Конструирование ДЛА РДТТ

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.

Приближенный расчет выхода двигателя на стационарный режим

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: r_1­­­ = 0,8ּr = 0,0044.;

Полуугол раскрытия лучей: β = Θ/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.

S_I.нач = П_I.начּL ;

S_I.кон = П_I.конּL

Периметр и поверхность горения в начале и в конце II фазы:

П_II.нач = П_I.кон = 0,7733 м.;

S_II.нач = S_I.кон = 1,0273 м.²;

S_II.кон = П_II.конּL

Периметр и поверхность горения в начале и в конце III фазы горения (конец III фазы горения в момент времени τ = 25с.).

П_III.нач = П_II.кон = 0,8085м.;

S_III.нач = S_II.кон = 1,0739 м.²;

S_III.кон = П_III.конּ(L-b)

5.Профилирование сопла.

- геометрическая степень расширения сопла;

F_м = 0,00259 м²;

Диаметр минимального сечения:

Площадь среза сопла:

Диаметр среза сопла:

Радиусы скругления:

R₁ = 1,5ּR_м = 1,5ּ0,006/2 = 0,0917м.;

R₂ = 0,5ּ R_м = 0,5ּ0,006/2 = 0,0306м.;

Угол касательной к контуру сопла на выходе β_а = 0,106 рад. = 6,073˚;

Относительная длина сопла:

;

Угол на входе в сверхзвуковую часть сопла: β_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:

μ = 19,531 кг/кмоль;

Теплоемкость продуктов сгорания:

С_р = 3345 ;

Коэффициент динамической вязкости:

η = 0,9330 ;

Коэффициент теплопроводности:

λ = 0,9812;

Массовый расход продуктов сгорания:

кг/сек;

Смоченный периметр заряда:

П = 0,7734 м.;

Начальная площадь проходного сечения:

F_св = 0,00776 м²;

Эквивалентный гидравлический диаметр:

Приведенный диаметр проходного сечения (для расчета лучистого теплового потока):

Средняя длина луча:

l = 0,9ּd_св. = 0,9ּ0,283 = 0,0895м.;

Средняя плотность продуктов сгорания:

Принимаем температуру поверхности Т_ст = 2100К;

Переднее Днище.

Коэффициент конвективной теплоотдачи (свободная конвекция):

, где γ – 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:

ε_р = 0,229 +0,061ּd₃₂ + 0,00011ּТ – 0,3684ּZ+0.00502ּp-0,00338ּl =

= 0,229 +0,061ּ3+ 0,00011ּ3411 – 0,3684ּ0,317+0.00502ּ10-0,00338ּ0,2547 = 0,6965;

Принимаем степень черноты материала:

ε_ст. = 0,8;

Эффективная степень черноты:

ε_эф.ст. = (1+ ε_ст.)/2 = (1+0,8)/2 = 0,9;

Лучистый тепловой поток:

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

Суммарный коэффициент теплоотдачи:

α = α_л + α_к = 3046,02+687,41 = 3733,425

Заднее днище.

Коэффициент конвективной теплоотдачи (вынужденной):

Nu = 0,023ּRe^0,8ּPr^0,4;

Определяем скорость продуктов сгорания у заднего днища:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

;

Критерий Нюсельта:

Nu = 0,023ּ1826929,528^0,8ּ0,3088^0,4 = 774,04;

Коэффициент конвективной теплоотдачи:

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

α_л = 3046,02

α = α_л + α_к = 18914,7+3046,02 = 21960

Критическое сечение.

Давление продуктов сгорания в критическом сечении:

Р_кр = 3534720 Па;

Температура в основном потоке газа:

Т = 3162,3 К;

Температура торможения:

Т₀ = 3359,6 К;

Средний молекулярный вес продуктов сгорания:

μ = 19,410 кг/кмоль;

Теплоемкость ПС:

Ср = 1898 ;

Коэффициент динамической вязкости:

η = 0,0000879

η₀ = 0,0000915

Коэффициент теплопроводности:

λ = 0,8914 ;

Массовый расход ПС:

кг/сек;

Площадь критического сечения:

F_м = 0,0026 м²;

Диаметр минимального сечения: d_м = 0,057м.;

Температура поверхности: Т_ст. = 2300 К;

Критерий Прандтля:

;

Определяющая температура:

Т_f = 0,5ּ(Т+Т_ст)+0,22ּPr^1/3(T₀-T) = 0,5ּ(3195+2300) +0,22ּ0,311^1/3(3411-3195)=2756,1 К;

Коэффициент динамической вязкости при Т_f :

η_f= 0,0000798

Плотность газа при Т_f :

Плотность газа при Т₀ :

Поправка:

;

Радиус кривизны:

r = d_м/2 = 0,057/2 = 0,0287 м.;

Коэффициент конвективной теплоотдачи:

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

q_л – лучистый тепловой поток в камере сгорания.

