Проектирование твердотопливного ракетного двигателя третьей ступени трехступенчатой баллистической ракеты

/i>2.2 Расчет щелевого заряда РДТТ

Заряд щелевого типа имеет цилиндрическую форму, внутренний канал диаметром , четыре щели (пропила) шириной b, высотой , расположенные в сопловой части заряда. По длине заряд делится на три части, а именно: цилиндрическую (), переходную () и щелевую ().

Исходные данные:

- число щелей ;

- вид топлива смесевое;

- плотность топлива ;

- тяга двигателя ;

- время работы двигателя ;

- скорость горения топлива ;

- удельный импульс тяги .

с учетом потерь

Порядок расчета.

Относительная толщина свода заряда = 0,3...0,5.

Принимаем .

Толщина свода заряда .

Наружный диаметр заряда .

Диаметр канала .

Ширина щелей .

Масса топлива РДТТ

Объем топлива .

Средняя поверхность горения .

Диаметр камеры сгорания

где = 0.8 - плотность заряжания;

L/D=0,5...1,5. Принимаем L/D=1,37.

Длина цилиндрического участка РДТТ

.

Общая длина заряда

.

где k = 1.06 - коэффициент, учитывающий наличие щелей.

Длина щелевой части заряда

.

Периметр щелевой части заряда

,

где - площадь поверхности внутреннего канала;

- площадь поверхности торца заряда;

;

;

Размеры щелей.

Высота щели

Размер перемычки

.

Запас на ТЗП, ЗКС и обечайку

2.3 Расчет характеристик прогрессивности щелевого заряда РДТТ

Горение заряда твердого топлива называют прогрессивным, если поверхность горения увеличивается. Характеристикой прогрессивности заряда называется отношение площади горящей поверхности заряда к начальной величине площади заряда. Характеристика прогрессивности горения заряда является определяющим фактором для поддержания постоянного давления в камере сгорания, а, следовательно, и для поддержания постоянства тяги двигателя по величине.

Исходные данные:

- Наружный радиус заряда R3 = 0,7285 м;

- Радиус канала rвн = 0,2185 м;

- Полная длина заряда Lз = 1,611 м;

- Длина щелевой части заряда Lщ = 0,113 м;

- Половинная ширина щели д = 0,0145 м.

Рис. 8. Сектор щелевого заряда

Порядок расчета:

Определяем углы б0 и ц0 в начальный момент горения:

Полная начальная площадь горения заряда:

Определение начального объема заряда:

Определяем граничное значение е=e', при котором исчезает дуговая часть периметра канала щелевой части (ц=р/4):

.

Определяем максимальное значение lmax:

.

Для ряда значений е[0,lmax] определяем текущую площадь поверхности горения и объем заряда (л=0,6):

Определяем характеристики прогрессивности у и ш для найденных значений S и w, результаты заносим в таблицу:

.

e, м	0	0,1	0,2	0,3	0,4
	1,14	9,043	17,124	25,576	34,679
	3,8	21,069	30,833	37,341	42,08
S,	5,695	6,228	6,494	6,488	6,189
	2,438	2,106	1,671	1,162	0,611
	1	1,094	1,14	1,139	1,087
	0	0,136	0,314	0,523	0,749

Вывод:

Постоянство (примерное) значения величины у говорит о том, что тяга РДТТ остается величиной постоянной при полном выгорании топлива.

2.4 Расчет звездчатого заряда РДТТ

Звездчатые заряды нашли очень широкое применение в современных двигателях твердого топлива, благодаря отработанной технологии изготовления и высокому коэффициенту внутреннего заполнения, однако звездчатые заряды имеют дигрессивные остатки топлива, которые можно устранить профилированием внутренней поверхности камеры сгорания и применением вкладышей из легких материалов.

Также по сравнению со щелевыми зарядами они дают меньшее время работы, а также наличие участков с повышенной концентрацией напряжений.

Исходные данные:

Тяга двигателя Р = 160 кН;

Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с2;

Время работы двигателя ф = 60 с;

Диаметр заряда Dз = 1,457 м;

Плотность топлива ст = 1770 кг/м3;

Температура горения топлива Тк = 3300 К;

Скорость горения топлива u = 0,0085 м/с;

Удельный импульс тяги с учетом потерь Jуд = 2352 м/с;

Газовая постоянная R = 307 Дж/(кг·К);

Давление в КС рк = 4 МПа;

Порядок расчета:

Величина скорости горения, которую можно допустить в канале заряда, исходя из условия отсутствия эрозионного горения:

,

где - удельный вес топлива;

- приведенная сила топлива.

Площадь канала при отсутствии эрозионного горения:

,

где - вес топлива;

- масса топливного заряда;

ч=1 - коэффициент тепловых потерь.

Находим потребный коэффициент заполнения поперечного сечения камеры:

,

где - площадь КС.

Определяем потребное значение относительной толщины свода заряда:

.

