. преобразование тепловой энергии, получаемой в камере сгорания, в кинетическую энергию движения газов. От качества работы сопла, его массовых характеристик зависят качество и масса всей двигательной установки.
Задача проектирования сопла состоит в определении такого контура сопла, при котором удовлетворялись бы следующие основные требования, предъявляемые к соплам:
1. Сопло должно иметь возможно меньшие потери тяги;
2. Поверхность стенки сопла при заданных , должна быть минимальной, что уменьшает массу сопла и облегчает его охлаждение;
3. Конструкция и технология изготовления сопла должны быть возможно более простыми.
Однако, как часто бывает в технике, указанные требования являются в известной мере противоречивыми и полное удовлетворение одного из них приводит к некоторому ухудшению других свойств сопла. Поэтому при проектировании сопла в зависимости от назначения двигателя принимают то или иное компромиссное решение.
При выполнении эскизного проекта для расчета характеристик двигателя, расчета охлаждения, оценки массы двигателя достаточно знать приближенный контур сопла, размеры которого незначительно отличаются от размеров точного контура, рассчитываемого из газодинамических соображений. В этом случае используют приближенные методы построения контура сопла, которые позволяют достаточно быстро найти оптимальный контур. Один из таких методов (сопло с угловой точкой) приведен ниже (рис.6.3). Радиус скругления дозвуковой части на участке докритического сечения составляет .
На основании анализа семейства контуров оптимальных сопел построены графики зависимостей углов θm и θa от безразмерной длины сверхзвуковой части сопла и безразмерного радиуса сопла на срезе . Сверхкритическая часть контура на участке АС приближенно аппроксимируется параболой.
Расчеты показали, что замена точного контура параболическим приводит к расхождению радиальных размеров сопла на (1÷3)%. Значение θa находится в пределах 10°÷14°. Зная , задаваясь значением θa из рис. 6.4 находим значения θm и
6.2.3. Профилирование сопла ракетного двигателя твердого топлива
В принципе, для профилирования дозвуковой части сопла РДТТ можно было бы применять методы, используемые для ЖРД. Однако, современные маршевые ступени твердотопливных ракет имеют утопленные, как в корпус, так и в канал заряда, сопла для уменьшения габаритов ступени. Поэтому контур дозвуковой части сопла профилируют из соображений компоновки и обеспечения равномерности профиля осевой скорости.
В практике профилирования сверхзвуковой части сопла нашли применение различные приближенные методы, используемые в конкретных организациях.
В качестве примера можно привести метод "квадратного" сопла, когда длина сверхзвуковой части равна диаметру выходного сечения.
Наличие конденсированных частиц в потоке продуктов сгорания резко изменило задачи профилирования сопел - часть рабочего тела (конденсированная фаза) имеет отличные от несущего газа значения скорости и температуры и может с большой скоростью выпадать на стенку сопла, что приводит к эрозии материалов стенки сопла и дополнительным потерям удельного импульса. Важно избежать инерционного осаждения конденсата в окрестности выходного участка сопла, иначе эрозия материалов концевой части сопла вследствие высокоскоростного соударения с частицами конденсированной фазы может привести к значительному увеличению необходимой массы конструкции. Для этого концевой участок сопла отгибают так, чтобы стенка была параллельна предельной траектории частиц (угол θa для сопел высотных РДТТ обычно принимают не менее 22°30').