Расчёт, проектирование и конструкция ракетного двигателя твёрдого топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание на выполнение курсовой работы и исходные данные

1. Расчет основных параметров ДУ

2. Расчет параметров РДТТ при регулировании на сменными вкладышами критического сечения.

2.1 Построение графика зависимости при

2.2 Подбор сменных вкладышей критического сечения сопла

3. Расчет параметров РДТТ при регулировании на центральным телом

3.1 Построение графиков изменения площади критического сечения и давления в КС при регулировании РДТТ на центральным телом

3.2 Расчет зависимости перемещения центрального тела от температуры окружающей среды

4. Конструкция центрального тела

5. Материалы



Задание на курсовую работу

1. Определить количество сменных вкладышей (если их будет более 4-х или менее 2-х, надо изменить величину разброса ) и вычислить каждого вкладыша для определенного температурного диапазона окружающей среды.

2. Построить в натуральную величину профиль обечайки (размеры центрального тела даны) и положение центрального тела в момент запуска двигателя при .

Определить максимальные перемещения центрального тела и разброс тяги при t = ±50 ⁰C принимая при .

3. Разработать конструкцию соплового блока с центральным телом.

Исходные данные

Температурный диапазон эксплуатации
Номинальная температура заряда
Тяга РДТТ
Давление в КС
Плотность топлива
Температура в КС
Удельный импульс
Молекулярная масса ПС
Показатель процесса расширения
Закон горения топлива
Физико-химическая константа топлива

Принимаем следующие допущения при расчетах:

· заряд находится в тепловом равновесии с окружающей средой;

· температурное поля заряда равномерно;

· сопло двигателя работает на расчётном режиме.



1. Расчет параметров ДУ

1. Газовая постоянная ПС:

2. Коэффициент температурной чувствительности в законе горения:

3. Константа топлива:

4. Комплекс :

5. Секундный массовый расход топлива при нормальных условиях:

6. Номинальная скорость горения топлива:



7. Потребная площадь горения заряда ТТ:

8. Принимаем следующие коэффициенты:

· Коэффициент потерь в сопле -

· Коэффициент тепловых потерь -

9. Площадь критического сечения при номинальной температуре заряда:

10. Приведенная скорость на срезе сопла:

11. Газодинамическая функция расходонапряженности:



12. Газодинамическая функция :



2. Расчет параметров РДТТ при регулировании на сменными вкладышами критического сечения

2.1 Построение графика зависимости при

Единичная скорость горения починяется закону:

Пересчитываем единичную скорость горения и комплекс на минимальную температуру эксплуатации (:

Запишем уравнение тяги РДТТ в следующем виде:

где коэффициент потерь полного давления в сопле.

Для того, чтобы получить зависимость аппроксимируем ГДФ .

где эмпирические коэффициенты для ГДФ .

Давление в камере сгорания выражаем по формуле Бори:

Тогда получим уравнение зависимости тяги от площади критического сечения сопла:

Подставляя в формулу значения и , определяем значения соответственно максимальной и минимальной площадей критического сечения при минимальной температуре эксплуатации. Диапазон изменения тяги увеличиваем до ±2000 Н, так как в этом диапазоне количество сменных вкладышей не превышает четырех.

Таким образом:



отсюда .

отсюда .

Зная формулы зависимости площади критического сечения от температуры, строим кривые, позволяющие подобрать вкладыши с критическим сечением, соответствующим данному изменению температуры в выбранном диапазоне изменения тяги (рис 1).

2.2 Подбор сменных вкладышей критического сечения сопла

К двигателю прикладывается набор сменных вкладышей с указанием, в каком диапазоне температур заряда должен применяться каждый из них. Площади критических сечений таких вкладышей подбирают следующим образом (рис.2):

1) Проводим прямую параллельно оси абсцисс из точки на оси ординат, соответствующей до пересечения с кривой I. Полученный отрезок ограничивает диапазон изменения начальной температуры заряда, в котором найденная сопла позволяет обеспечить изменение тяги в выбранном диапазоне от до .

2) Площадь критического сечения для второго сменного вкладыша определяется прямой, проведенной из точки, лежащей на кривой . Абсцисса этой точки на 5 - 10°С меньше, чем абсцисса точки пересечения первой прямой с кривой . (Такой выбор абсцисс необходим для перекрытия режимов работы двигателя при применении первого и второго вкладыша.

3) Методика выбора площади критического сечения третьего и, если необходимо, последующих вкладышей аналогична п. 2).

Принимаем температурный интервал перекрытия режимов работы двигателя .

Температура начала работы первого вкладыша определяется минимальной температурой эксплуатации заряда:

А его площадь критического сечения, согласно методике, . Диаметр критического сечения 1-го вкладыша:

Определим конечную температуру работы первого вкладыша из выражения:

Тогда начальная температура второго вкладыша будет равна:

.

Площадь критического сечения второго вкладыша:

Диаметр критического сечения второго вкладыша:

Конечная температура работы второго вкладыша:



Аналогичные вычисления проводим для третьего вкладыша.

Начальная температура третьего вкладыша будет равна:

.

Площадь критического сечения третьего вкладыша:

Диаметр критического сечения третьего вкладыша:

Конечная температура работы третьего вкладыша:



Итак, в заданный диапазон температуры эксплуатации укладываются три вкладыша критического сечения сопла, обеспечивающих изменение тяги в выбранном диапазоне.