По графикам зависимостей подбираем число лучей nл и тип заряда, обеспечивающий потребный коэффициент заполнения. Выбираем звездчатый заряд со скругленными углами nл = 6.

По графикам и определяем характеристику прогрессивности горения заряда уs и коэффициент дигрессивно догорающих остатков лК. уs = 1,78; лК = 0,09.

Определяем длину заряда:

.

Угол раскрытия лучей:

.

Из технологических соображений выбираем радиус скругления:

.

По таблице определяем значение углов: в = 86,503; и = 40,535.

Определяем толщину свода заряда:

.

L3/D3 = 1,58/1,457 = 1,084 - это значение лежит в диапазоне среднестатистических данных для третьей ступени.



Рис. 1 Схема звездчатого заряда.

2.5 Расчет на прочность корпуса РДТТ

Расчет позволяет определить толщину элементов корпуса, находящихся под давлением газов в КС. Необходимо, чтобы корпус был прочен и имел минимальную массу и стоимость.

Исходные данные:

Давление в КС РДТТ	;
Внутренний диаметр КС	;
Материал обечайки КС	Сталь;
Предел прочности	;
Модуль упругости	;

Порядок расчета:

Толщина металлической обечайки корпуса

 м,

Где - коэффициент запаса прочности;

- временное сопротивление материала обечайки с учетом нагрева, которое равно

;

- коэффициент, учитывающий снижение прочности при нагреве .

- максимально возможное давление в КС РДТТ при максимальной температуре эксплуатации заряда

;

- максимальное расчетное давление в КС РДТТ;

- коэффициент, учитывающий разброс по давлению и скорости горения заряда, =1,15.

Принимаем м.

Расчет силовой оболочки сопловой крышки

Толщина сопловой крышки РДТТ

,

где - запас прочности сопловой крышки;

- внутренний диаметр силовой оболочки КС;

- предел прочности материала сопловой крышки;

- коэффициент, определяющий высоту днища по отношению к диаметру .

Для сопловой крышки принимаем тот же материал, что и для обечайки.

Принимаем .

Расчет переднего днища

Исходные данные:

Внутренний диаметр камеры	;
Диаметр заряда	;
Материал днища	Сталь;
Предел прочности	;
Диаметр отверстия под фланец	.

Порядок расчета:

Толщина днища

,

где - коэффициент, учитывающий снижение прочности днища от отверстия под воспламенитель,

.

Наиболее нагруженными являются точки стыка обечайки корпуса РДТТ и днища, а также стыка днища и воспламенителя.

Главные радиусы кривизны и для выбранных расчетных точек (рис. 9).

Рис. 9 Расчетная схема к определению радиусов кривизны днища и в расчетных точках днища.

Точка 1.

, ,

где - текущий радиус ;

а - большая полуось эллиптического днища ;

b - малая полуось эллиптического днища .

Главные радиусы кривизны в точке 1:

,

.

Толщина днища в точке 1

.

Принимаем

Точка 2.

Угол в точке 2, когда

равен .

Главные радиусы кривизны в точке 2:

,

.

Толщина днища в точке 2

Принимаем

3. Расчет теплозащитных покрытий РДТТ, выполненного по схеме «кокон»

3.1 Расчет тепловых потоков в элементах РДТТ

Исходные данные:

Диаметр КС
Диаметр входа в сопло
Диаметр критики сопла
Температура продуктов сгорания в камере
Расход газа через сопло

Расчет теплового потока у переднего днища

Коэффициент конвективной теплопередачи

,

Где - коэффициент теплопроводности продуктов сгорания;

- ускорение полета ракеты;

- коэффициент объемного расширения продуктов сгорания;

- температура поверхности теплообмена;

- коэффициент вязкости продуктов сгорания.

Суммарный коэффициент теплопередачи

,

Где - коэффициент теплопередачи излучением.

Суммарный тепловой поток от газа к поверхности переднего днища

.

Расчет теплового потока в стенку КС и сопловой крышки

Коэффициент конвективной теплопередачи

,

Где - теплоемкость продуктов сгорания.

Суммарный коэффициент теплопередачи

.

Суммарный тепловой поток от газа в стенку КС и сопловой крышки

.

Расчет тепловых потоков в стенку сопла

Коэффициент теплопередачи по сечениям сопла:

Сечение на входе в сопло

.

Сечение в критике сопла

.

Сечение сверхзвуковой части сопла

.

Сечение сверхзвуковой части сопла

.

Суммарный коэффициент теплопередачи

Для сечения на входе в сопло

.

Для сечения в критике сопла

.

Для сечения

.

Для сечения

.

Суммарный тепловой поток от газа в стенку сопла

Для дозвуковой части сопла

.

Для критики сопла

,

Где - температура газа в критическом сечении сопла (результат предварительных вычислений). Для критики расчет проводится с помощью таблиц газодинамических функций. В первом приближении можно принять: .

Для сверхзвуковой части сопла:

;

,

Где - температура газа в соответствующих сечениях сопла.

