Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД)

1

Оглавление

2

Аннотация

3

Задание на выпускную работу

4

Расчет параметров камеры и профилированного сопла.

 Определение действительных параметров двигателя.

5

Объединено с п.4

6

Расчет охлаждения камеры двигателя.

(+ таблица в Ехселе ОХЛАЖДЕНИЕ НДМГ)

7

Расчет смесеобразования.

8

Проверочный расчет несущей способности камеры сгорания.

(+ таблица в Ехселе Прочность окружн БрХ)

9

Спец часть работы

10

Описание работы ПГС двигательной установки

11

Описание конструкции двигателя по разрезу, представленному в графической части.

12

Литература

13

Приложения

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Ракетным двигателем (РД) называют реактивный двигатель, не использующий для своей работы из окружающей среды ни энергию, ни рабочее тело. Таким образом, РД — установка, имеющая источ­ник энергии и запас рабочего тела и предназначенная для получения тяги путем преобразования любого вида энергии в кинетическую энер­гию рабочего тела, отбрасываемого от двигателя в окружающую среду.

Ракетные двигатели обладают тремя основными характерными особенностями:

1) автономность от окружающей среды. Под автономностью РД нельзя понимать независимость его параметров от окружающей сре­ды, так как его выходные параметры в значительной степени зависят от окружающего давления (противодавления). Под автономностью следует понимать лишь способность РД работать без использования окружающей среды. Поэтому эти двигатели могут работать под водой, в атмосфере и в космическом (межпланетном) пространстве;

2) независимость тяги от скорости движения аппарата, так как тяга создается в нем за счет расхода запасов рабочего тела и энер­гии, имеющихся на этом аппарате. Поэтому эти двигатели способны функционировать при очень больших скоростях движения.

3) высокая концентрация подводимой энергии на единицу массы рабочего тела, обусловленная стремлением получить максимально возможную скорость истечения (отброса) реактивной струи, и, как следствие этого, большая энергонапряженность (теплонапряженность) рабочего процесса и малая удельная масса двигателя, приходящаяся на единицу развиваемой тяги.

Из рассмотренных основных характерных особенностей РД вы­текают целесообразные области их применения. Большое значение при этом имеет вид запасенной энергии, находящейся на борту ЛА. На современном уровне техники можно использовать в РД энергию, запасенную в форме ядерной, электрической, тепловой и хими­ческой.

Двигатели, использующие ядерную, электрическую и тепловую энергию, составляют класс нехимических РД. Эти двигатели пока на­ходятся в стадии теоретических разработок и опытных исследований.

Большинство практически применяемых в настоящее время РД использую? химическую энергию, носителем которой является топ­ливо. Топливо может быть одно-, двух-  .и.. многокомпонентным. Чаще всего используют двухкомпонентное топливо, состоящее из горючего и окислителя. Источником энергии в этом случае является реакция горения (экзотермическая, идущая с выделением тепла). Экзотермиче­ской реакцией может быть также реакция разложения некоторых веществ, или ассоциация (рекомбинация) атомов и радикалов. Хими­ческая энергия топлива преобразуется в камере сгорания (КС) в теп­ловую энергию продуктов реакции (продуктов сгорания). Затем теп­ловая энергия в сопле переходит в кинетическую энергию вытекаю­щих продуктов сгорания (ПС), в результате чего образуется реактив­ная сила (тяга).

Химические РД (в зависимости от агрегатного состояния топлива до его использования в двигателе) можно разделить на следующие ос­новные группы: жидкостные ракетные двигатели (ЖРД); ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ); гибридные (комбинированные) ракетные двигатели (ГРД), использующие топливо смешанного агре­гатного состояния.

Основной агрегат ЖРД, где создается тяга, — КС двигателя. На рис. 1.2 приведена камера ЖРД, работающая на двухкомпонент­ном топливе. Она состоит из камеры сгорания 6 и сопла 7, конструк­тивно представляют собой одно целое. Камера сгорания имеет смеси­тельную головку 4, на которой размещены специальные устройст­ва — форсунки 3 и 5, служащие для подачи компонентов топлива в КС. Стенки камеры изготавливают, как правило, двойными для со­здания зазора между внутренней огневой стенкой 2 и наружной си­ловой рубашкой /, связанных между собой с помощью гофр, ребер или выштамповок. По зазору протекает компонент или компоненты топлива, охлаждающие КС.

Рабочий процесс в камере ЖРД можно представить в следующем виде. Горючее и окислитель впрыскиваются под давлением в камеру сгорания через форсунки, дробятся на мелкие капли, перемешивают­ся, испаряются и воспламеняются. Воспламенение (зажигание) топлива может осуществляться химии ческими, пиротехническими и электри­ческими средствами (часто компоненты топлива являются самовоспла­меняющимися).

Топливо после воспламенения горит при высоких дав­лениях (в некоторых случаях до 15—20 МПа и более). При горении топлива образуются газообразные продукты сгорания (рабочее тело), нагретые до высоких температур (3000—4500 К), которые истекают из камеры сгорания в окружающее пространство через сопло. По мере движения ПС по длине сопла тем­пература и давление их уменьша­ются, а скорость возрастает, пе­реходя через скорости звука в минимальном (критическом) сече­нии сопла. На выходе из сопла скорость   истечения   достигает 2700—4500 м/с. Чем больше се­кундный расход массы и скорость газа на выходе из сопла, тем боль­ше тяга, создаваемая КС.

