Оглавление.
Стр.
1. Аннотация.
2. Задание.
3. Выбор оптимальных параметров.
4. Изменение поверхности горения по времени.
5. Профилирование сопла.
6. Расчет ТЗП.
7. Приближенный расчет выхода двигателя на режим по начальной поверхности горения. Геометрические характеристики заряда камеры.
8. Расчет на прочность основных узлов камеры.
9. Расчет массы воспламенительного состава.
10. Описание конструкции.
11. Спец. часть проекта. УВТ.
12. Описание ПГС.
13. Литература.
1.Анотация.
Ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) получили в настоящее время широкое применение. Из опубликованных данных следует, что более 90 % существующих и вновь разрабатываемых ракет оснащаются РДТТ. Этому способствуют такие основные достоинства их, как высокая надежность, простота эксплуатации, постоянная готовность к действию. Наряду с перечисленными достоинствами РДТТ обладают рядом существенных недостатков: зависимостью скорости горения ТРТ от начальной температуры топливного заряда; относительно низким значением удельного импульса ТРТ; трудностью регулирования тяги в широком диапазоне.
РДТТ применяются во всех классах современных ракет военного назначения.
Кроме того, ракеты с РДТТ используются в народно- хозяйственных целях, например, для борьбы с градом, бурения скважин, зондирования высоких слоев атмосферы и.д.
Разнообразие областей применения и выполняемых задач способствовало разработке большого числа различных конструкций, отличающихся габаритными, массовыми, тяговыми, временными и другими характеристиками. Некоторые представления о широте применения могут дать характеристики тяги РДТТ, находящиеся в крайних областях этого диапазона. Для РДТТ малых тяг значение тяги находится в пределах от 0,01 Н до 1600 Н. Тяги наиболее крупных двигателей достигают десятков меганьютонов. Например, для РДТТ диаметром
6,6 м тяга составляет 31 МН.
В данной работе рассмотрен вопрос проектирования в учебных ( с использованием ряда учебных пособий) РДТТ верхней ступени ракеты носителя, на смесевом топливе, полагающий знакомство с основами расчета и проектирования твердотопливных двигателей, методиками определения основных параметров двигателя, расчетом прочности, примерами проектирования топливных зарядов.
3. Выбор оптимальных параметров и топлива.
Тяга двигателя в пустоте P(Н)= 30000
Время работы двигателя ?(с)= 25
Давление на срезе сопла P a(Па)= 10270
Топливо ARCADENЕ 253A
Начальная скорость горения u1(мм/с)= 1,554
Показатель степени в законе горения ? 0,26
Коэффициент температурного влияния на ? t= 0,00156
скорость горения
Начальная температура топлива tн(°С)= 20
Начальная температура топлива Tн(К)= 293,15
Плотность топлива ?(кг/м^3)= 1800
Давление в камере сгорания P k(Па)= 6150000
Скорость горения при заданном давлении u(мм/с)= 4,558
Температура продуктов сгорания T(К)= 3359,6
Молекулярный вес продуктов сгорания ?(кг/кмоль)= 19,531
Средний показатель изоэнтропы на срезе сопла n= 1,152
Расчётный удельный импульс Iу(м/с)= 2934,8
Расходный комплекс ?(м/с)= 1551,5
Идеальный пустотный удельный импульс Iуп(м/с)= 3077,3
Удельная площадь среза сопла Fуд (м^2с/кг)= 30,5
Относительная площадь среза сопла Fотн= 54,996
Коэффициент камеры ?к= 0,980
Коэффициент сопла ?с= 0,960
Коэффициент удельного импульса ?I’ 0,941
Коэффициент расхода ?с= 0,990
Коэффициент расходного комплекса ??’ 0,990
Действительный расходный комплекс ?(м/с)= 1535,828
Действительный удельный пустотный импульс Iуп(м/с)= 2895,124
Действительный расход газа m(кг/с)= 10,362
Площадь минимального сечения Fм(м^2)= 0,003
Средняя поверхность горения ?(м^2)= 1,263
Высота свода e0(мм)= 113,947
e0(м)= 0,114
Отношение площадей k=Fсв/Fм= 3,000
Площадь свободного сечения канала Fсв(м^2)= 0,008
Требуемая масса топлива mт(кг)= 259,056
Количество лучей звезды i= 6
Угол q(°)= 67,000
e=0,7…0,8 0,750
Полуугол q/2(р рад)= 0,585
Угол элемента звезды a(рад)= 0,393
Первый вариант расчёта длины топливного заряда
A= 0,817
H= 0,084
Диаметр камеры D= 0,396
Площадь камеры сгорания Fк= 0,123
Радиус камеры R(м)= 0,198
Отношение высоты свода к диаметру камеры e0/D= 0,288
Относительная величина вылета крышки m= 0,500
Величина вылета крышки b(м)= 0,099
Приближённый обьём элиптического днища V(м^3)= 0,008
Обьём занимаемый двумя днищами V(м^3)= 0,016
Относительный радиус скругления свода r/D= 0,015
Радиус скругления свода r(м)= 0,006
Радиус скругления луча r1(м)= 0,005
Вспомогательная площадь F1(м^2)= 0,003
Вспомогательная площадь F2(м^2)= 0,006
Вспомогательная площадь F3(м^2)= 0,003
Площадь остаточного топлива Fост(м^2)= 0,004
Длина обечайки камеры сгорания L(м)= 1,229
Длина заряда вначале горения L1(м)= 1,328
Длина камеры сгорания вместе скрышками L(м)= 1,427
Относительная длина камеры Lот=L/D= 3,605
Материал обечайки двигателя Композит материал
(стеклопласт ППН)
Плотность материала обечайки двигателя ?(кг/м^3)= 2070,000
Прочность материала обечайки двигателя ?в (Мпа)= 950
Материал днищ двигателя Титановый сплав ВТ14
Плотность материала днищь двигателя ?(кг/м^3)= 4510,000
Прочность материала днищь двигателя ?в(Мпа)= 1000
Коэффициент запаса прочности n= 1,400
Толщина днища ? дн= 0,002
Толщина обечайки ? об= 0,002
Масса обечайки двигателя
топливо заполняет одно днище mоб= 5,679
Масса днища двигателя mдн= 2,572
Суммарная масса топлива, днищь и обечайки mдв= 269,881
топливо заполняет одно днище
Приближенный расчет выхода двигателя на стационарный режим
Геометрические характеристики заряда и камеры
Диаметр заряда D, м= 0,387
Длина заряда l, м= 1,365
Длина камеры сгорания L, м= 1,462
Диаметр критического сечения d, м= 0,057
Площадь критического сечения Fкр, м2= 0,003
Площадь проходного сечения F= 0,005
Давление выхода на режим
Давление вскрытия сопловой диафрагмы
Характеристики топлива и условия его горения
Даление в камере сгорания р, Мпа= 6,15
Давление воспламенения рВ, Па= 1845000
Начальная скорость горения u, м/с= 0,001554
Плотность топлива ?, кг/м3= 1800
Температура продуктов сгорания Т, К= 3359,6
Молекулярный вес продуктов 19,531
сгорания ?, кг/кмоль=
Показатель изоэнторпы K= 1,164
Коэффициент тепловых потерь ?= 0,95
Коэффициент расхода ?2= 0,95
Показатель скорости горения ?= 0,26
Предварительные вычисления
Объем одной крышки Vт, м3= 0,007600335
Площадь поверхности горения Sт, м2= 1,26
Свободный объем камеры сгорания Vсв, м3= 0,014663394
Газодинамическая функция A(k) = 0,641445925
Параметр заряжания N= 7,61987E-06
Расчет установившегося давления
Величина давления при N1=N pуст, Па= 8246824,202
Величина ? в первом приближении 0,00337207
Значение N1 в первом приближении 7,64566E-06
Величина установившегося давления
во втором приближении руст, МПа= 8,209266925
Относительное отклонение давлений
на приближениях ?р= 0,00455415
Принимаем величину установившегося давления 8,209266925
руст, Мпа
Расчет давления в период выхода двигателя на режим
Величина а, с-1= 92,7601292
Время выхода на режим ?,с= 0,0397
Интервалы времени ??, сек 0,00397
Время ?, Относительное Действительное
сек давление давление
0,004 0,4936 4,052
0,008 0,6406 5,259
0,012 0,7475 6,136
0,016 0,8237 6,762
0,02 0,8774 7,203
0,024 0,915 7,511
0,028 0,9411 7,726
0,032 0,9593 7,875
0,036 0,9718 7,978
0,04 0,9806 8,05
4.Изменение поверхности горения по времени.
Высота свода заряда: е0 = 0,114м.;
Длина заряда: L = 1,328м.;
Длина луча заряда: Н = 0,070м.;
Радиус камеры сгорания: R = 0,198м.;
Величина вылета крышки: b = 0,092м.;
Радиус скругления свода: r = 0,005м.;
Радиус скругления луча: r1 = 0,8?r = 0,0044.;
Полуугол раскрытия лучей: ? = ?/2 = 33,53? = 0,585 рад.;
Угол эл-та звезды:
? = 0,44779 рад.;
Длина луча без радиуса скругления: x = H – r = 0,179-0,006 = 0,0781 м;
Скорость горения топлива: u = 4,558 мм/с = 0,00456м/с.;
Определим периметр и площадь горения в начале и в конце каждой фазы.
Начало новой фазы соответствует параметрам конца предыдущей фазы.
Полученные данные представлены в таблице.
SI.нач = ПI.нач?L ;
SI.кон = ПI.кон?L
Периметр и поверхность горения в начале и в конце II фазы:
ПII.нач = ПI.кон = 0,7733 м.;
SII.нач = SI.кон = 1,0273 м.2;
SII.кон = ПII.кон?L
Периметр и поверхность горения в начале и в конце III фазы горения (конец
III фазы горения в момент времени ? = 25с.).
ПIII.нач = ПII.кон = 0,8085м.;
SIII.нач = SII.кон = 1,0739 м.2;
SIII.кон = ПIII.кон?(L-b)
Фаза I II III
Периметр 0,77335835 0,80849185 1,2358041
горения
Площадь 1,02726667 1,07393517 1,5192155
горения
5.Профилирование сопла.
- геометрическая степень расширения сопла;
Fм = 0,00259 м2;
Диаметр минимального сечения:
Площадь среза сопла:
Диаметр среза сопла:
Радиусы скругления:
R1 = 1,5?Rм = 1,5?0,006/2 = 0,0917м.;
R2 = 0,5? Rм = 0,5?0,006/2 = 0,0306м.;
Угол касательной к контуру сопла на выходе ?а = 0,106 рад. = 6,073?;
Относительная длина сопла:
;
Угол на входе в сверхзвуковую часть сопла: ?b = 0, 6 рад. = 34,38?;
Длина сопла:
6.Расчет ТЗП.
Определение коэффициентов теплопроводности.
Камера сгорания.
Давление в камере сгорания: р = 6,15 Мпа;
Температура продуктов сгорания:
Т = 3359,6 К;
Средний молекулярный вес продуктов сгорания:
? = 19,531 кг/кмоль;
Теплоемкость продуктов сгорания:
Ср = 3345 ;
Коэффициент динамической вязкости:
? = 0,9330 ;
Коэффициент теплопроводности:
? = 0,9812;
Массовый расход продуктов сгорания:
кг/сек;
Смоченный периметр заряда:
П = 0,7734 м.;
Начальная площадь проходного сечения:
Fсв = 0,00776 м2;
Эквивалентный гидравлический диаметр:
Приведенный диаметр проходного сечения (для расчета лучистого теплового потока):
Средняя длина луча: l = 0,9?dсв. = 0,9?0,283 = 0,0895м.;
Средняя плотность продуктов сгорания:
Принимаем температуру поверхности Тст = 2100К;
Переднее Днище.
Коэффициент конвективной теплоотдачи (свободная конвекция):
, где ? – ускорение = 9,81 м/с.; тогда
Определяем коэффициент лучистой теплоотдачи:
Коэффициент Стефана-Больцмана: C0 = 5,67
Массовая доля конденсата:
Z = 0,317;
Принимаем оптический диметр частиц: d32 = 3 мкм.;
Степень черноты изотермического потока продуктов сгорания:
?р = 0,229 +0,061?d32 + 0,00011?Т – 0,3684?Z+0.00502?p-0,00338?l =
= 0,229 +0,061?3 + 0,00011?3411 – 0,3684?0,317+0.00502?10-
0,00338?0,2547 = 0,6965;
Принимаем степень черноты материала:
?ст. = 0,8;
Эффективная степень черноты:
?эф.ст. = (1+ ?ст.)/2 = (1+0,8)/2 = 0,9;
Лучистый тепловой поток:
Коэффициент лучистой теплоотдачи:
Суммарный коэффициент теплоотдачи:
? = ?л + ?к = 3046,02+687,41 = 3733,425
Заднее днище.
