.
Безразмерная скорость потока в критическом сечении сопла
.
Потребное уширение сопла
.
где
.
Площадь и диаметр выходного сечения сопла
,
.
Длина диффузора соплового тракта (для утопленного сопла)
.
Параметры для построения сверхзвуковой части сопла
;
;
;
Длина сверхзвуковой части сопла,
Рис.5. Схема сопла
2.2 Расчет щелевого заряда РДТТ
Заряд щелевого типа имеет цилиндрическую форму, внутренний канал диаметром 
, четыре щели (пропила) шириной b, высотой 
, расположенные в сопловой части заряда. По длине заряд делится на три части, а именно: цилиндрическую (
), переходную (
) и щелевую (
).
Исходные данные:
- число щелей 
;
- вид топлива смесевое;
- плотность топлива 
;
- тяга двигателя 
;
- время работы двигателя 
;
- скорость горения топлива 
;
- удельный импульс тяги 
.
с учетом потерь
Порядок расчета.
Относительная толщина свода заряда 
= 0,3...0,5.
Принимаем 
.
Толщина свода заряда 
.
Наружный диаметр заряда 
.
Диаметр канала 
.
Ширина щелей 
.
Масса топлива РДТТ 
Объем топлива 
.
Средняя поверхность горения 
.
Диаметр камеры сгорания
где 
= 0.8 - плотность заряжания;
L/D
=0,5...1,5. Принимаем L/D=1,37.
Длина цилиндрического участка РДТТ
.
Общая длина заряда
.
где k = 1.06 - коэффициент, учитывающий наличие щелей.
Длина щелевой части заряда
.
Периметр щелевой части заряда
,
где 
- площадь поверхности внутреннего канала;
- площадь поверхности торца заряда;
;
;
Размеры щелей.
Высота щели
Размер перемычки
.
Запас на ТЗП, ЗКС и обечайку
2.3 Расчет характеристик прогрессивности щелевого заряда РДТТ
Горение заряда твердого топлива называют прогрессивным, если поверхность горения увеличивается. Характеристикой прогрессивности заряда называется отношение площади горящей поверхности заряда к начальной величине площади заряда. Характеристика прогрессивности горения заряда является определяющим фактором для поддержания постоянного давления в камере сгорания, а, следовательно, и для поддержания постоянства тяги двигателя по величине.
Исходные данные:
- Наружный радиус заряда R3 = 0,7285 м;
- Радиус канала rвн = 0,2185 м;
- Полная длина заряда Lз = 1,611 м;
- Длина щелевой части заряда Lщ = 0,113 м;
- Половинная ширина щели δ = 0,0145 м.
Рис. 8. Сектор щелевого заряда
Порядок расчета:
Определяем углы α0 и φ0 в начальный момент горения:
Полная начальная площадь горения заряда:
Определение начального объема заряда:
Определяем граничное значение е=e’, при котором исчезает дуговая часть периметра канала щелевой части (φ=π/4):
.
Определяем максимальное значение lmax:
.
Для ряда значений е[0,lmax] определяем текущую площадь поверхности горения и объем заряда (λ=0,6):
Определяем характеристики прогрессивности σ и ψ для найденных значений S и w, результаты заносим в таблицу:
.
| e, м | 0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 |
 |
1,14 | 9,043 | 17,124 | 25,576 | 34,679 |
 |
3,8 | 21,069 | 30,833 | 37,341 | 42,08 |
S,  |
5,695 | 6,228 | 6,494 | 6,488 | 6,189 |
 |
2,438 | 2,106 | 1,671 | 1,162 | 0,611 |
 |
1 | 1,094 | 1,14 | 1,139 | 1,087 |
 |
0 | 0,136 | 0,314 | 0,523 | 0,749 |
Вывод:
Постоянство (примерное) значения величины σ говорит о том, что тяга РДТТ остается величиной постоянной при полном выгорании топлива.
2.4 Расчет звездчатого заряда РДТТ
Звездчатые заряды нашли очень широкое применение в современных двигателях твердого топлива, благодаря отработанной технологии изготовления и высокому коэффициенту внутреннего заполнения, однако звездчатые заряды имеют дигрессивные остатки топлива, которые можно устранить профилированием внутренней поверхности камеры сгорания и применением вкладышей из легких материалов.
Также по сравнению со щелевыми зарядами они дают меньшее время работы, а также наличие участков с повышенной концентрацией напряжений.