Примерный характер измене­ния температуры Т, давления р и скорости w топлива и газов по длине камеры ЖРД изображен на рис. 1.3. Высокие термо- и газодинамические параметры (давление, температура, скорость) газа, а также коррозионное и эрозионное воз­действие ПС на стенку камеры создают чрезвычайно тяжелые усло­вия ее работы. Обычно для надежной работы камеры помимо интенсив­ного наружного (регенеративного) охлаждения применяют специаль­ные методы защиты: пристеночную зону с пониженной температурой газа (внутреннее охлаждение), специальные термостойкие покрытия стенок и т. д. Применение внутреннего охлаждения, как правило, уменьшает удельный импульс, что невыгодно, так как снижается эко­номичность двигательной установки.

В общем же случае ЖРД состоит из КС (или нескольких камер), систем регулирования и подачи компонентов топлива, исполнитель­ных устройств для создания управляющих моментов, соединительных магистралей и т. п. Система регулирования осуществляет автомати­ческое поддержание или программированное изменение параметров в камере для обеспечения заданных величин тяги, определенного со­отношения компонентов, устойчивой работы КС, а также управляет переходными процессами, например запуском и остановкой двигате­ля. Для системы регулирования применяют различные клапаны, ре­дукторы, запальные устройства и другие элементы, называемые ор­ганами автоматики, назначение которых — осуществлять определен­ные опеоании в заданной последовательности.

Компоненты в камеру сгорания подают или с помощью вытеснительной системы по­дачи, или с помощью насоса. В последнем случае систему называют насосной. Обычно для привода насосов используют турбину. Поэтому агрегат, состоящий из насосов и турбин, называют турбонасосным (ТНА). Ра­бочее тело для привода турбины обычно получают в газогенераторе (ГГ). Моменты, уп­равляющие ЛА, как правило, создаются либо поворотом камеры ЖРД относительно оси, либо изменением величины тяг непод­вижных камер.

Таким образом, исходное химическое топливо является одновре­менно источником энергии и источником рабочего тела для получения тяги. Совокупность отмеченных признаков определяет класс химиче­ских РД, характерная особенность которых по сравнению с другими РД — высокие удельные расходы топлива (массовый расход топлива, приходящийся на единицу развиваемой тяги), вызванные необходи­мостью иметь на борту аппарата горючее и окислитель. В связи с этим время работы химических РД ограничено запасами топлива в аппарате, которое относительно невелико.

Из всего многообразия химических РД ограничимся рассмотре­нием только жидкостного ракетного двигателя, который занимает осо­бое место в ракетной технике и широко используется в освоении кос­мического пространства.

ТОПЛИВА ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Топлива тепловых двигателей являются носителями химический энергии и источником массы рабочего тела и представляют собой расходуемые индивидуальные вещества или их совокупность, спо­собные к химическим превращениям (горению, разложению) с вы­делением энергии и образованию рабочего тела — высокотемператур­ных продуктов. Эти продукты в конечном итоге используются для совершения механический работы. Для процесса горения, 1редстав-ляющего собой быстротекущее окисление, требуется окислитель и горючее. Для некоторых тепловых двигателей (поршневых ДВС, воздушно-реактивных, гидроракетных) окислителем является веще­ство, поступающее в двигатель из окружающей среды: атмосферный воздух или забортная вода. Так как здесь окислитель не расходуется с борта транспортного средства, то в этих случаях часто нe делают различия между понятиями «топливо» и «горючее».

В автономных (ракетных) двигателях окислитель и горючее находится на борту  транспортного средства,  под топливом понимают  совокупность окислителя и горючего. В ряде случаев используются

однокомпонентные (унитарные) топлива, способные к экзотермичес­ким реакциям разложения.

Химические топлива в соответствии с их агрегатным состоянием могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Различает также топлива, соответствующие различным комбинациям названных со­стояний: твердожидкие (гибридные), газожидкие, псевдожидкие, гелеобразные и др.

Топлива для тепловых двигателей должны обладать определен­ными физико-химическими, эксплуатационными, экономическими и экологическими показателями, обеспечивающими эффективную и надежную с заданным ресурсом работу двигателей в различных климатических, высотных и других условиях.

К эксплуатационным относят свойства топлив, определяющие надежность и экономичность эксплуатации двигателя. Такими свойствами являются детонационная стойкость (октановое тело) или склонность к воспламенению (цетановое число) углеводородных  горючих для поршневых ДВС, температурные и концентрационные пределы воспламенения, пределы устойчивого горения, температура самовоспламенения, время задержки воспламенения или самовоспламенения, а также такие свойства, как испаряемость, прокачиваемость, , склонность к образованию отложений, коррозионную активность, охлаждающие свойства, совместимость с конструкционными материалами.

 По своему назначению ЖРТ подразделяют на основные, пусковые и вспомогательные. Основными являются топлива, создающие всю или основную долю тяги двигательной установки. Пусковое топливо исполь­зуют в начальный период запуска двигателя для воспламенения несамо-воспламеняющихся при контакте основных компонентов. На продук­тах сгорания или разложения вспомогательного топлива могут работать турбины, рулевые сопла и другие агрегаты, не создающее непосредственно основной доли тяги двигателя.

По числу основных компонентов различают одно-, двух- и трехкомпонентные топлива. Современные ЖРД наиболее широко используют двухкомпонентныс жидкие топлива. Такое топливо срав­нительно безопасно в эксплуатации, допускает широкий выбор ком­понентов. К числу трехкомпонентных топлив можно отнести топлива, состоящие из окислителя и горючего, обеспечивающих высокий уровень выделения тепла, и третьего компонента, продукты нагрева или разложения которого обладают малой молекулярной массой и, следовательно, большой работоспособностью и удельным импульсом. В качестве третьего компонента может быть водород, метан и другие легкие вещества. Исследуемые трехкомпонентные топлива в боль­шинстве своем—топлива металлосодержащие, представляющие собой окислитель и горючее, в объеме которого равномерно распре­делены твердые частицы металла.

Двухкомпонентные топлива можно классифицировать по родст­венным окислителям, поскольку именно окислитель, содержание которого в различных тонливах составляет 75 95% (по массе), определяет особенности топливной композиции. Различают, в част­ности, кислородные, азотно-кислотные, азоттетроксидные, перекись-водородные, хлорные и фторные топлива.

В зависимости от реакционной способности окислителя и горю­чего при их непосредственном контакте топлива разделяют на само­воспламеняющиеся и несамовоспламеняющисся. Самовоспламеняю­щиеся компоненты топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением тепла, достаточного для воспламенения топливной смеси. Воспламенение несамовоспламеняющихся в обычных услови­ях топливных пар можно обеспечить каталитическим воздействием, введением в один из компонентов активизирующих присадок или подводом тепла от внешнего источника.

По интервалу температур сохранения жидкого состояния топли­ва или их компоненты подразделяют на высококипящие и низкокипя­щие. Высококипящие компоненты топлива в условиях эксплуатации

имеют температуру кипения выше 298 К и хранятся в обычных условиях без потерь на испарение. Низкокипящие компоненты топ­лива при стандартном давлении имеют температуру кипения ниже 298 К и находится в газообразном состоянии. Некоторые компоненты (например, аммиак NHg) можно эксплуатировать как высококипя­щие при поддержании определенного (сравнительно небольшого) избыточного давления в баке. Среди низкокипящих компонентов выделяют группу так называемых криогенных компонентов топлив, имеющих температуру кипения ниже 120 К (-153°С). Криогенный компонент нельзя хранить в жидком состоянии без принятия специ­альных мер его тепловой изоляции. К криогенным компонентам относятся сжиженные газы: кислород, водород, фтор, метан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличение плотности воз­можно применение криогенного компонента в шугообразном состоя­нии, т.е. в виде подвижной грубодисперсной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные, и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив имеют при максимальной температуре в условиях эксплуата­ции или хранения давление насыщенного пара ниже допустимого по условиям прочности баков, обладают стабильностью физико-хими­ческих свойств в течение заданного времени и допускают хранение в баках ракеты или других емкостях при эксплуатационных темпера­турах и давлениях без существенных потерь.

Задание.

Однокамерный ЖРД

Начальная масса                                                         m0 = 13 000 кг

Конечная масса                                                 m1= 1 300 кг

Тяговооруженность                                                   b0 =  1,1

Давление в КС                                                            poc = 8,8 МПа     

Геометрическая степень расширения сопла                600

                                                                                                            = 

Топливо:

О2+ ……. Стабильное горючее (НДМГ).

3.  Расчет размеров камеры и действительных параметров двигателя.

Расчет геометрии камеры ЖРД                           

 ТОПЛИВО:       О2ж+ НДМГ

Тяга камеры                                                                                                140.000  кН

Давление на входе в сопло                                                                       8.80000 МПа

Удельный импульс                                                                                     3518.0514 м/с

Расходный комплекс                                                                                 1729.9965 м/с

Массовые расходы:

                  окислителя                                                                                 25.739801 кг/с

                  горючего                                                                                    14.291759 кг/с

Параметры камеры сгорания:

а) Общие:

   Коэффициент камеры сгорания                                                             0.9800000

   Относительная расходонапряженность                                                1.0000000 с/м

   Время пребывания                                                                                   0.002000 с

   Относительная площадь поперечного сечения                                    5.7803584

   Радиус                                                                                                       0.1273693 м

   Длина                                                                                                        0.2004792 м

   Объем                                                                                                       0.0049648 м3

   Радиус скругления R1                                                                            0.1018954 м

   Радиус скругления R2                                                                            0.0794655 м

б) В ядре потока:

   Коэффициент избытка окислителя                                                       0.9500000

   Идеальный удельный импульс                                                              3678.0345 м/с

   Идеальный расходный комплекс                                                          1772.2600 м/с

