Метод.Указ. КПр-ЖРД. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию Подготовил проф. Касымов У. Т. НурСултан 2022
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Камера Докритическая часть сопла Критика Закритическая часть сопла 2,0 1,8 1,5 1,2 1 1,2 1,5 2,0 2,5 Удельный лучистый тепловой поток В первом приближении можно считать, что удельный лучистый тепловой поток через стенку КС для различных её сечений зависит от удельного конвективного теплового потока в самой камере сгорания, . Учитывая это допущение, расчет значений по сечениям КС (начиная от форсуночной головки и до среза сопла) производится с использованием следующих зависимостей: 1) для цилиндрического участка камеры сгорания, а также для последующих сечений докритической части сопла на участке этого сопла с радиусом (см. рис. 4) определяют по формуле ; 2) для критики (минимальное сечение сопла) определяют по формуле ; 3) для закритической части сопла на участке этого сопла с радиусом сечений , не превышающим , значение определяют по формуле ; 4) для закритической части сопла на участке с радиусом сечений более , но не выше расчет осуществляют по формуле Расчетные значения удельных тепловых потоков , полученных по отдельным сечениям КС, заносят в таблицу 6. Суммарный удельный тепловой поток Суммарный удельный тепловой поток через стенку камеры сгорания по расчетным сечениям этой камеры определяют по формуле Результаты вычислений суммарного удельного теплового потока через стенку камеры сгорания по расчетным сечениям заносят в таблицу 6. Обобщенный параметр Ф С использованием таблицы 7 и приведенных ниже формул определяют обобщенный параметр для расчетных сечений камеры сгорания. , , где – коэффициент, представляющий собой комплекс теплофизических свойств охладителя, выбираемый из таблицы 7: Таблица 7 Охладитель K Азотная кислота 0,66 Керосин 1,27 Тонка 250 0,99 Примечание. Для остальных охладителей принимаем K = 1,00. Результаты вычислений заносят в таблицу 8. Расчет величин межрубашечного зазора в расчетных сечениях КС Величину межрубашечного зазора в расчетных сечениях камеры сгорания определяют по эмпирической формуле где – радиус расчетного сечения камеры сгорания, м; – время работы двигателя, с; – массовый секундный расход охладителя, кг/с, равный: – для окислителя ; – для горючего Результаты расчета величины межрубашечного зазора в расчетных сечениях камеры сгорания получают в миллиметрах и заносят их в таблицу 8: Таблица 8 Расчетные сечения камеры сгорания Параметры Камера Докритическая часть сопла Критика Закритическая часть сопла 2,0 1,8 1,5 1,2 1 1,2 1,5 2,0 2,5 1) 2) Примечания: Технологический минимум для составляет 1,5 мм. По условиям жесткости конструкции камеры сгорания максимальная величина межрубашечного зазора не должна превышать 8 мм. В таблице 8 приводят два значения (первое является расчетным, второе – выбираемое на основании расчетного, а также из конструктивных соображений и с учетом рекомендаций, приведенных выше). С учетом графика (рис. 5) последним расчетным сечением проектируемой КС в закритической части сопла является сечение радиуса . Для последующих участков сопла с радиусом величину зазора выбирают постоянной, равной значению в сечении В завершение расчета межрубашечного зазора камеры сгорания строят в масштабе схему этой камеры, на которой указывают значения параметра по расчетным сечениям (пример на рис. 11). После окончательной разработки конструкции охлаждающего тракта приступают к детальному расчету охлаждения камеры сгорания. 5. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ОКИСЛИТЕЛЯ Цель расчета – определение значений коэффициента избытка окислителя для ядра потока и пристеночного слоя камеры сгорания, а также его среднего значения по поперечному сечению камеры сгорания. Исходные данные Топливо Марка Давление в КС Степень расширения газов Тяга двигателя 5.1. Расчет КС без учета пристеночного слоя компонентов топлива Принимаемое допущение Пристеночный слой в камере сгорания является защитным для стенок камеры от воздействия высоких температур. Температуру газового потока у стенки КС снижают, подавая в пристеночный слой один из компонентов в избытке по сравнению с известным соотношением компонентов топлива в ядре. В результате параметры пристеночного слоя отличаются от параметров ядра форсуночной головки, т. е. по всему сечению КС параметры не одинаковы. В расчетах первого уровня приближения этим отличием можно пренебречь. Порядок расчета без учета пристеночного слоя компонентов топлива представлен ниже. Теоретический удельный импульс тяги Теоретический удельный импульс тяги двигателя в пустоте для различных значений находят по справочнику [3] и представляют найденные значения в форме таблицы 9: Таблица 9 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 2488 2635 2738 2808 2850 2854 2693 По найденным значениям строят график изменения теоретического удельного импульса тяги в зависимости от значений коэффициента избытка окислителя вида Пример такого графика представлен на рисунке 12. По графику (рис. 12) находят , т. е. такое значение коэффициента избытка окислителя, которое обеспечивает максимальный удельный импульс тяги проектируемого двигателя, так, в рассматриваемом примере 5.2. Расчет с учетом пристеночного слоя компонентов топлива Определение параметров газа для ядра форсуночной головки Расчет коэффициента избытка окислителя с учетом пристеночного слоя компонентов топлива в КС производится в следующем порядке: вначале находят значения параметров продуктов сгорания для ядра потока, потом – для пристеночного слоя, затем – осредненные значения по сечению камеры сгорания. В начале расчета строится таблица 10, строки которой заполняют в следующем порядке. Используя полученный выше график зависимости , выбирают несколько значений в окрестности оптимальной точки этого графика (слева и справа от оптимального значения ). Этими значениями заполняют первую строку таблицы 10. Выбранные таким образом соответствуют ядру форсуночной головки, поэтому им в таблице 10 присваивается дополнительный нижний индекс «я». Для значений (табл. 10) находят в справочнике [3] соответственные значения параметров продуктов сгорания: плотность газов для ядра потока и удельный импульс тяги . Результаты заносят в таблицу 10. Определение параметров газа для пристеночного слоя форсуночной головки Потребное значение проектируемого двигателя находят по справочнику [3] подбором, с учетом обеспечения температуры газового потока у стенки КС не более , а также c учетом заданного давления в камере сгорания Определив по справочнику [3] потребное , выписывают соответственные ему значения параметров газа в пристеночном слое проектируемого двигателя: температуру газов, плотность газов, удельный импульс тяги ( ). Всем этим параметрам присваивается нижний индекс «пс». Определение относительного расхода газа в пристеночном слое Относительный расход газа в пристеночном слое выбирают с учетом данных статистики в зависимости от тяги проектируемого двигателя. По данным статистики, для камер сгорания с тягой Необходимым значением задаются в указанном диапазоне с учетом значения тяги отдельной камеры сгорания двигательной установки. Расчет параметров газа, осредненных по поперечному сечению КС Относительный расход топлива через ядро газового потока определяют по формуле Среднее значение плотности топлива по поперечному сечению камеры сгорания находят по формуле Результаты расчета параметров газового потока по приведенным выше формулам для каждого значения заносят в таблицу 10. Среднее по поперечному сечению камеры сгорания теоретическое значение удельного импульса тяги в пустоте определяют по формуле Результаты расчета по приведенной выше формуле для каждого также заносят в таблицу 10. Для каждого (табл. 10) по формуле находят произведение параметров: плотности и удельного импульса тяги. Заполняют соответствующую строку таблицы 10: Таблица 10 0,8 0,9 1,0 1,2 1304 132 1334 1356 2808 2850 2854 2693 1295 1309 1322 1341 2770 2807 2810 2668 В таблице 10 выбирают максимальное значение произведения . По значению определяют в таблице соответственное ему Выписывают это значение из таблицы (в представленном примере таблицы 10 искомое значение равно единице, т. е. ). Определение стехиометрического соотношения компонентов топлива По справочнику [3] находят стехиометрическое соотношение компонентов топлива Стехиометрическое соотношение позволяет рассчитать весовое соотношение компонентов топлива для ядра потока и пристеночного слоя камеры сгорания. Весовое соотношение компонентов топлива Весовое соотношение компонентов топлива в пристеночном слое и в ядре потока вычисляют по формулам: ; Относительные расходы компонентов топлива Относительный расход окислителя в пристеночном слое вычисляют по формуле Относительный расход горючего в пристеночном слое равен Относительный расход окислителя через ядро форсуночной головки равен Относительный расход горючего через ядро форсуночной головки равен Относительный расход окислителя через поперечное сечение КС равен Относительный расход горючего через поперечное сечение КС равен Проверка результата Проверить правильность проведенного расчета следует по формуле Определение средних значений искомых коэффициентов Среднее весовое соотношение компонентов топлива по поперечному сечению КС Среднее значение коэффициента избытка окислителя по поперечному сечению КС Процент расхождения значений коэффициентов по первому (приближенному) и второму (уточненному) расчетам определяют по формуле 6. РАСЧЕТ МАССЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 6.1. Общие вопросы теории Определение составляющих массы двигательной установки Масса двигательной установки (ДУ) зависит от значений режимных параметров: и др. где – давление в КС и на срезе сопла; – весовое соотношение компонентов топлива; – давление на входе в насос окислителя i-й ступени ракеты. Масса двигательной установки может составлять 0,2–0,45 конечной массы i-й ступени ракеты. Она равна сумме масс отдельных агрегатов и узлов ДУ. Массы этих агрегатов выражают в виде функций режимных параметров двигателя. Таким образом, чтобы определить массу всей ДУ, необходимо рассчитать массу отдельных частей двигательной установки: двигателя ; топливного (бакового) отсека ракеты ; системы наддува баковых отсеков Окончательно формулу массы ДУ можно представить в виде Рассмотрим кратко каждую составляющую этой суммы в отдельности. Масса двигателя определяется суммой масс следующих агрегатов и узлов: – массы камеры сгорания ( КС); – массы турбонасосного агрегата ( ТНА); – массы газогенератора (ГГ); – массы агрегатов автоматики ( АГР); – массы трубопроводов (ТР); – массы рамы (Р); и – массы деталей общей сборки (ДОС). Таким образом, получаем Масса топливного отсека слагается из масс топливных баков горючего , окислителя и массы агрегатов топливного отсека К агрегатам топливного отсека относят: сочленяющие и конструктивно- технологические элементы; агрегаты, обеспечивающие заправку ракеты, размещение, хранение и забор компонентов топлива. Таким образом, получаем Масса системы наддува включает в себя: массу рабочего тела , потребного на наддув баков; массу аккумуляторов давления , редукторов и арматуры , обеспечивающих поступление рабочего тела в баки, а также массу дренажно- предохранительной системы . Таким образом, получаем Удельная масса двигателя необходима для оценки массового совершенства конструкции жидкостного ракетного двигателя. Она определяется отношением массы залитого ЖРД к наибольшей тяге этого двигателя на основном (номинальном) режиме работы ДУ. Таким образом, По данным статистики, удельная масса маршевых ЖРД с насосной подачей топлива составляет кг/кН. Для приближенного расчета массы ДУ рассмотрим далее те составляющие ДУ, вклад которых в суммарную массу двигателя наиболее значителен. Масса камеры сгорания ЖРД может составлять 0,2...0,5 массы всей ДУ, поэтому она должна учитываться в весовых оценках двигателя, наиболее точно можно представить в виде суммы следующих масс: массы цилиндрического участка КС и сужающейся части сопла ; массы участка смесительной головки ; массы газовода и массы расширяющейся части сопла . Отсюда получаем формулу Все перечисленные составляющие массы КС можно рассчитать как оболочки вращения, масса которых определяется путем умножения площади поверхности этих оболочек на удельную массу рассматриваемых оболочек. На основании этого допущения для составляющих масс двигателя были получены следующие формулы, представленные ниже. Масса цилиндрического участка КС и сужающейся части сопла , где – относительные поверхности оболочек вращения; – расход топлива; – расходный комплекс; – удельная масса камеры сгорания; – боковые поверхности соответственных частей камеры сгорания; – площадь критики. Масса форсуночной головки камеры сгорания и газовода Масса форсуночной головки камеры сгорания равна , где – относительная площадь форсуночной головки. Масса газовода равна , где – диаметр газовода; – длина газовода; – толщина стенки газовода; – боковая поверхность газовода; – плотность материала газовода; – диаметр критического сечения сопла. Примечание. Расчет массы газовода проводится только для ЖРД с дожиганием генераторного газа. У ЖРД без дожигания генераторного газа газовод отсутствует. Общие выражения для масс и преобразованиями можно привести к следующему виду: ; , где ; , где – коэффициент безопасности; – предельная характеристика материала газовода; – коэффициенты, где ; Масса расширяющейся части сопла Масса расширяющейся части сопла с учетом неохлаждаемого насадка этого сопла, имеющего площадь поверхности , может быть определена по формуле , где – удельные массы охлаждаемой и неохлаждаемой части сопла; – относительные боковые поверхности охлаждаемой и неохлаждаемой расширяющейся части сопла, определяемые по формуле Совершенно очевидно, что для расчета массы камеры сгорания по приведенным выше формулам необходимо получить значения относительных поверхностей участков КС: цилиндрического участка , сужающейся и расширяющейся частей сопла , а также удельные массы камеры и сопла . Определение этих параметров рассмотрим ниже. Определение относительных боковых поверхностей камеры Относительные боковые поверхности отдельных участков камеры сгорания могут рассчитываться известными математическими методами