Коэффициент конвективной теплоотдачи (вынужденной):
Nu = 0,023?Re0,8?Pr0,4;
Определяем скорость продуктов сгорания у заднего днища:
Критерий Рейнольдса:
Критерий Прандтля:
;
Критерий Нюсельта:
Nu = 0,023?1826929,5280,8?0,30880,4 = 774,04;
Коэффициент конвективной теплоотдачи:
Коэффициент лучистой теплоотдачи:
?л = 3046,02
? = ?л + ?к = 18914,7+3046,02 = 21960
Критическое сечение.
Давление продуктов сгорания в критическом сечении:
Ркр = 3534720 Па;
Температура в основном потоке газа:
Т = 3162,3 К;
Температура торможения:
Т0 = 3359,6 К;
Средний молекулярный вес продуктов сгорания:
? = 19,410 кг/кмоль;
Теплоемкость ПС:
Ср = 1898 ;
Коэффициент динамической вязкости:
? = 0,0000879
?0 = 0,0000915
Коэффициент теплопроводности:
? = 0,8914 ;
Массовый расход ПС:
кг/сек;
Площадь критического сечения:
Fм = 0,0026 м2;
Диаметр минимального сечения: dм = 0,057м.;
Температура поверхности: Тст. = 2300 К;
Критерий Прандтля:
;
Определяющая температура:
Тf = 0,5?(Т+Тст)+0,22?Pr1/3(T0-T) = 0,5?(3195+2300) +0,22?0,3111/3(3411-
3195)=2756,1 К;
Коэффициент динамической вязкости при Тf :
?f = 0,0000798
Плотность газа при Тf :
Плотность газа при Т0 :
Поправка:
;
Радиус кривизны: r = dм/2 = 0,057/2 = 0,0287 м.;
Коэффициент конвективной теплоотдачи:
Коэффициент лучистой теплоотдачи:
qл – лучистый тепловой поток в камере сгорания.
Суммарный коэффициент теплоотдачи:
? = ?л + ?к = 2224,73+56687,34 = 58912,068
Срез сопла.
Давление продуктов сгорания в критическом сечении:
Ркр = 10270 Па;
Температура в основном потоке газа:
Т = 1480 К;
Температура торможения:
Т0 = 3660 К;
Средний молекулярный вес продуктов сгорания:
? = 19,42 кг/кмоль;
Теплоемкость ПС:
Ср = 1650,1 ;
Коэффициент динамической вязкости:
? = 0,00006452
?0 = 0,00008
Коэффициент теплопроводности:
? = 0,1745 ;
Массовый расход ПС:
кг/сек;
Площадь среза сопла:
Fа = 0,14233 м2;
Диаметр на срезе сопла: dа = 0,458м.;
Температура поверхности: Тст. = 1600 К;
Критерий Прандтля:
;
Определяющая температура:
Тf = 0,5?(Т+Тст)+0,22?Pr1/3(T0-T) = 0,5?(1480,3+1600)
+0,22?0,44971/3(3360-1480)=1990 К;
Коэффициент динамической вязкости при Тf :
?f = 0,00006036
Плотность газа при Тf :
Плотность газа при Т0 :
Поправка:
;
Радиус кривизны: r = dа/2 = 0,5188/2 = 0,2594 м.;
Коэффициент конвективной теплоотдачи:
Коэффициент лучистой теплоотдачи:
Суммарный коэффициент теплоотдачи:
? = ?л + ?к = 25,678+143,641 = 169,32
Расчет ТЗП.
1.Переднее днище.
Время работы двигателя 25 секунд.