Характер изменения давления и тяги в пределах рабочего температурного диапазона каждого вкладыша описывается следующими зависимостями:

где температурный диапазон работы вкладыша; площадь критического сечения вкладыша. Кривые представлены на рис. 3 и 4 соответственно.

Параметры сменных сопловых вкладышей сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Номер вкладыша	Температурный диапазон работы вкладыша
1	223	261	0,00348	0,067
2	256	294	0,0038	0,0696
3	289	327	0,00415	0,0727

3. Расчет параметров РДТТ при регулировании на центральным телом

Регулирование величины тяги РДТТ подвижным центральным телом относится к механическим способам регулирования. Этот способ является наиболее простым. Однако недостатком такого способа является прогрев центрального тела в процессе работы двигателя на большую глубину. Кроме того, применение регулируемого центрального тела связано с некоторым увеличением газодинамических потерь.

3.1 Построение графиков изменения площади критического сечения и давления в КС при регулировании РДТТ на центральным телом

Для проведения предстартовой настройки РДТТ, используя регулируемое в сопле центральное тело, определяем зависимость между температурой окружающей среды и перемещением центрального тела.

Для этого вычислим площадь критического сечения при минимальной температуре эксплуатации, и номинальной тяге .

Отсюда (расчет выполнен с использованием математического пакета MathCAD 15.0).

Зависимость изменения площади критического сечения от температуры окружающей среды определяется выражением:



Характер изменения давления в камере сгорания при изменении температуры окружающей среды описывается следующей формулой:

3.2 Расчет зависимости перемещения центрального тела от температуры окружающей среды

Допущения, необходимые для расчета:

· сверхзвуковая часть сопла выполнена конической формы;

· угол раскрытия сопла составляет ;

· линейная протяженность максимального сечения центрального тела равна нулю;

· линейная протяженность минимального сечения сопла также равна нулю.

Контур центрального тела задан в задании на курсовую работу и имеет следующие геометрические характеристики.

При малых перемещениях критическое сечение представляет собой отрезок , соединяющий две точки А и B. При больших же перемещениях критическим сечением будет являться отрезок , соединяющий две точки С и D. Граничным же моментом разделения двух данных случаев будет являться такое положение, при котором отрезок AB станет перпендикулярным линии АЕ, перейдя в отрезок AC. Найдем геометрическую зависимость, по определению данного граничного перемещения , исходя из геометрических соотношений.

Рассмотрим треугольник . . По теореме Пифагора определяем зависимость , которая соответствует случаю малых перемещений.

Теперь рассмотрим случай больших перемещений (рис.4). Из треугольников следует, что:

Рис. 1



Так как , то получаем:

Отсюда величина будет равна:

Тогда величина получится:

Площадь критического сечения в первом случае определяется по формуле:

где радиус критики без учета центрального тела, радиус максимального сечения центрального тела. Причем .

вычисляем, исходя из условия:

Радиус критического сечения сопла:



Величина отрезка :

Граничное значение перемещения:

Теперь получим окончательные зависимости площади критического сечения от перемещения центрального тела:

1) при

2) при .

Отсюда получаем зависимость перемещения центрального тела от температуры окружающей среды.

При :

при :



Значения основных параметров при регулировании РДТТ с помощью центрального тела сведены в таблицу 2.

Таблица 2

223	6,684	0.00331	0
293	5,657	0.00398	0,009
323	5,266	0.00431	0,013



4. Конструкция центрального тела

Центральное тело (ЦТ) представляет собой составную конструкцию, состоящую из центрального вала, закрепленного в пилоне через соединение с натягом, пилона, приваренного к силовой оболочке соплового блока, корпуса центрального тела, фиксирующего винта и крышки, защищающей узел фиксации от воздействия набегающего потока высокотемператур-ных продуктов сгорания.

Корпус ЦТ имеет со стороны набегающего потока цилиндрический участок с резьбой, который ввинчивается в ответную резьбовую часть пилона. С обратной стороны корпус ЦТ также имеет резьбовой участок, служащий для крепления крышки. Концевая часть корпуса выполнена в виде шестигранника с отверстием под фиксирующий винт. В центральном валу выфрезерован призматический паз с рисками, позволяющими отслеживать положение центрального тела в процессе настройки.

Регулирование ЦТ осуществляется следующим образом.

1. Монтажным ключом открутить крышку.

2. С помощью отвертки ослабить соединение фиксирующего винта и центрального вала до небольшого разора между ними.

3. Надеть ключ на шестигранник корпуса ЦТ и провернуть корпус против часовой стрелки, если необходимо увеличить площадь критики, и по часовой стрелки если необходимо уменьшить площадь критики, так чтобы плоскость торца совпала с положением риски в пазу вала. При необходимости использовать зеркало.

4. Зафиксировать новое положение ЦТ винтом.

5. Завернуть крышку.



5. Материалы

твёрдотопливный ракетный двигатель

С учетом условий и времени работы ЦТ для его изготовления были выбраны следующие материалы:

1) Центральный вал и пилон выполнены из высокопрочной конструкционной легированной стали 42Х2ГСНМА, обладающей достаточно высокой удельной жесткостью.

2) Корпус и крышка выполнены из титанового сплава ВТ22, имеющего хорошие показатели по удельной прочности и жесткости.

3) Винт - стандартное изделие, выполнен из конструкционной нержавеющей стали.

Размещено на Allbest.ru