   Идеальная температура                                                                          3863.0800 К

   Молекулярная масса                                                                               25.337700 г/моль

   Массовые расходы:

                     окислителя                                                                             23.841951 кг/с

                     горючего                                                                                11.752583 кг/с

в) В пристеночном слое:

   Коэффициент избытка окислителя                                                                   0.15000000

   Относительная доля горючего                                                               0.2000000

   Идеальный удельный импульс                                                              2782.8400 м/с

   Идеальный расходный комплекс                                                           1400.1200 м/с

   Массовые расходы:

                     окислителя                                                                              1.6978500 кг/с

                     горючего                                                                                 2.8391759 кг/с

Параметры сопла:

  • Коэффициент сопла                                                                        0.9800000
  • Показатель изоэнтропы расширения на срезе                             1.1230300
  • Геометрическая степень расширения                                           48.611800

 Радиус скругления R3                                                                                           0.0264885 м

 Радиус минимального сечения                                                                 0.0529770 м

 Половина угла раствора конического участка

 сужающейся части сопла                                                                           7.0000000 рад

 Коэффициенты потерь удельного импульса на

                                                                         трение                                  0.0198067

                                                                       рассеяние                              0.0082720

                          Таблица 1

     Координаты   точек  сопряжения контура сужающейся части сопла

     -----------------------------

     Точка¦   X [мм]  ¦   Y [мм] ¦

     ----+------------+------------+

       A  ¦   232.178 ¦   127.369 ¦

       B  ¦   299.122 ¦   102.293 ¦

       C  ¦   333.271 ¦    72.533 ¦

       D  ¦   385.479 ¦    52.977 ¦

    

                                 Таблица 2

Координаты контура расширяющейся части сопла

-------------------------------------------+

 NN ¦   X [мм]   ¦   Y [мм]   ¦ Бета [рад] ¦

 ----+------------+------------+------------¦

   1  ¦   385.479  ¦    52.977  ¦  0.000000  ¦

   2  ¦   400.803  ¦    57.860  ¦  0.616910  ¦

   3  ¦   450.446  ¦    90.763  ¦  0.555199  ¦

   4  ¦   500.089  ¦   119.762  ¦  0.503345  ¦

   5  ¦   549.731  ¦   145.652  ¦  0.459031  ¦

   6  ¦   599.374  ¦   168.990  ¦  0.420636  ¦

   7  ¦   649.017  ¦   190.183  ¦  0.386983  ¦

   8  ¦   698.659  ¦   209.542  ¦  0.357195  ¦

   9  ¦   748.302  ¦   227.308  ¦  0.330604  ¦

  10 ¦   797.945  ¦   243.674  ¦  0.306690  ¦

  11 ¦   847.587  ¦   258.797  ¦  0.285045  ¦

  12 ¦   897.230  ¦   272.807  ¦  0.265340  ¦

  13 ¦   946.873  ¦   285.811  ¦  0.247308  ¦

  14 ¦   996.515  ¦   297.902  ¦  0.230731  ¦

 15 ¦  1046.158  ¦   309.159  ¦  0.215427  ¦

 16 ¦  1095.800  ¦   319.649  ¦  0.201247  ¦

 17 ¦  1145.443  ¦   329.432  ¦  0.188061  ¦

 18 ¦  1195.086  ¦   338.560  ¦  0.175761  ¦

 19 ¦  1244.728  ¦   347.079  ¦  0.164255  ¦

 20 ¦  1294.371  ¦   355.030  ¦  0.153462  ¦

 21 ¦  1344.014  ¦   362.448  ¦  0.143314  ¦

 22 ¦  1393.656  ¦   369.367  ¦  0.133749  ¦

-------------------------------------------+

6.                     Расчет охлаждения камеры двигателя.

Охлаждение камеры, работающего на компонентах: жидкий кислород + НДМГ выполняется согласно пособия для курсового и дипломного проектирования ЖРД [  ].

Охлаждение осуществляется проточным горючим (НДМГ) , далее охладителем.

Диаметр минимального сечения равен 106 мм, диаметр выходного сечения сопла 697 мм. Давление заторможенного потока в КС Рос=8,8 МПа. Коэф-т избытка окислителя в пристеночном слое вх.охл.=300 К.

Выбираем в качестве материала стенки сплав БрХ08 и задаемся распределением температуры стенки по длине камеры. Распределение по длине выбираем линейное. В сверхзуковом сопле распределение температуры задаем двумя линейными зависимостями. Значения Тст.г. равны: в минимальном сечении  680 К, на срезе сопла  450 К, В камере сгорания  580 К.

 на остальных участках все горючее проходит через охлаждающий тракт.

Для удобства полученные значения занесены

 в таблицу 6.1.

Выбор геометрии охлаждающего тракта.

На всем протяжении камеры проходят фрезеровки.

а = 1,3-3 мм., - ширина канала,

б = 0,5-2 мм., - ширина ребра,

δохл = 2-4 мм., - высота ребра,

δст =0,5-3 мм., - толщина стенки.

7.      Расчет смесеобразования.

Компоненты топлива:

·        

·          Подогретый НДМГ.