для оболочек вращения. Однако для определения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя можно также применять эмпирические формулы, которые рассматриваются ниже. Определение удельных масс камеры и сопла При известных толщинах оболочек камеры сгорания и сопла искомые удельные массы могут быть определены по обобщенной зависимости вида , где – приведенная к постоянному значению по сечению КС толщина отдельной i-й оболочки камеры сгорания; – плотность материала соответственной i-й оболочки камеры сгорания; – коэффициент присоединенной массы камеры сгорания (это сварные швы, коллекторы подвода компонентов топлива к камере сгорания и др.). При неизвестных толщинах отдельных i-х оболочек камеры сгорания проектируемого двигателя удельная масса определяется на основании статистической обработки параметров реально существующих конструкций ЖРД. Толщина оболочки камеры сгорания ЖРД определяется как прочностными расчетами, так и технологическими факторами (т. е. допусками на листовой материал, возможностями станочного парка и приспособлений и др.). Для практических расчетов рекомендуется использовать соотношения для удельных масс камеры и сопла [4], полученные путем аппроксимации статистического материала по существующим двигателям. Эти эмпирические формулы рассматриваются ниже. Расчетные формулы для определения массы камеры сгорания Для двигателей без дожигания [5] генераторного газа масса камеры сгорания определяется по эмпирической формуле Для двигателей с дожиганием генераторного газа применяется формула Эти формулы позволяют рассматривать массу КС как функцию семи переменных параметров двигателя, а именно: , где – расход топлива; – давление в КС и на срезе сопла; – показатель процесса истечения продуктов сгорания; – угол на срезе сопла; – относительная расходонапряженность камеры сгорания; – расходный комплекс. Расчетные формулы для определения удельных масс Удельная масса камеры сгорания с диаметром критического сечения сопла может быть определена по эмпирической формуле при условии, что в этой формуле соблюдаются диапазон изменения параметров и их размерность в виде: кг/м2. Удельная масса сопла определяется по эмпирической формуле при условии, что диапазон изменения параметров соответствует соотношению , где – степень расширения газов в сопле, которая отвечает диапазону значений ; кг/м2 – размерности параметров этой формулы. Расчетные формулы для определения относительных боковых поверхностей отдельных участков камеры сгорания Относительная боковая поверхность цилиндрической части камеры сгорания равна Относительная боковая поверхность сужающейся части сопла равна Относительная боковая поверхность расширяющейся части сопла равна , где – относительная расходонапряженность, м/с; – расходный комплекс, м/с; – расход топлива, кг/с; – давление в камере сгорания, Па; – приведенная длина двигателя, м. – расчетные параметры формулы, определяемые как ; ; , где – угол на срезе сопла, град; – степень расширения продуктов сгорания в сопле, – показатель процесса истечения продуктов сгорания с диапазоном изменения Масса турбонасосного агрегата двигательной установки С учетом обработки статистического материала по массе ТНА существующих двигателей получены следующие зависимости. Двигатель без дожигания генераторного газа 1) для 2) для , где – параметр, вычисляемый по формуле , где – расход i-го компонента топлива; частота вращения ротора ТНА; – приращение давления в ступени насоса i-го компонента топлива; ; – давление в КС; – перепад давления на форсунках; – гидравлическое сопротивление топливной магистрали i-го компонента топлива; – плотность i-го компонента топлива. Двигатель с дожиганием генераторного газа Примечание. При вычислении параметра D суммирование производится по всем i-м ступеням насосов турбонасосного агрегата (окислителя и горючего). Максимальная относительная ошибка в определении массы ТНА по приведенным формулам не превышает 8...11 % [4]. Частота вращения ротора турбонасосного агрегата Частота вращения ротора ТНА может быть определена по формуле , где – максимально возможное значение кавитационного коэффициента быстроходности, которое зависит от конструкции насоса; – допустимое кавитационное падение полного давления насоса окислителя (окислитель – наиболее кавитационно опасный из двух компонентов топлива ЖРД); – давление насыщенных паров окислителя; – плотность окислителя. На основании анализа представленных формул можно сделать вывод, что масса одновального ТНА является функцией девяти параметров: Масса остальных элементов двигателя К числу остальных элементов двигателя относят клапаны и агрегаты управления, газогенератор, трубопроводы, раму и детали общей сборки. Исследования показали, что масса этих элементов зависит от тяги и схемы двигателя. |