Word_part (Готовый курсовой проект 7), страница 3

P=8,

PA=KP,0.006,

FUEL=(C7.21H13.29[-1958]),

OX=(O2[-398.3]),

ALPHA=0.75,0.8,0.85,0.9,0.95,1.0;

Для организации пристеночного «холодного» слоя с целью защиты стенок камеры от прогара введем расход который обеспечит температуру в 2000 К. С этой целью произведем расчет по программе «Астра-4» с диапазоном  [0.3...0.4]. Результаты расчета приведены в приложении 2, по этим данным строим графики J_уп.пр, T_к.пр=f(рис. 2.2). Программа ввода данных :

<INSI<PRSI<PRDOM<PRP<PR0<NOION>

I=0,

P=8,

PA=KP,0.006,

FUEL=(C7.21H13.29[-1958]),

OX=(O2[-398.3]),

ALPHA=0.3,0.32,0.34,0.36,0.38,0.4;

3. Разработка конструкции камеры двигателя.

Конструкцию камеры двигателя технологически можно разделить на две части : корпус и смесительную (форсуночную) головку.

Исходными данными для конструирования камеры являются прежде всего геометрические размеры и газодинамический профиль (рис.2.4), которые определяются при газодинамическом расчете. Затем производиться расчет смесеобразования и форсунок, расчет тепловых потоков и решаются задачи теплозащиты стенки, выбираются основные материалы.

3.1. Разработка конструкции корпуса камеры

3.1.1. Конструктивные особенности камеры сгорания и сопла

Большинство камер ЖРД имеют наружное охлаждение, при котором осуществляется проток охладителя по охлаждающему тракту, образованному между внутренней и наружной оболочками или стенками камеры сгорания.

Наиболее сложным этапом создания камеры является проектирование и разработка конструкции охлаждающего тракта, который имеет много разных форм и силовых связей. От конструкции охлаждающего тракта зависит облик всей конструкции камеры, ее прочность, надежность охлаждения и массовые характеристики.

Самым удачным решением будет применение охлаждающего тракта с так называемыми связанными оболочками, т. е. прочно скрепленными. В качестве охладителя в современных двигателях используются окислитель или горючее, либо оба компонента.

Одно наружное проточное охлаждение камеры не всегда может обеспечить необходимый для надежной работы температурный режим стенки на всем ее протяжении. Поэтому, как правило, наряду с наружным охлаждением применяют и внутреннее. Оно осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа (заградительное охлаждение) или жидкой пленки (завесное охлаждение) на отдельных участках внутренней поверхности стенки.

Наиболее распространенной конструкцией охлаждающего тракта являются каналы образованные ребрами или гофрированными проставками. При таких конструкциях трактов оболочки имеют большое число связей, которые обеспечивают повышенную жесткость и прочность камеры. Минимальный шаг между связями tmin определяется технологией производства, а максимальный tmax - прочностью. Уменьшение высоты охлаждающего тракта часто используют для повышения скорости течения охладителя. Однако из технологических соображений сделать высоту тракта меньше 1.5....1.8 мм не рекомендуется, так как припайке может произойти перекрытие канала припоем. Поэтому для повышения скорости течения охладителя, чтобы не уменьшать высоты канала, применяют спиральные винтовые связи. Если  - угол наклона ребер с осью камеры, то скорость течения охладителя Wохл  1/ cos . Подбирая угол наклона ребер, можно в определенных пределах влиять на скорость течения.

Учитывая, что в соответствии с газодинамическим профилем диаметр сечения сопла непрерывно меняется, а число связей на определенном участке должно оставаться постоянным, то в соответствии с изменением диаметра сечения сопла будет изменяться на участке и шаг между связями.

Используя рекомендации [2] по выбору размеров тракта с ребрами получаем tmin=2.5 мм, tmax=4...6 мм - при пайке твердыми припоями; при диффузионной пайке tmin=2 мм, причем допустимую высоту охлаждающего тракта здесь можно снизить до охл=1.2...1.5 мм. Минимальная толщина ребер р=1 мм (рис. 3.1).

Таким образом, число связей вдоль камеры постоянно будет изменяться, причем при ребрах - ступенями (рис. 3.2). Механическая обработка оболочек осуществляется обточкой (снаружи и внутри) до получения заданной толщины стенки.

Фрезерование ребер производиться парой фрез; может быть одна, две или четыре пары, т. е. фрезеруются одновременно одно, два или четыре ребра, и поэтому при проектировании желательно задавать число ребер n, кратное четырем. При таком способе фрезерования толщина ребра р постоянна по длине, а при увеличении шага t увеличивается ширина канавки между ребрами. Минимальный шаг определяется шириной фрезы и расстоянием между ними. Толщина ребра не должна быть, меньше 1 мм, так как последующее травление может ее уменьшить, и спай станет не надежным. Минимальная толщина фрезы, обеспечивающая ее жесткость при фрезеровании, - 1 мм, минимальный диаметр фрезы - 40 мм.