Смесеобразование в камере сгорания осуществляется двухкомпонентными форсунками и центробежными  жидкостными форсунками горючего для охлаждения паяного шва и огневого днища. Применение двухкомпонентных форсунок обеспечивает смешение компонентов в одной фазе вблизи плоскости форсунок в КС, что приводит к более интенсивному протеканию процессов горения и уменьшению объема КС. Кроме того пропускная способность головки с двухкомпонентными форсунками существенно выше. Правда при интенсивном  протекании процессов сгорания вблизи форсунок огневое днище головки и особенно узлы пайки форсунок в днищах будут работать при повышенных температурах, поэтому часто приходится организовывать вокруг каждой форсунки жидкостную завесу. Однако улучшения смесеобразования за счет двухкомпонентных форсунок дает более существенный выигрыш в повышение надежности работы всей КС.

Определение количества форсунок на головке камеры.

Расчеты проведены согласно указаниям источников [], [].

Расположение форсунок на головке - концентрическое, шаг а между центрами для двухкомпонентных форсунок может быть в пределах а = 18…50 мм: а = 24 мм. Для нормального закрепления форсунки на днище вблизи стенки камеры необходимо, чтобы между стенкой камеры и центром корпуса форсунки было расстояние, равное 5…10 мм.

Если эффективную площадь головки, занятую форсунками, поделить на площадь, занятую одной форсункой на головке, то получим количество форсунок, уместившихся на головке:

Эффективная площадь головки Fк.эф.=πR2к.эф.

Rк.эф = Rк-а/2 = 127 - 24/2 = 115 мм,

Rк - радиус камеры сгорания, а - шаг между форсунками.

Для концентрического расположения форсунок найдем количество окружностей, умещающихся на поверхности головки. Примем расстояние между окружностей равным шагу между форсунками, а на окружностях форсунки расположены на расстоянии шага, измеренного по хорде окружности.

Количество окружностей

Очевидно, на первой окружности число форсунок будет

На второй окружности число форсунок

На третьей окружности

На четвертой окружности

Общее число форсунок с центральной составит

n = n1 + n2 + n3 = 1+6 + 12 + 18 +24 = 61.

Шаг между форсунками по мере удаления от центра чуть-чуть возрастает.

                                      Создание пристеночного слоя в камере.

Для обеспечения надежного охлаждения горячих стенок камеры необходимо создать вблизи стенок слой продуктов сгорания с пониженной температурой. Это достигается постановкой дополнительный струйных форсунок горючего по периферии головки. При этом в пристеночном слое создается местное соотношение компонентов меньше, чем расчетное в ядре.

Необходимо обеспечить пристеночный слой наименьшим количеством топлива, чтобы доля удельного импульса в пристеночном слое, как неоптимального, была минимальной в общем удельном импульсе камеры.

Для более равномерного распределения компонентов в пристеночном слое необходимо ставить увеличенное число форсунок. При этом пристеночный слой получается устойчивым по длине камеры и сохраняется газовая завеса с пониженной температурой по всей длине камеры.

Однокомпонентная центробежная форсунка предназначена для охлаждения паяного шва и его расход от основного горючего составит 20%. (2,8 кг/сек) Количество форсунок - 30. Плотность НДМГ=  786

1.      Выбираем угол распыла для форсунки горючего 2α = 40˚.

2.      Перепад давления на форсунке Г: ΔРф.гор.= 800000 Па

3.      По графику (рис.5.6., [4]) находим Аг = 1; μф.г.=0,44; φг = 0,66.

4.      Определяем площадь сопла форсунки горючего

dcф.г.=     rc=1,38 мм

5)Примем число входных отверстий i=4 .

Rвх/ rc= 2,5;   следовательно R вх= 2,5rc =3,45 мм

 Находим

6) Определяем  число Рейнольдса Reвх и выбираем коэффициент трения

7) Определяем эквивалентную геометрическую характеристику.

Аэ1=

Геометрическая характеристика с учетом вязкости отличается от расчетной идеальной менее чем на 5%, то найденные размеры форсунки принимаем действительными.

Окончательные размеры однокомпонентной центробежной форсунки горючего для пристеночного слоя:

Размеры

Мм

R k

3,84

h форсун

8,00

r c

1,28

r нар сопл

3,33

δ стенки

1,20

r вх

1,51

d вх

3,02

R вх

2,56

Расчет двухкомпонентной форсунки.

Рассчитаем сначала форсунку окислителя, находящуюся внутри форсунки окислителя.

1.      Выбираем угол распыла для форсунки горючего 2α = 100˚.

2.      Перепад давления на форсунке Г: ΔРф.гор.= 1500000 Па

3.      По графику (рис.5.6., [4]) находим Аг = 4; μф.г.=0,19; φг = 0,38.

4.      Определяем площадь сопла форсунки окислителя

dcф.ок.=     rcг=3,49 мм.

Принимая толщину стенки rнг=4,44 мм

5)Примем число входных отверстий i=4 .