также определялась расчетом с помощью таблиц газодинамических функций. В первом приближении можно принять:

; .

3.2 Расчет теплозащитного покрытия двигателя

Исходные данные:

Время работы РДТТ
Начальная температура материала
Толщина стенки: переднего днища
обечайки корпуса
сопловой крышки
Коэффициент теплопередачи: переднее днище
обечайка корп. и сопловая крышка
Материал переднего днища и обечайки корпуса	ППН-100
плотность
удельная теплоемкость
допустимая температура нагрева
Материал сопловой крышки	28Х3СНМВФА (СП-28)
плотность
удельная теплоемкость
допустимая температура нагрева

Расчет толщины теплозащитного покрытия переднего днища

Для переднего днища, работающего в условиях высоких температур, но небольших скоростей движения газов, применяем фенольно-каучуковый материал ИРП-2049 (Р-161) - эластичное резиноподобное покрытие.

Теплофизические характеристики ИРП-2049:

Плотность
Удельная теплоемкость
Коэффициент теплопроводности

,

Где ; - коэффициент аппроксимации;

- константа аппроксимации;

- относительный параметр, равный

;

- коэффициент температуропроводности ТЗП

;

- температурный симплекс (безразмерная температура)

.

Принимаем толщину ТЗП переднего днища

Расчет толщины ТЗП обечайки корпуса и сопловой крышки

Для обечайки корпуса и сопловой крышки, работающих в условиях высоких температур и скоростей движения газов, применим слоистый материал на основе углеродных тканей, углепластик УПФК-1, имеющий следующие теплофизические свойства:

Плотность
Удельная теплоемкость
Коэффициент теплопроводности

Обечайка корпуса

Где - параметр, равный

 - коэффициент температуропроводности ТЗП

- температурный симплекс (безразмерная температура)

.

Сопловая крышка

где - параметр, равный

- температурный симплекс (безразмерная температура)

Принимаем: толщину ТЗП оболочки корпуса ; толщину сопловой крышки .

Расчет длины теплоизолируемой части КС

,

Где - длина цилиндрической части заряда;

- коэффициент заполнения цилиндрической части КС

,

- для скрепленного заряда;

;

- относительная толщина заряда;

Расчет теплозащитного покрытия сопла

Исходные данные:

Толщина стенки: входного раструба сопла
выходного раструба сопла
Коэффициент теплопередачи: воротник сопла
сопловой вкладыш в критике
сверхзвуковой раструб сопла
Материал входного раструба сопла	30Х2ГСНВМА (ВМ-Д)
плотность
удельная теплоемкость
допустимая температура нагрева
Материал выходного раструба сопла	30ХГСА
плотность
удельная теплоемкость
допустимая температура нагрева

Расчет толщины теплоизолирующего покрытия воротника

Для воротника сопла применяем углепластиковый материал УПФК-1:

Плотность
Удельная теплоемкость
Коэффициент теплопроводности

Расчет толщины ТЗП воротника проводим аналогично расчету толщины ТЗП камеры РДТТ. Считаем, что материал воротника работает как пассивное ТЗП.

,

Где коэффициенты аппроксимации;

- константа аппроксимации;

;

Где - теплоемкость стали 30ХГСА;

- плотность материала металлической основы конструкции воротника (30ХГСА).

- коэффициент температуропроводности ТЗП.

- температурный симплекс (безразмерная температура)

.

Принимаем толщину ТЗП воротника (в радиальном направлении).

Расчет толщины теплозащитного покрытия вкладыша сопла

Для вкладыша сопла применяется материал повышенной жаропрочности и жаростойкости, высокой эрозионной стойкости: графит марки АТ-1, имеющий следующие теплофизические свойства:

Плотность
Удельная теплоемкость
Коэффициент теплопроводности

 - коэффициент температуропроводности ТЗП.

- температурный симплекс (безразмерная температура)

Где - температура газа в критическом сечении.

Принимаем толщину ТЗП вкладыша

Расчет толщины теплозащитного покрытия выходного раструба сопла

Для выходного раструба сопла применяем углепластиковый материал УПФК-1:

Плотность
Удельная теплоемкость
Коэффициент теплопроводности

Для сечения сопла

- температурный симплекс (безразмерная температура)

Где - температура газа в сечении сопла .

Для сечения сопла

- температурный симплекс (безразмерная температура)

Где - температура газа в сечении сопла .

Принимаем толщину ТЗП выходного раструба сопла: ,

Литература

1. Гречух Л.И., Гречух И.Н. Проектирование РДТТ. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Омск, 2003.

2. Гречух Л.И., Гречух И.Н. Конструкция и проектирование РДТТ. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Омск, 2003.

3. Алиев А.М., Липанов А.М. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1995. 400с.

4. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. - М.: Машиностроение, 1991. 560с.

5. Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1991. 512с.

6. Расчет теплозащитных покрытий РДТТ. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Ракетные двигатели». Омск, 2004. 27с.

Страницы: 1, 2