Канавка между ребрами образуется за два прохода. На оставшемся после двух проходов материале можно фрезеровать новые, более короткие ребра. Поэтому в каждой последующей секции число связей (ребер) возрастает в два раза.

Можно фрезеровать ребра с углом наклона к образующей до 15...20^о, в том числе и на крутых изменениях диаметра профиля сопла, например вблизи критического сечения.

3.1.2. Разработка конструкции пояса завесы

Важным конструктивным узлом камеры являются пояса завесы, организующие внутреннее завесное охлаждение стенки.

Эффективность охлаждения будет выше, если по длине камеры расположить ряд поясов завесы с минимальными расходами компонентов. Однако применение большого числа поясов означает значительное усложнение конструкции камеры и технологии ее изготовления.

На практике обычно применяют один-три пояса завесы. При этом расход горючего на внутреннее завесное охлаждение лежит в пределах от 1.5...2.5% до 6...8% полного расхода компонентов через камеру.

При конструктивной разработке пояса завесы необходимо, с одной стороны, сделать конструкцию более простой и технологичной, чтобы чрезмерно не усложнять конструкцию и технологию изготовления камеры в целом, а с другой стороны, обеспечить заданные расходные характеристики и образование сплошной пленки жидкости на внутренней поверхности стенки при строгой равномерности распределения расхода компонента по периметру сечения завесы.

Кроме того, в большинстве конструкций поясов завесы скорости жидкости, вытекающей из пояса на внутреннюю поверхность стенки, сообщается тангенциальная составляющая для придания жидкой пленке вращательного движения. Благодаря этому пленка, прижимаясь к поверхности стенки, меньше разбрызгивается, позже разрушается и на большей длине защищает стенку, т. е. завеса будет более эффективной.

Более распространенными конструкциями пояса завесы являются такие, при которых коллектор пояса отделен от охлаждающего тракта, и расход в него поступает по самостоятельному трубопроводу.

3.1.3. Разработка коллектора подвода компонентов

Коллектор подвода охладителя может располагаться в различных сечениях камеры. Когда коллектор расположен не у самого среза сопла, то охладитель m_охл, попадая в тракт наружного охлаждения камеры, разделяется на две части (рис IIII) - m₁, m₂. Когда связь оболочек осуществляется фрезерованными ребрами расход m₁ направляется в сторону критического сечения, а расход m₂ сначала идет к срезу сопла, у среза сопла расход m₂, огибая торцы ребер, также направляется к критическому сечению сопла. Расходы m₁ и m₂ вновь соединяются в сечении начала последней секции (если считать от критического сечения). Главная особенность заключается в том, что отверстия в корпусе коллектора соединяют коллектор с частью каналов между ребрами по которым расход m₂ направляется к срезу. Возвращается этот расход по каналам, не соединенным отверстиями с полостью коллектора.

Рекомендации для определения характерных размеров коллектора подвода охладителя заключается в следующем (см. рис. 3.3). Диаметр подводящего трубопровода d_тр выбирается с учетом конструктивных соображений (размеров выхода насоса, условий компоновки и т. п.) и ГОСТа на выпускаемые трубы. Кроме того проверяется скорость жидкости в трубе (w_тр<15 м/с). При несоблюдении рекомендаций необходимо увеличить d_тр или запроектировать два-три подвода к коллектору путем разветвления трубопровода, подводящего компонент от насоса.

3.2. Разработка конструкции блока смесительной головки

3.2.1. Конструктивные особенности смесительной головки

Смесительная, или форсуночная головка является основным звеном системы смесеобразования камеры двигателя. Ее работа в значительной степени определяет полноту сгорания, устойчивость рабочего процесса и надежность теплозащиты стенок камеры. Поэтому разработка конструкции смесительной головки, ее экспериментальная доводка - исключительно сложная и ответственная задача.

Из технологических соображений смесительную головку целесообразно проектировать и изготавливать в виде отдельного узла камеры двигателя. Вследствие этого, во-первых, технологические режимы обработки головки, могут отличаться от термических режимов изготовления блока камеры и сопла. Во-вторых, обеспечивается возможность проведения в ходе изготовления технологических испытаний на гидроустановках герметичность полостей, соответствия расходных характеристик, а так же качества распыла и смешения техническими условиями до соединения головки с камерой сгорания.

Важными конструктивными элементами смесительной головки являются форсунки. В современных ЖРД применяют различные их виды - струйные и центробежные, жидкостные и газовые, однокомпонентные и двухкомпонентные.