Rвх/ rc= 2,25;   следовательно R вх= 2,25rc =7,85 мм

 Находим

) Определяем  число Рейнольдса Reвх и выбираем коэффициент трения

7) Определяем эквивалентную геометрическую характеристику.

Аэ1=

Геометрическая характеристика с учетом вязкости отличается от расчетной идеальной менее чем на 5%, то найденные размеры форсунки принимаем действительными.

Размеры

мм

R k

10,41

h форсун

8,72

r c

4,36

r нар сопл

5,31

δ стенки

0,95

r вх

1,68

d вх

3,37

R вх

8,72

Теперь рассчитаем форсунку Горючего.

1.      Выбираем угол распыла для форсунки горючего 2α = 115˚.

2.      Перепад давления на форсунке Г: ΔРф.гор.= 800000 Па

3.      По графику (рис.5.6., [4]) находим Аг = 6; μф.г.=0,13; φг = 0,3.

4.      Определяем площадь сопла форсунки Окислителя

 

5. Проверяем условие rвг > rнок:

Т.к. 4,76>4,44 , то форсунка окислителя будет работать с расчетным коэффициентом расхода.

6. Примем число входных отверстий i=4 .

Rвх/ rc= 1,85;   следовательно R вх= 1,85rc =10,52 мм

 Находим

7. Определяем  число Рейнольдса Reвх и выбираем коэффициент трения

7) Определяем эквивалентную геометрическую характеристику.

Аэ1=

Геометрическая характеристика с учетом вязкости отличается от расчетной идеальной менее чем на 5%, то найденные размеры форсунки принимаем действительными.

Размеры

мм

R k

12,03

h форсун

10,07

r c

6,71

r нар сопл

8,51

δ стенки

2,00

r вх

1,96

d вх

3,92

R вх

10,07

9.     Спецчасть работы - пироклапан отсечки окислителя.

Пироклапан предназначен для перекрытия линии подачи окислителя в камеру сгорания при выключении двигателя. Для срабатывания пироклапана применен пиропатрон ДП1А-3, устанавливаемый в гнездо угольника 2.

Материалы основных деталей пироклапана следующие:

·                                корпус 1 и клапан 5- алюминиевый сплав  Д16;

·                                поршень 3- алюминиевый сплав АК8;

·                                чека 4- бронза БрАЖ-9;

·                                пружина 6- сталь 1Х18Н9Т;

Работа клапана отсечки окислителя.

В открытом положении ( до начала пуска, а также в процессе его работы) клапан 5 удерживается чекой 4. При подаче напряжения на пиропатрон происходит воспламенение его заряда; силой давления продуктов сгорания на поршень 3 срезается уплотнительный буртик чеки 4, которая выходит из зацепления с клапаном 5 и заклинивается по конусной поверхности в угольнике 2. Под действием силы пружины 6 и перепада давлений клапан 5 перемещается и заклинивается в седле, выполненном в выходном штуцере корпуса 1, прекращая доступ окислителя в камеру сгорания.

Расчет клапана отсечки окислителя.

На подвижную часть клапана действуют следующие силы:

1.     Со стороны входа действует сила:

23589,3 Па

D- диаметр входа (выхода)

2.     Со стороны выхода давление за клапаном:

d- диаметр поршня. 

3.     В газовой полости начальное давление ргн создает:

D1- диаметр газовой полости между пирозарядом и поршнем

ргн - примем равное нормальному атмосферному давлению (

4.     Под действием этих сил, уплотнительный буртик чеки должен выдержать приложенные нагрузки. Определим усилие на его срез:

кн- коэффициент запаса на непрорыв кн=1,2…..2

5.     Давление в газовой полости после сгорания заряда:

=5225104,2 Па

кп - коэффициент запаса на прорыв, кп=0,6….0,7

6.     Из уравнения состояния 

Vг – объем газовой полости между пирозарядом и поршнем

z- массовая доля конденсата в ПС 

 

9.   Расчет общей несущей способности оболочки камеры сгорания.

Несущая способность конструкции при пластичном состоянии представляет собой ее способность сопротивляться приложенным нагрузкам, с сохранением ее размеров и формы в допускаемых пределах.

Принимаются следующие допущения:

1.     Материал оболочек упруго-пластичный, одинаково работает на сжатие и растяжение.

2.     Оболочки цилиндрические, тонкие (

3.     Связи оболочек абсолютно жесткие в радиальном направлении, их работой в продольном направлении пренебрегаем.

4.     Влияние краевого эффекта на напряженное состояние оболочек не учитывается ( бесконечно длинная оболочка).

5.     Давление газов в расчетном сечение считаются равно распределенным по периметру оболочки.

6.     Температурное поле в оболочках осесеметрично. Температура определяется как среднее значение между температурами на внутренних и наружних поверхностях оболочки.

