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.

Тяга двигателя в пустотеP(Н)=30000
Время работы двигателяt(с)=25
Давление на срезе соплаP a(Па)=10270
Топливо ARCADENЕ 253A
Начальная скорость горенияu1(мм/с)=1,554
Показатель степени в законе горенияn0,26
Коэффициент температурного влияния на скорость горенияa t= 0,00156
Начальная температура топливаtн(°С)=20
Начальная температура топливаTн(К)=293,15
Плотность топливаr(кг/м^3)=1800
Давление в камере сгоранияP k(Па)=6150000
Скорость горения при заданном давленииu(мм/с)=4,558
Температура продуктов сгоранияT(К)=3359,6
Молекулярный вес продуктов сгоранияm(кг/кмоль)=19,531
Средний показатель изоэнтропы на срезе соплаn=1,152
Расчётный удельный импульсIу(м/с)=2934,8
Расходный комплексb(м/с)=1551,5
Идеальный пустотный удельный импульсIуп(м/с)=3077,3
Удельная площадь среза сопла Fуд(м^2с/кг)=30,5
Относительная площадь среза соплаFотн=54,996
Коэффициент камерыjк=0,980
Коэффициент соплаjс=0,960
Коэффициент удельного импульсаjI=0,941
Коэффициент расходаmс=0,990
Коэффициент расходного комплексаjb=0,990
Действительный расходный комплексb(м/с)=1535,828
Действительный удельный пустотный импульсIуп(м/с)=2895,124
Действительный расход газаm(кг/с)=10,362
Площадь минимального сеченияFм(м^2)=0,003
Средняя поверхность горенияW(м^2)=1,263
Высота сводаe0(мм)=113,947
e0(м)=0,114
Отношение площадейk=Fсв/Fм=3,000
Площадь свободного сечения каналаFсв(м^2)=0,008
Требуемая масса топливаmт(кг)=259,056
Количество лучей звездыi=6
Уголq(°)=67,000
e=0,7…0,80,750
Полууголq/2(р рад)=0,585
Угол элемента звездыa(рад)=0,393
Первый вариант расчёта длины топливного заряда

A=0,817
H=0,084
Диаметр камерыD=0,396
Площадь камеры сгоранияFк=0,123
Радиус камерыR(м)=0,198
Отношение высоты свода к диаметру камерыe0/D=0,288
Относительная величина вылета крышкиm=0,500
Величина вылета крышкиb(м)=0,099
Приближённый обьём элиптического днищаV(м^3)=0,008
Обьём занимаемый двумя днищамиV(м^3)=0,016
Относительный радиус скругления сводаr/D=0,015
Радиус скругления сводаr(м)=0,006
Радиус скругления лучаr1(м)=0,005
Вспомогательная площадьF1(м^2)=0,003
Вспомогательная площадьF2(м^2)=0,006
Вспомогательная площадьF3(м^2)=0,003
Площадь остаточного топливаFост(м^2)=0,004
Длина обечайки камеры сгоранияL(м)=1,229
Длина заряда вначале горенияL1(м)=1,328
Длина камеры сгорания вместе скрышкамиL(м)=1,427
Относительная длина камерыLот=L/D=3,605
Материал обечайки двигателяКомпозит материал (стеклопласт ППН)
Плотность материала обечайки двигателяr(кг/м^3)=2070,000
Прочность материала обечайки двигателя

σв (Мпа)=

950
Материал днищ двигателяТитановый сплав ВТ14
Плотность материала днищь двигателяr(кг/м^3)=4510,000
Прочность материала днищь двигателя

σв(Мпа)=

1000
Коэффициент запаса прочностиn=1,400
Толщина днищаδ дн=0,002
Толщина обечайкиδ 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 топливо заполняет одно днище

mдв=

269,881

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

r, кг/м3=

1800
Температура продуктов сгорания

Т, К=

3359,6
Молекулярный вес продуктов сгоранияm, кг/кмоль=19,531
Показатель изоэнторпы

K=

1,164
Коэффициент тепловых потерь

c=

0,95

Коэффициент расхода

j2=

0,95
Показатель скорости горенияn=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 e' в первом приближении

0,00337207

Значение N1в первом приближении

7,64566E-06
Величина установившегося давления
во втором приближении

руст, МПа=

8,209266925
Относительное отклонение давлений
на приближениях

=

0,00455415

Принимаем величину установившегося давления

руст, Мпа

8,209266925

Расчет давления в период выхода двигателя на режим

Величина

а, с-1=

92,7601292
Время выхода на режим

t,с=

0,0397
Интервалы времени Dt, сек0,00397
Время t, секОтносительное давлениеДействительное давление

0,0040,49364,052
0,0080,64065,259
0,0120,74756,136
0,0160,82376,762
0,020,87747,203
0,0240,9157,511
0,0280,94117,726
0,0320,95937,875
0,0360,97187,978
0,040,98068,05

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 = 0,8ּr = 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.

SI.нач = ПI.начּL ;

SI.кон = ПI.конּL

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.конּL

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

ПIII.нач = ПII.кон = 0,8085м.;

SIII.нач = SII.кон = 1,0739 м.2;

SIII.кон = ПIII.конּ(L-b)

ФазаIIIIII
Периметр горения0,773358350,808491851,2358041
Площадь горения1,027266671,073935171,5192155

5.Профилирование сопла.