Суммарный коэффициент теплоотдачи:

α = α_л + α_к = 2224,73+56687,34 = 58912,068

Срез сопла.

Давление продуктов сгорания в критическом сечении:

Р_кр = 10270 Па;

Температура в основном потоке газа:

Т = 1480 К;

Температура торможения:

Т₀ = 3660 К;

Средний молекулярный вес продуктов сгорания:

μ = 19,42 кг/кмоль;

Теплоемкость ПС:

Ср = 1650,1 ;

Коэффициент динамической вязкости:

η = 0,00006452

η₀ = 0,00008

Коэффициент теплопроводности:

λ = 0,1745 ;

Массовый расход ПС:

кг/сек;

Площадь среза сопла:

F_а = 0,14233 м²;

Диаметр на срезе сопла: d_а = 0,458м.;

Температура поверхности: Т_ст. = 1600 К;

Критерий Прандтля:

;

Определяющая температура:

Т_f = 0,5ּ(Т+Т_ст)+0,22ּPr^1/3(T₀-T) = 0,5ּ(1480,3+1600) +0,22ּ0,4497^1/3(3360-1480)=1990 К;

Коэффициент динамической вязкости при Т_f :

η_f = 0,00006036

Плотность газа при Т_f :

Плотность газа при Т₀ :

Поправка:

;

Радиус кривизны:

r = d_а/2 = 0,5188/2 = 0,2594 м.;

Коэффициент конвективной теплоотдачи:

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

Суммарный коэффициент теплоотдачи:

α = α_л + α_к = 25,678+143,641 = 169,32

Расчет ТЗП.

1.Переднее днище.

Время работы двигателя 25 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρ_М = 4510 кг/м³;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: Ср_М = 586

Теплопроводность: λ_М = 16,9

Коэффициент теплопроводности: а_М = 0,00000642 м²/сек;

Толщина днища: δ_дн = 0,00445 м.;

Допустимая температура стенки: Т_g = 900 К;

Начальная температура материала: Т = 293,15 К;

Материал теплозащитного покрытия: ZiO₂;

Плотность: ρ_п = 4400 кг/м³;

Теплоемкость покрытия: Ср_П = 733

Теплопроводность: λ_П = 0,72

Коэффициент теплопроводности:

Коэффициент теплоотдачи: α = 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 μ = 0,2…20;

;

2.Заднее днище.

Время работы двигателя 25 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρ_М = 4510 кг/м³;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: Ср_М = 586

Теплопроводность: λ_М = 16,9

Коэффициент теплопроводности: а_М = 0,00000642 м²/сек;

Толщина днища: δ_дн = 0,00445 м.;

Допустимая температура стенки: Т_g = 900 К;

Начальная температура материала: Т = 293,15 К;

Материал теплозащитного покрытия: ZiO₂;

Плотность: ρ_п = 4400 кг/м³;

Теплоемкость покрытия: Ср_П = 733

Теплопроводность: λ_П = 0,72

Коэффициент теплопроводности:

Коэффициент теплоотдачи: α = 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 μ = 0,2…20;

;

3.Критическое сечение.

Время работы двигателя 18 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρ_М = 4510 кг/м³;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: Ср_М = 586

Теплопроводность: λ_М = 16,9

Коэффициент теплопроводности: а_М = 0,00000642 м²/сек;

Толщина днища: δ_дн = 0,004 м.;

Допустимая температура стенки: Т_g = 800 К;

Начальная температура материала: Т = 293,15 К;

Материал теплозащитного покрытия: Углерод (пирографит);

Плотность: ρ_п = 2200 кг/м³;

Теплоемкость покрытия: Ср_П = 971

Теплопроводность: λ_П = 5

Коэффициент теплопроводности:

Коэффициент теплоотдачи: α = 77954,46

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 μ = 0,2…20;

;

4.Срез сопла.

Время работы двигателя 18 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρ_М = 4510 кг/м³;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: Ср_М = 586

Теплопроводность: λ_М = 16,9

Коэффициент теплопроводности: а_М = 0,00000642 м²/сек;

Толщина днища: δ_дн = 0,004 м.;

Допустимая темпера