Исходные данные:

·        Толщина стенки-

·        Радиус камеры – R

R= 170 мм

·        Температура стенки – t

t1=500 0C

t2=100 0C

1.       Задаем Еп  в  диапозоне

№

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

En

0,002

0,0025

0,005

0,0075

0,01

0,0125

0,015

0,0175

0,02

0,0225

2.     Находим приращение радиуса под действием нагрузки:

0,254

0,3175

0,635

0,9525

1,27

1,5875

1,905

2,2225

2,54

3,175

    2*10-3*       127 =            мм

    2,5*10-3*    127=    мм

     5*10-3*      127=    мм

    7,5*10-3*    127=    мм

    10*10-3*     127=   мм

    12,5*10-3*  127=   мм

    15*10-3*     127=   мм

    17,5*10-3*  127=   мм

    20*10-3*     127=   мм

  22,5*10-3*  127=   мм

3.     Определяем при заданных температурах:

При t1=500 0C     1/град

При t2=100 0C      1/град

Зная , находим Et - коэффициент температурного расширения:

                              

Et1=0,0096500                                          Et2=0,0009600

4.     Находим окружную деформация для каждой оболочки:

E y1

E y2

1

-0,0077

0,0010

2

-0,0072

0,0015

3

-0,0047

0,0040

4

-0,0022

0,0065

5

0,0004

0,0090

6

0,0029

0,0115

7

0,0054

0,0140

8

0,0079

0,0165

9

0,0104

0,0190

10

0,0154

0,0240

5.     Принимаем окружные  напряжения для каждой оболочки, согласно их температурам и деформации En по диаграмме деформирования стали ЭП53 и сплава БрХ08: (значения в Мпа)

№

En

1

0,002

-204,05

176,58

2

0,0025

-202,09

230,54

3

0,005

-188,35

318,83

4

0,0075

-166,77

348,26

5

0,01

9,81

367,88

6

0,0125

161,87

380,63

7

0,015

193,26

389,46

8

0,0175

206,01

402,21

9

0,02

212,88

410,55

10

0,0225

215,82

426,74

6.     Находим давление в камере сгорания Рг.

№

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Pr, МПа

0,958

2,263

4,565

5,600

8,844

11,540

12,243

12,745

13,050

13,479

7. Строим графики:

10.          ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СХЕМА ДВИГАТЕЛЯ.

Перед заправкой баков ракеты компонентами топлива электропневмоклапаны 5, 6, 8 и 14 находятся в обесточенном состоянии, клапаны горючего 17 и окислителя 7 открыты на предварительную ступень.

При подаче в управляющую полость клапана 7 воздуха давлением 50±2 атм с предыдущей ступени ракеты клапан окислителя закрывается. Производится заполнение шаробаллона 13 газообразным азотом давлением 200 ±5 атм от наземной установки через обратный клапан 12.

При заправке баков ракеты компонентами топлива жидкий кислород заполняет насос до клапана окислителя 7; горючее, заполнив магистрали двигателя, через клапан 29 перепускается в бак ракеты.

Перед запуском двигателя включается продувка форсуночной головки по линии горючего и пояса дополнительного охлаждения камере сгорания. Продувка осуществляется газообразным азотом, подаваемым с предыдущей ступени ракеты через обратные клапаны 3 и 34. В процессе продувки в камере сгорания лепестковой диафрагмой пирозажигательного устройства 2, установленного в критическом сечении, поддерживается определенное давление, обеспечивающее надежное воспламенение пиропатронов.

Запуск двигателя в полете производится автоматически от системы управления при работающем двигателе предыдущей ступени ракеты. По команде на запуск двигателя подается напряжение на пиропатроны пирозажигательного устройства. Одновременно подается напряжение на пироклапан запуска 14, и азот из шаробаллона через редуктор давления поступает в управляющую систему двигателя.

Через 0,8 сек после воспламенения пиропатронов подается напряжение на электропневмоклапаны 5 и 6; воздух стравливается из управляющей полости клапана окислителя 7, клапан открывается на предварительную ступень и удерживается в этом положении разрывным болтом; отсечной клапан горючего 32 открывается при поступлении азота в управляющую полости. Одновременно с командой на открытие топливных клапанов (мембраны принудительного прорыва 4 и 42) прекращает продувка камеры сгорания с предыдущей ступени ракеты. Компоненты топлива поступают в камеру сгорания и воспламеняются. Двигатель выходит на режим предварительной ступени.

Через 0,95 сек после команды на запуск двигателя воспламеняется пороховая шашка газогенератора. Пороховая шашка при своем сгорании обеспечивает раскрутку турбины 22, а также создает необходимый тепловой импульс для начала процесса термического разложения НДМГ в газогенераторе 25. В конце горения пороховой шашки подаете напряжение на электропневмоклапан 8, управляющий клапаном 29. При открытии клапана 29 горючее подходит к обратному клапану 24, одновременно прекращается перепуск горючего в бак ракеты.

При снижении давления пороховых газов горючее, открывая обратный клапан 24, поступает в газогенератор и разлагается, обороты турбонасосного агрегата увеличиваются. С увеличением давления компонентов топлива за насосами клапаны горючего 17 и окислителя 7 открываются на главную ступень (клапан окислителя резко открывается после разрушения разрывного болта). При повышении давления газов в камере сгорания происходит выброс пирозажигательного устройства.

При работе двигателя на режиме главной ступени жидкий кислород через обратный клапан 15 поступает в испаритель 23, где испаряется засчет тепла отработанных газов турбины и идет на наддув бака окислителя. Наддув бака горючего осуществляется продуктами разложения НДМГ, которые отбираются после газогенератора и балласти­руются жидким горючим в смесителе 20.