Исходные данные:
Тяга двигателя Р = 160 кН;
Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с2 ;
Время работы двигателя τ = 60 с;
Диаметр заряда Dз = 1,457 м;
Плотность топлива ρт = 1770 кг/м3 ;
Температура горения топлива Тк = 3300 К;
Скорость горения топлива u = 0,0085 м/с;
Удельный импульс тяги с учетом потерь Jуд = 2352 м/с;
Газовая постоянная R = 307 Дж/(кг·К);
Давление в КС рк = 4 МПа;
Порядок расчета:
Величина скорости горения, которую можно допустить в канале заряда, исходя из условия отсутствия эрозионного горения:
,
где 
– удельный вес топлива;
– приведенная сила топлива.
Площадь канала при отсутствии эрозионного горения:
,
где 
– вес топлива;
– масса топливного заряда;
χ=1 – коэффициент тепловых потерь.
Находим потребный коэффициент заполнения поперечного сечения камеры:
,
где 
– площадь КС.
Определяем потребное значение относительной толщины свода заряда:
.
По графикам зависимостей 
подбираем число лучей nл и тип заряда, обеспечивающий потребный коэффициент заполнения. Выбираем звездчатый заряд со скругленными углами nл = 6.
По графикам 
и 
определяем характеристику прогрессивности горения заряда σs и коэффициент дигрессивно догорающих остатков λК. σs = 1,78; λК = 0,09.
Определяем длину заряда:
.
Угол раскрытия лучей:
.
Из технологических соображений выбираем радиус скругления:
.
По таблице определяем значение углов: β = 86,503
; θ = 40,535
.
Определяем толщину свода заряда:
.
L3/D3 = 1,58/1,457 = 1,084 - это значение лежит в диапазоне среднестатистических данных для третьей ступени.
Рис. 1 Схема звездчатого заряда.
2.5 Расчет на прочность корпуса РДТТ
Расчет позволяет определить толщину элементов корпуса, находящихся под давлением газов в КС. Необходимо, чтобы корпус был прочен и имел минимальную массу и стоимость.
Исходные данные :
| Давление в КС РДТТ |  ; |
| Внутренний диаметр КС |  ; |
| Материал обечайки КС | Сталь; |
| Предел прочности |  ; |
| Модуль упругости |  ; |
Порядок расчета:
Толщина металлической обечайки корпуса
м,
Где 
- коэффициент запаса прочности;
- временное сопротивление материала обечайки с учетом нагрева, которое равно
;
- коэффициент, учитывающий снижение прочности при нагреве 
.
- максимально возможное давление в КС РДТТ при максимальной температуре эксплуатации заряда
;
- максимальное расчетное давление в КС РДТТ;
- коэффициент, учитывающий разброс по давлению и скорости горения заряда, 
=1,15.
Принимаем 
м.
Расчет силовой оболочки сопловой крышки
Толщина сопловой крышки РДТТ
,
где 
- запас прочности сопловой крышки;
- внутренний диаметр силовой оболочки КС;
- предел прочности материала сопловой крышки;
- коэффициент, определяющий высоту днища по отношению к диаметру .
Для сопловой крышки принимаем тот же материал, что и для обечайки.
Принимаем 
.
Расчет переднего днища
Исходные данные:
| Внутренний диаметр камеры | ; |
| Диаметр заряда |  ; |
| Материал днища | Сталь; |
| Предел прочности |  ; |
| Диаметр отверстия под фланец |  . |
Порядок расчета :
Толщина днища
,
где 
- коэффициент, учитывающий снижение прочности днища от отверстия под воспламенитель,
.
Наиболее нагруженными являются точки стыка обечайки корпуса РДТТ и днища, а также стыка днища и воспламенителя.
Главные радиусы кривизны 
и 
для выбранных расчетных точек (рис. 9).
Рис. 9 Расчетная схема к определению радиусов кривизны днища и в расчетных точках днища.
Точка 1.
, 
,
где 
- текущий радиус 
;
а – большая полуось эллиптического днища 
;
b – малая полуось эллиптического днища 
.
Главные радиусы кривизны в точке 1:
,
.
Толщина днища в точке 1
.
Принимаем 
Точка 2.
Угол 
в точке 2, когда
равен 
.
Главные радиусы кривизны в точке 2:
,
.
Толщина днища в точке 2
Принимаем 
3. Расчет теплозащитных покрытий РДТТ, выполненного по схеме «кокон»
3.1 Расчет тепловых потоков в элементах РДТТ
Исходные данные :
| Диаметр КС | |
| Диаметр входа в сопло |  |
| Диаметр критики сопла |  |
| Температура продуктов сгорания в камере |  |
| Расход газа через сопло |  |
Расчет теплового потока у переднего днища
Коэффициент конвективной теплопередачи
,
Где 
- коэффициент теплопроводности продуктов сгорания;
- ускорение полета ракеты;
- коэффициент объемного расширения продуктов сгорания;
- температура поверхности теплообмена;
- коэффициент вязкости продуктов сгорания.