Для организации низкотемпературного пристеночного слоя форсунки, расположенные на периферийной части головки, должны возле стенки создавать избыток какого-либо компонента, как правило горючего. Поэтому, со стороны стенки в последнем ряду устанавливают форсунки горючего.

Крепление форсунок к днищам головки наиболее часто производиться с помощью пайки. При тонких днищах (менее 3..3.5 мм) пайку дополняют предварительной развальцовкой. Могут применяться и резьбовые соединения.

При проектировании смесительной головки важным решением, которое оказывает большое влияние на ее конструкцию, является распределение компонентов по полостям головки и осуществление их подвода к ним. Наиболее естественным распределением компонентов является направление охлаждающего компонента, непосредственно из охлаждающего тракта камеры во внутреннюю полость, а окислитель во внешнюю полость.

3.2.2. Проектирование головки камеры ЖРД

Размещение форсунок на головке должно способствовать выполнению основных требований, предъявляемых к смесеобразованию, при обеспечении надежности и технологичности конструкции, что в основном сводиться к следующему.

1. Возможно более равномерное распределение по сечению камеры сгорания соотношения компонентов и расходонапряженности.

2. Возможно меньшая склонность к возникновению неустойчивого горения.

3. Зашита стенок от прогара.

4. Защита головки камеры от воздействия высоких тепловых потоков, идущих от фронта пламени.

5. Удобство подвода компонента.

Сотовое расположение, при котором каждая форсунка горючего окружена группой окислительных форсунок, позволяет иметь большее число форсунок окислителя, чем горючего. При этом разница в расходах форсунок окислителя и горючего меньше, чем при шахматном расположении, что обеспечивает лучшее распыливание и смешение компонентов топлива.

Концентрическое расположение, при котором пояса форсунок горючего и окислителя чередуются.

Двухкомпонентные форсунки могут быть размещены по любой схеме; необходимо только учитывать возможность возникновения неустойчивого горения, а также необходимость защиты стенки от прогара (рис. 3.4). Для обеспечения условий, наименее способствующих возникновению неустойчивого горения, как одно-, так и двухкомпонентные форсунки иногда размещают в порядке, представляющем собой различные комбинации приведенных выше схем расположения форсунок, а также стремятся несколько растянуть процесс горения по длине камеры.

Для защиты стенок камеры сгорания от прогара создается защитный пристеночный слой, переобогащенный горючим и имеющий вследствие этого более низкую температуру, чем ядро потока. Периферийные форсунки горючего делаются более дальнобойными и с меньшим расходом, чем основные форсунки.

4. Расчет охлаждения ЖРД.

При проектировании системы охлаждения ЖРД сначала определяют конструкцию охлаждающего тракта, способ охлаждения и основные размеры тракта, а затем расчетным путем проверяют, обеспечивается ли при этом охлаждение стенок двигателя. Проверочный расчет охлаждения камеры ЖРД ведется в следующем порядке.

1. Разбивают камеру сгорания и сопло по длине на отдельные участки. Обычно в сопловой части берут 12-20, а в камере сгорания 1-4 участка в зависимости от их формы. В некоторых случаях для получения уточненных данных выделяют в отдельные участки и места стыка скреплений (гофров, ребер и т. д.), а также участки, имеющие специфическую форму, отличную от формы всего охлаждающего тракта. После разбивки по каждому участку определяются его геометрические параметры, необходимые для дальнейших расчетов.

2. Задаемся постоянной по длине температурой газовой стенки T_ст.г и определяем значения конвективных тепловых потоков q_к для каждого участка. Если имеются данные по распределению q_к для базового двигателя, то специальный расчет можно не проводить.

3. Задаемся распределением T_ст.г по длине камеры и по формулам пересчета определяем распределение q_к. При этом в качестве исходных данных можно принять следующие значения T_ст.г : в критическом сечении сопла 1000 - 1300^оК для жаропрочной стали, 700 - 900^оК для обычных конструкционных сталей и 500 - 700^оК для стенок из меди или ее сплавов; на выходе из сопла (в зависимости от степени расширения сопла) 400 - 700^оК для стальных стенок и 300 - 600^оК для медных. В камере сгорания и на входе в сопло T_ст.г на 20 - 40% ниже температуры стенки в критическом сечении.

4. Определяем распределение лучистых тепловых потоков q_л по длине камеры и сопла см. п. 4.2.

5. Определяем суммарный удельный тепловой поток в стенки камеры двигателя. q_сум =q_л + q_к

6. Проверяем достаточность расхода охладителя для снятия тепла, поступающего в стенки камеры двигателя. При стационарном режиме охлаждения все тепло, поступающее в стенки камеры двигателя, идет на нагревание охладителя. Уравнение баланса тепла

(4.1)