КУрсач. Курсовой проект теория жидкостных ракетных двигателей Термодинамический расчет двигателя

• Название: Курсовой проект теория жидкостных ракетных двигателей Термодинамический расчет двигателя
• Анкор: КУрсач
• Дата: 16.04.2021
• Размер: 474.3 Kb.
• Имя файла: KR_TeoriaZhRD.docx
• Тип: Курсовой проект; #195407

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий

имени академика М. Ф. Решетнева»
Институт космической техники

институт
Кафедра технической механики

кафедра
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Теория жидкостных ракетных двигателей
Термодинамический расчет двигателя

Преподаватель _______________ Зуев А.А.

подпись, дата инициалы, фамилия

Обучающийся БРД18-01, 161413010 _______________ Сербулов В.А.

номер группы, зачетной книжки подпись, дата инициалы, фамилия

Красноярск 2020

Оглавление

Задание: 3

Основная часть 4

1.Определение удельной формулы топлива 4

2.Определение полной энтальпии 7

3.Параметры в камере двигателя 8

4.Построение контура камеры сгорания 12

5.Построение графиков 14

Список использованной литературы: 18

Задание:

1. 
   Провести термодинамический расчет двигателя со следующими исходными данными представленными в таблице 1:
   

Таблица 1 – Исходные данные двигателя

Окислитель	N2O4 + HNO3 (АК-27)
Горючее	С2H8 N2
Давление в камере	pk = 7 МПа
Давление на срезе	pа = 0,03 МПа
Давление наружное	pн = 0,02 МПа
Тяга	p = 400 кН

2. 
   Выполнить расчеты для построения двигателя:
   

• 
  рассчитать стехиометрическое соотношение компонентов, удельную формулу и энтальпию топлива;
  
• 
  для : (расчет на компьютере);
  
• 
  для : (расчет на компьютере);
  
• 
  для : Состав ПС в камере сгорания и на срезе, , , , , , , , , , потери в на завороженность в процентах, потери на охлаждение в процентах;
  
• 
  параметры камеры двигателя (КД): размеры и контур КД.
  

3. 
   Основные результаты расчетов, представить в пояснительной записке в виде таблицы после начальных данных.
   

4. 
   Построить графические зависимости:
   

• 
  состав ПС в КС от α (в масштабе);
  
• 
  , , от α, с нахождением ;
  
• 
  состав ПС по длине КД (в масштабе и с контуром КД)
  
• 
  T, P, , по длине КД (в масштабе и с контуром КД)
  

Основная часть

1. Определение удельной формулы топлива

До обращения к компьютеру можно сделать расчет удельных формул и их стехиометрического отношения.

Расчет удельной формулы топлива начинается с определения удельных формул окислителя и горючего.

1. 
   Молекулярная масса вещества
   

μ =
где – индексы элементы из молекулярной формулы, – атомная масса элемента

Для окислителя: μ(N₂O₄) = 2*14,01+4*16 = 92,02

μ(HNO₃) = 1,082+14,01+3*16=63,02

Для горючего: μ(С₂H₈ N₂)= 2*12,011+8*1,008+2*14,007=60,104

2. 
   Удельная формула вещества
   

где - индекс элемента из удельной формулы вещества

Для горючего С₂H₈ N₂:



Получаем удельную формулу горючего НДМГ
С_0,03328 H_0.1331 N_0.03328
Для окислителя N₂O₄ + HNO₃ :
Для HNO₃:




Удельная формула вещества H_0,01587 N_0,1587 O_0,0476
Для N₂O₄ :




Удельная формула вещества N_0,02173O_0,04347

3. 
   Массовое стехиометрическое соотношение компонентов
   

где - индексы из удельной формулы компонента, - максимальная валентность элемента с учетом знака.

4. 
   Массовое действительное соотношение компонентов
   

Где - средний коэффициент избытка окислителя. В данном расчете коэффициент рассчитывается на компьютере. Для этого используем исходные данные (давление в камере, на срезе и наружное, а также окислитель и горючее). Вначале с шагом в 0.1, находим коэффициент избытка окислителя в ядре, по самому большому значению удельного импульса. Для расчета коэффициента избытка окислителя в пристеночном слое, зададимся температурой в пристеночном слое (задаемся относительно огневой стенки при <1000 => 1700-2000, при >1000 => 2000-2200). Последним проводится расчет значения среднего коэффициента избытка окислителя. Его значение вычисляется по значениям избытка окислителя в ядре, пристеночном слое и тяги. Помимо значений избытка окислителя, были получены другие, необходимые для дальнейших вычислений, данные, которые приведены ниже (табл. 1).

5. 
   Удельная формула топлива в общем виде:
   

– индексы элементов из удельных формул горючего и окислителя соответственно. Рассчитаем коэффициенты для каждого элемента:





Удельная формула топлива:

2. Определение полной энтальпии

Полная энтальпия топлива находится по энтальпиям компонентов:


где , – полные энтальпии горючего и окислителя. Энтальпии горючего и окислителя возьмем из таблиц [1].

3. Параметры в камере двигателя

1. 
   Действительный удельный импульс
   

Действительный удельный импульс меньше идеального из-за потерь в камере сгорания, учитываемых коэффициентом (на неоптимальность α по поперечному сечению и на неполноту сгорания), и потерь в сопле, учитываемых коэффициентом сопла (на рассеяние, трение и неравномерность). Перед расчетом, сведем в таблицу параметры, рассчитанные при (для удобства, запишем и коэффициенты, заданные в этой части)

Потери в камере сгорания могут быть представлены как функция снижения от (

Они приводят к уменьшению как , так и расходного комплекса

Для расчета принимаем

Коэффициент сопла

Потери на рассеяние зависят от углы раскрытия сопла на срезе

где - угол раскрытия сопла на срезе. Задаемся =6.
Потери на трения зависят от геометрии сопла, свойств продуктов сгорания в простеночном слое и от относительной температуры стенки

где - температура продуктов сгорания в пристеночном слое, – температура огневой стенки, выбирается в зависимости от температуры пристеночного слоя ( <1000 => 1700-2000, >1000 => 2000-2200).