Суммарный коэффициент теплопередачи
,
Где 
- коэффициент теплопередачи излучением.
Суммарный тепловой поток от газа к поверхности переднего днища
.
Расчет теплового потока в стенку КС и сопловой крышки
Коэффициент конвективной теплопередачи
,
Где 
- теплоемкость продуктов сгорания.
Суммарный коэффициент теплопередачи
.
Суммарный тепловой поток от газа в стенку КС и сопловой крышки
.
Расчет тепловых потоков в стенку сопла
Коэффициент теплопередачи по сечениям сопла:
Сечение на входе в сопло
.
Сечение в критике сопла
.
Сечение сверхзвуковой части сопла 
.
Сечение сверхзвуковой части сопла 
.
Суммарный коэффициент теплопередачи
Для сечения на входе в сопло
.
Для сечения в критике сопла
.
Для сечения 
.
Для сечения 
.
Суммарный тепловой поток от газа в стенку сопла
Для дозвуковой части сопла
.
Для критики сопла
,
Где 
- температура газа в критическом сечении сопла (результат предварительных вычислений). Для критики расчет 
проводится с помощью таблиц газодинамических функций. В первом приближении можно принять: 
.
Для сверхзвуковой части сопла:
;
,
Где - температура газа в соответствующих сечениях сопла.
также определялась расчетом с помощью таблиц газодинамических функций. В первом приближении можно принять:
; 
.
3.2 Расчет теплозащитного покрытия двигателя
Исходные данные :
| Время работы РДТТ |  |
| Начальная температура материала |  |
| Толщина стенки: переднего днища |  |
| обечайки корпуса |  |
| сопловой крышки |  |
| Коэффициент теплопередачи:переднее днище |  |
| обечайка корп. и сопловая крышка |  |
| Материал переднего днища и обечайки корпуса | ППН-100 |
| плотность |  |
| удельная теплоемкость |  |
| допустимая температура нагрева |  |
| Материал сопловой крышки | 28Х3СНМВФА (СП-28) |
| плотность |  |
| удельная теплоемкость |  |
| допустимая температура нагрева |  |
Расчет толщины теплозащитного покрытия переднего днища
Для переднего днища, работающего в условиях высоких температур, но небольших скоростей движения газов, применяем фенольно-каучуковый материал ИРП-2049 (Р-161) – эластичное резиноподобное покрытие.
Теплофизические характеристики ИРП-2049:
| Плотность |  |
| Удельная теплоемкость |  |
| Коэффициент теплопроводности |  |
,
Где 
; 
- коэффициент аппроксимации;
- константа аппроксимации;
- относительный параметр, равный
;
- коэффициент температуропроводности ТЗП
;
- температурный симплекс (безразмерная температура)
.
Принимаем толщину ТЗП переднего днища 
Расчет толщины ТЗП обечайки корпуса и сопловой крышки
Для обечайки корпуса и сопловой крышки, работающих в условиях высоких температур и скоростей движения газов, применим слоистый материал на основе углеродных тканей, углепластик УПФК-1, имеющий следующие теплофизические свойства:
| Плотность | |
| Удельная теплоемкость |  |
| Коэффициент теплопроводности |  |
Обечайка корпуса
Где - параметр, равный
- коэффициент температуропроводности ТЗП
- температурный симплекс (безразмерная температура)
.
Сопловая крышка
где - параметр, равный
- температурный симплекс (безразмерная температура)
Принимаем: толщину ТЗП оболочки корпуса 
; толщину сопловой крышки 
.
Расчет длины теплоизолируемой части КС
,
Где 
- длина цилиндрической части заряда;
- коэффициент заполнения цилиндрической части КС
,
- для скрепленного заряда;
;
- относительная толщина заряда;
Расчет теплозащитного покрытия сопла
Исходные данные:
| Толщина стенки: входного раструба сопла |  |
| выходного раструба сопла |  |
| Коэффициент теплопередачи: воротник сопла |  |
| сопловой вкладыш в критике |  |
| сверхзвуковой раструб сопла |
|
| Материал входного раструба сопла | 30Х2ГСНВМА (ВМ-Д) |
| плотность | |
| удельная теплоемкость | |
| допустимая температура нагрева | |
| Материал выходного раструба сопла | 30ХГСА |
| плотность |  |
| удельная теплоемкость | |
| допустимая температура
28-04-2015, 23:35 Разделы сайта |