Для управления полетом ракеты отработанный газ после турбины и испарителя по трубопроводам подается в рулевые сопла 26, 37 и 40. Не­обходимый для управления полетом момент сил создается перераспреде­лением расходов газа через неподвижно закрепленные рулевые сопла при помощи заслонок газораспределителей 27, 35 и 38.

При выключении двигателя срабатывает пироклапан окислителя 31, одновременно снимается напряжение с электропневмоклапанов 5, 6, 8, 14 и все пневмоклапаны, за исключением клапана окислителя 7, закры­ваются. Одновременно открывается перепуск горючего в бак ракеты. Двигатель выключается.

11. Описание конструкции двигателя по разрезу, представленному в графической части.

Камера сгорания (КС) выполнена в виде паяно- сварной неразъемной конструкции и состоит из форсуночной головки 1 и нижней части, включающие среднюю часть 2 и две секции сопла.

Форсуночная головка состоит из 37 центробежных двухкомпонентных форсунок и 24 центробежных  однокомпонентных жидкостных форсунок горючего для охлаждения паяного шва и огневого днища. Расположение форсунок концентрическое с переменным шагом: а=28 мм для двухкомпонентных, и а=20 мм для однокомпонентных.  Применение двухкомпонентных форсунок обеспечивает смешение компонентов в одной фазе вблизи плоскости форсунок в КС, что приводит к более интенсивному протеканию процессов горения и уменьшению объема КС.

Скрепление наружного днища с внутренним и средним выполнено с помощью форсунок штырей. Проточная часть форсунок штырей не отличается от основных форсунок.

Стык между форсуночной головкой и нижней частью образован сваркой по огневой стенке, а также по опорному и биметаллическо­му кольцам .

В связи с тем что при силовых нагрузках титановые сплавы мо­гут самопроизвольно возгораться в среде жидкого кислорода, все детали полости окислителя форсуночной головки выполнены из ста­ли или бронзы. Для стыковки стального корпуса головки с рубаш­кой средней части, выполненной из титанового сплава, предусмот­рено биметаллическое кольцо. Кольцо состоит из внут­ренней стальной и наружной титановой частей, спаянных между со­бой твердым медно-серебряным припоем по специальной резьбе, имеющей круглый профиль, а также по круговым торцовым шипам. Так как паяное соединение биметаллического кольца недостаточно пластично то осевые и радиальные нагрузки, возникающие при ра­боте камеры, воспринимаются резьбой и круговыми шипами, припой же-предназначен только для герметизации соединения.

В районе стыка форсуночной головки с нижней частью располо­жено шесть гнезд под клапаны отсечки горючего и три опорных вы­ступа для крепления камеры сгорания к ракете. На опорном коль­це установлены кронштейн под вибродатчик, шту­цер отбора горючего на питание газогенератора.

На камере сгорания предусмотрены замеры давления перед форсунками окислителя и горючего, давления газов в камере, тем­пературы горючего перед форсунками; штуцер замера давления га­за выполнен биметаллическим (медно-стальным). 

Средняя часть камеры сгорания, включающая цилиндрический участок, область втекания и начальный участок закритической ча­сти сопла, состоит из наружных рубашек с силовыми кольцами внутренних оребренных сте­нок, гофрированной проставки.

Соединение рубашек и колец с внутренними стенками осуществ­ляется путем пайки твердым медно-серебряным припоем по верши­нам ребер и кольцевым буртам стенок, а также по гофрированной проставке. Со стороны стыка с первой секцией сопла стенка сред­ней части припаяна к титановому кольцу, являющемуся продолже­нием рубашки и имеющему отверстия для протока горючего. При­нятое конструктивное оформление стыкового торца позволило по­лучить простой и надежный переход к цельнотитановой первой сек­ции сопла и разгрузить паяное соединение первой секции сопла в районе стыка со средней частью.

Сварной стык бронзовых стенок средней части удален от крити­ческого сечения в направлении к срезу и поддерживается гофриро­ванной проставкой.

 Первая секция сопла состоит из наружной рубашки, соединенной с внутренней стенкой  диффузионной пай­кой по вершинам двух гофрированных проставок. К торцам рубашки и стенки приварены кольца, улучшающие условия сварки со средней частью и второй секцией сопла. Рубашка  и стенка  второй секции сопла соединены между собой диффузионной пайкой по вершинам гофрированной проставки , а также по кольцам  установленным на торцах узла. Для обеспече­ния требуемого расхода охлаждающей жидкости в направлении к срезу сопла со стороны кольца в наружные зиги гофрированной проставки (попарно через один зиг) установлены заглушки , запирающие проток части горючего в сторону к крити­ческому сечению.

Соединение узлов нижней части между собой производится свар­кой по стенкам и через соединительные кольца. Форма соединитель­ных колец со стороны жидкости выбрана таким образом, чтобы ско­рости горючего на участках стыков были близки к скорости горю­чего в прилегающих участках зарубашечного тракта.