Находим угол раскрытия сопла в критическом сечении


Тогда, средний угол раскрытия сопла равен:

Примем и проверим его следующим расчетом

где , берем при .
Находим и Re, используя – ранее рассчитанные параметры в пристеночном слое (табл.1).



Найдем показатель адиабаты :

Это позволяет нам найти коэффициент, учитывающий потери на трение:



Находим коэффициент, учитывающий потери на неравномерность:


Тогда, коэффициент будет равен:

Сравним полученное значение с ранее принятым:
%

< 1%,
Найдем действительный удельный импульс, подставляя , полученное расчетным путем:

2. 
   Основные параметры в камере двигателя
   

Найдем расход топлива, горючего и окислителя:





Площадь критического сечения:

Диаметр критического сечения:

Диаметр среза сопла:


Приведённая длина камеры сгорания:

Объем камеры сгорания:

Найдем площадь поперечного сечения, сначала вычисли безразмерный комплекс :


Диаметр камеры сгорания:

Рассчитаем расходный комплекс

Также можно определить β с учетом потерь на не оптимальность α по поперечному сечению камеры двигателя и на неполноту сгорания :

Определим тяговый комплекс:

4. Построение контура камеры сгорания

Для построения контура камеры необходимо начать с критического сечения по следующим рекомендациям:

Выбираем сопряженные радиусы:





Угол входа -
После этого вычисляем длину цилиндрической части камеры сгорания и длину сверхзвуковой части сопла:





Контур сверхзвуковой части строим следующим способом. К дуге окружности радиуса r проводим прямую под углом к оси. На срезе проводим прямую под углом к оси. Прямые продолжаем до их пересечения. Полученные отрезки делим на 6 - 8 равных частей. Соответствующие точки соединяем прямыми. К этим прямым проводим плавную огибающую (параболу), которая образует собой контур сверхзвуковой части сопла. Полученный таким образом контур мало отличается от контура, рассчитанного методом характеристик. Получаем следующий контур (размеры даны в мм).



Рисунок 1 - Камера двигателя

5. Построение графиков

Таблица 1- Основные результаты расчёта параметров в КС при α_ср = 0,569

Тк	Rk	ή	Ta	Ra	Jу ид	Jуп ид	Jур ид	β	Ср	F	К
3224	347,5	86	1513	333	3122	2952	3009	1665	2547	23,92	1,1717

Рисунок 2 - Зависимость состава ПС от коэффициента избытка окислителя α
Таблица 2- Зависимость состава ПС от коэффициента избытка окислителя α

α	H2O	H2	N2	CO2	CH4	СО	Ств
0,1	15	35	26	2	21	1	13,94
0,2	15	41	24	7	9	4	10,72
0,3	13	41	23	10	5	8	4,63
0,4	13	38	22	12	4	10
0,5	18	36	22	13	1	10
0,6	17	37	23	23	-	-
0,7	27	26	24	22	-	-
0,8	38	15	26	19	2	2
0,9	48	4	27	17	4	4
1	52	-	28	20	-	-

Рисунок 3 - Зависимость основных параметров ПС от коэффициента избытка окислителя α

Таблица 3 - Зависимость основных параметров ПС от коэффициента избытка окислителя α

α	T	Jy
0,1	1289	2368
0,2	1380	2460
0,3	1612	2533
0,4	2107	2647
0,5	2512	2765
0,6	2829	2841
0,7	3057	2916
0,8	3185	2974
0,9	3224	3007
1	3204	3006

Таблица 4 - Изменение состава ПС по длине КД

	H2O	H2	CO2	CO	ОH	О2	N2	Da/D*
1,1	47	4	13	7	1	2	26	1,049
1,5	48	3	14	6		1	26	1,225
2	49	3	15	6		1	26	1,414
5	50	3	16	5			27	2,236
10	49	3	17	4			27	3,16
15	49	3	17	4			27	3,87
20	49	3	17	4			27	4,47
23,92	49	3	17	3			27	4,89

Таблица 5 - Изменение основных параметров ПС по длине КД

	T	Jур	Jуп	Da/D*	Pa
1,1	2923	1430	2128	1,049	2,67
1,5	2740	1793	2310	1,225	1,45
2	2603	2009	2445	1,414	0,91
5	2174	2480	2772	2,236	0,246
10	1857	2724	2951	3,16	0,095
15	1689	2839	3037	3,87	0,056
20	1578	2910	3091	4,47	0,038
23,92	1513	2952	3122	4,89	0,03

Рисунок 4 - Контур камеры двигателя: а - изменение состава ПС; б - изменение основных параметров по длине КД

Список использованной литературы:

1. 
   Измайлова Н.Г. «Термодинамический расчет двигателя» Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теория жидкостных ракетных двигателей» для студентов специальности 130400/САА имени академика М.Ф. Решетнева – Красноярск,2001- 28с.
   
2. 
   Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. И доп./ Под ред. Д.А. Ягодникова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 488с.: ил.
   
3. 
   СТО 7.5.04-2019. Стандарт организации. Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению работ обучающихся.