Материал стенки: ВТ-14;
Плотность: ?М = 4510 кг/м3;
Прочность материала днища: ? = 1000 МПа;
Теплоемкость титанового сплава: СрМ = 586
Теплопроводность: ?М = 16,9
Коэффициент теплопроводности: аМ = 0,00000642 м2/сек;
Толщина днища: ?дн = 0,00445 м.;
Допустимая температура стенки: Тg = 900 К;
Начальная температура материала: Т = 293,15 К;
Материал теплозащитного покрытия: ZiO2;
Плотность: ?п = 4400 кг/м3;
Теплоемкость покрытия: СрП = 733
Теплопроводность: ?П = 0,72
Коэффициент теплопроводности:
Коэффициент теплоотдачи: ? = 4168,836
Определяем толщину ТЗП для ряда температур стенки (титанового сплава):
Диапазон экслуатационных температур разделим на равные промежутки и проведем расчет по следующим формулам для каждого из них. Данные представлены в таблице:
Температурный симплекс:
;
Коэффициенты аппроксимации, при ? = 0,2…20;
;
Допустимы ряд 600 650 700 750 800 850
темпер-тур Т
(К)
?= 0,8999 0,8836 0,8673 0,8510 0,8347 0,8184
lg?0= 0,0122
С= 0,4000
А= 0,4500
lg?-lg?0= -0,0580 -0,0659 -0,0740 -0,0823 -0,0907 -0,0992
1/М= 0,0036 0,0036 0,0036 0,0036 0,0036 0,0036
?п(м)= 0,0067 0,0061 0,0056 0,0051 0,0048 0,0045
2.Заднее днище.
Время работы двигателя 25 секунд.
Материал стенки: ВТ-14;
Плотность: ?М = 4510 кг/м3;
Прочность материала днища: ? = 1000 МПа;
Теплоемкость титанового сплава: СрМ = 586
Теплопроводность: ?М = 16,9
Коэффициент теплопроводности: аМ = 0,00000642 м2/сек;
Толщина днища: ?дн = 0,00445 м.;
Допустимая температура стенки: Тg = 900 К;
Начальная температура материала: Т = 293,15 К;
Материал теплозащитного покрытия: ZiO2;
Плотность: ?п = 4400 кг/м3;
Теплоемкость покрытия: СрП = 733
Теплопроводность: ?П = 0,72
Коэффициент теплопроводности:
Коэффициент теплоотдачи: ? = 4168,836
Определяем толщину ТЗП для ряда температур стенки (титанового сплава):
Диапазон экслуатационных температур разделим на равные промежутки и проведем расчет по следующим формулам для каждого из них. Данные представлены в таблице:
Температурный симплекс:
;
Коэффициенты аппроксимации, при ? = 0,2…20;
;
Допустимы ряд 600 650 700 750 800 850
темпер-тур Т
(К)
?= 0,8999 0,8836 0,8673 0,8510 0,8347 0,8184
lg?0= 0,0122
С= 0,4000
А= 0,4500
lg?-lg?0= -0,0580 -0,0659 -0,0740 -0,0823 -0,0907 -0,0992
1/М= 0,0036 0,0036 0,0036 0,0036 0,0036 0,0036
?п(м)= 0,0068 0,0062 0,0057 0,0053 0,0050 0,0046
3.Критическое сечение.
Время работы двигателя 18 секунд.
Материал стенки: ВТ-14;
Плотность: ?М = 4510 кг/м3;
Прочность материала днища: ? = 1000 МПа;
Теплоемкость титанового сплава: СрМ = 586
Теплопроводность: ?М = 16,9
Коэффициент теплопроводности: аМ = 0,00000642 м2/сек;
Толщина днища: ?дн = 0,004 м.;
Допустимая температура стенки: Тg = 800 К;
Начальная температура материала: Т = 293,15 К;
Материал теплозащитного покрытия: Углерод (пирографит);
Плотность: ?п = 2200 кг/м3;
Теплоемкость покрытия: СрП = 971
Теплопроводность: ?П = 5
Коэффициент теплопроводности:
Коэффициент теплоотдачи: ? = 77954,46
Определяем толщину ТЗП для ряда температур ...
ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами реферата (доклада, курсовой) урезан на треть (33%)!
Чтобы просматривать этот и другие рефераты полностью, авторизуйтесь на сайте:
|
|