- геометрическая степень расширения сопла;

Fм = 0,00259 м2;

Диаметр минимального сечения:

Площадь среза сопла:

Диаметр среза сопла:

Радиусы скругления:

R1 = 1,5ּRм = 1,5ּ0,006/2 = 0,0917м.;

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

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

Относительная длина сопла:

;

Угол на входе в сверхзвуковую часть сопла: βb = 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:

Ср = 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:

Fсв = 0,00776 м2;

Эквивалентный гидравлический диаметр:

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

Средняя длина луча:

l = 0,9ּdсв. = 0,9ּ0,283 = 0,0895м.;

Средняя плотность продуктов сгорания:

Принимаем температуру поверхности Тст = 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:

εр = 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:

εст. = 0,8;

Эффективная степень черноты:

εэф.ст. = (1+ εст.)/2 = (1+0,8)/2 = 0,9;

Лучистый тепловой поток:

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

Суммарный коэффициент теплоотдачи:

α = αл + αк = 3046,02+687,41 = 3733,425

Заднее днище.

Коэффициент конвективной теплоотдачи (вынужденной):

Nu = 0,023ּRe0,8ּPr0,4;

Определяем скорость продуктов сгорания у заднего днища:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

;

Критерий Нюсельта:

Nu = 0,023ּ1826929,5280,8ּ0,30880,4 = 774,04;

Коэффициент конвективной теплоотдачи:

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

αл = 3046,02

α = αл + αк = 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:

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:

Fм = 0,0026 м2;

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

Температура поверхности: Тст. = 2300 К;

Критерий Прандтля:

;

Определяющая температура:

Тf = 0,5ּ(Т+Тст)+0,22ּPr1/3(T0-T) = 0,5ּ(3195+2300) +0,22ּ0,3111/3(3411-3195)=2756,1 К;

Коэффициент динамической вязкости при Тf :

ηf= 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:

α = αл + αк = 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:

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:

Fа = 0,14233 м2;

Диаметр на срезе сопла: dа = 0,458м.;

Температура поверхности: Тст. = 1600 К;

Критерий Прандтля:

;

Определяющая температура:

Тf = 0,5ּ(Т+Тст)+0,22ּPr1/3(T0-T) = 0,5ּ(1480,3+1600) +0,22ּ0,44971/3(3360-1480)=1990 К;

Коэффициент динамической вязкости при Тf :

ηf = 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:

α = αл + αк = 25,678+143,641 = 169,32

Расчет ТЗП.

1.Переднее днище.

Время работы двигателя 25 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρМ = 4510 кг/м3;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: СрМ = 586

Теплопроводность: λМ = 16,9

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

Толщина днища: δдн = 0,00445 м.;

Допустимая температура стенки: Тg = 900 К;

Начальная температура материала: Т = 293,15 К;

Материал теплозащитного покрытия: ZiO2;

Плотность: ρп = 4400 кг/м3;

Теплоемкость покрытия: СрП = 733

Теплопроводность: λП = 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;

;

Допустимы ряд темпер-тур Т (К)600650700750800850
q=0,89990,88360,86730,85100,83470,8184
lgq0=0,0122
С=0,4000
А=0,4500
lgq-lgq0=-0,0580-0,0659-0,0740-0,0823-0,0907-0,0992
1/М=0,00360,00360,00360,00360,00360,0036
δп(м)=0,00670,00610,00560,00510,00480,0045

2.Заднее днище.

Время работы двигателя 25 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρМ = 4510 кг/м3;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: СрМ = 586

Теплопроводность: λМ = 16,9

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

Толщина днища: δдн = 0,00445 м.;

Допустимая температура стенки: Тg = 900 К;

Начальная температура материала: Т = 293,15 К;

Материал теплозащитного покрытия: ZiO2;

Плотность: ρп = 4400 кг/м3;

Теплоемкость покрытия: СрП = 733

Теплопроводность: λП = 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;

;

Допустимы ряд темпер-тур Т (К)600650700750800850
q=0,89990,88360,86730,85100,83470,8184
lgq0=0,0122
С=0,4000
А=0,4500
lgq-lgq0=-0,0580-0,0659-0,0740-0,0823-0,0907-0,0992
1/М=0,00360,00360,00360,00360,00360,0036
δп(м)=0,00680,00620,00570,00530,00500,0046

3.Критическое сечение.

Время работы двигателя 18 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρМ = 4510 кг/м3;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: СрМ = 586

Теплопроводность: λМ = 16,9

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

Толщина днища: δдн = 0,004 м.;

Допустимая температура стенки: Тg = 800 К;

Начальная температура материала: Т = 293,15 К;

Материал теплозащитного покрытия: Углерод (пирографит);

Плотность: ρп = 2200 кг/м3;

Теплоемкость покрытия: СрП = 971

Теплопроводность: λП = 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;

;

Допустимы ряд темпер-тур Т (К)600650700750800850
q=0,89310,87560,85820,84080,82330,8059
lgq0=0,0122
С=0,4000
А=0,4500
lgq-lgq0=-0,0613-0,0699-0,0786-0,0875-0,0966-0,1059
1/М=0,00490,00490,00490,00490,00490,0049
δп(м)=0,02710,02500,02330,02180,02050,0194

4.Срез сопла.

Время работы двигателя 18 секунд.

Материал стенки: ВТ-14;

Плотность: ρМ = 4510 кг/м3;

Прочность материала днища: σ = 1000 МПа;

Теплоемкость титанового сплава: СрМ = 586

Теплопроводность: λМ = 16,9

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

Толщина днища: δдн = 0,004 м.;

Допустимая темпера

Подобные работы:

Актуально: