Теплообмен в элементах конструкции двигателей ЛА Методические указания к курсовым работам

гссудАРстжнний кантет сссР по НАРоднаа овиэовАннв МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА.И ОРДЕНА ОКТНБРРСКОй РЕНЫАПИИ АЖАЦИОННЫй ИНСТИТУТ авена СЕЕ'О ОРДЕОНИЕИДЕЕ тлплоонан в 9лижнтАх конструепни дигнтелей ДА Иетоднчеокне уваванва К ИУРООВНН работая Под редекцней Г.А. Крейцера, В,П. Солнцева Утверанено на эаоеденвн редоовета 21 октября 1988 г. Моаква Издательотво ИАИ 1989 А 189 2 (07Й т 948 УДЫ 629.7.063 (071.1) Авто1ш-составители: Ю.А. РМков, Г.А. Дрейцер, Е.Н. Абешвчев. Теплообыен в элементах ковотрукцвв дввгателей ЛА: Методвчесвне ука- зания к куроовым работам. Авт.-оост.: Ю.А.

Рыков, Г.А. Дрейцер, Е.Ы. Абвшнчев; Пад ред. Г.А. Дрейцера, В.П. Солнцева. - М.: Иэд-во МАИ, 1989, — 52 с.: нл. Прзведены методике раочета процесса теплообиена в разлвчных конкретных элементах двигателей ЛА, тепловой эеэшты баков ЛА, сопла реектнвнсго двигателя, трубчатого теплообменного юшарата, предна- значенного для регенерация тепла в ВРД. Теплообмен расс ютыввется как грюроанелнтнческнмн ыетодэмя, так н о нспользоланнем ЭВЫ. Методнчеокне укаэаявя рекомендуштоя для выполненэя куроовой работы по курсу "Теплопередача" отудентвмн авиационных вузов, обучюслнмная па спецэвльноотл "Теплопередаче", Рецензенты; Б.И. Юдаев, Г.Б.

Петраввцнвй © Московаквй авввцвонный институт, 1989 ПРЛПИСАон(Е Пель методвчеаквх указавнй — обученве студентов оовремеэлым методам раочета тепловых процессов, происходящих в элементах конст- рукцнн ВРД. Раосматрвввштся метцны тепловой зэшнты с ВояользОваяв- ем теплоеыкостн материала коватрукцзв, тепловой зещнтм от конвек- тнвного теплообыена мекду высокоскоростным попжом воздуха н по- верхностьш летательного аппарата с псмощьш воздушках проолоек с учетом лучнотого теплообмена н теплеобмена п1ш свободной конвекцвк. Изучается методнла теплового н гвдравлвческого расчета трубчатого теплообменного епмрата, предназначенного для регенерацвв тепла в ГТД, Оптвмнэецня теплообменного ююарата по минимуму мааоы влв обьеыа провзводвтсн с нспользованнем Эш(, Разделы 1, 2 непноаю~ ю.А.

Тшяовыы, равд. 8 яапвсан Г,А. Лре(~- цером в ЕЯ. Абзшвчевмм. 1. РАСЧЕТ НАГРЕНА СОПЛА РЕАКТИЖОГО АТЙИ ЛА Форма дозвукового участка сопла определяется рздвусамв ф бЗЛ'~~ и $= З~Рлр(рве. 1.1). Рво. 1.1 Длива пилинд(ычеакого участка перед соплом 1~ = 3 Я .

Сверхзвуковзв чаоть сопла имеет Форму конуса а углоы полураствора гУ; МЧ,— чиалоМ на выходе (срезе) соплаэ гИу.; числоМ на входе в аопло; ~ц, кг/а - расход продуктов сгорания через оопло; Оз — давление в кемере огорания 4 =1~/С~,. У~ — температуре торможения продуктов огоранля в камере; ~7, Дж/(кг К) — газовея постоянная; 7' — температура внутренней (оопрлкаавющейоя о продуктзми сгорания) поверхности сопла. Внутренняя поверхность сопла охлеждается за счет теплоемкости материала сатла. Требуется. используя заданные .матераалы, спроектировать солло а минимальной ыассой. Сопла может быть изготовлено из одного илн нескольких матераалов. Прн этом необходимо найти такое распределение тоыцин его стенки ля~, при котором температура внутренней поверхнооти сопла ни в одной точке не превышала бы темкературу плавленая матер~зла. Для найденного раопределенля толщин стезмв сопла РассЧитать зависимость 7~Чс --У(Ь'.) в конце Работы двнгателн. Начальная температура сопла Тн .

В оокрещеином за(менте раачетв достаточно подобрать необходимые толщины материала стенки сопла КфС) без отыскания минимальной массы. ПРИНЯТНЕ ДОПУЩЕНИЯ И НЕГОДНЧЕСКНЕ УКАЗАБИ 1. Режим течения в погранвчаом алое, обраэукщемся на стенке сопла, турбулентный.

При расчетеМ~ в качеотве температуры стева,м рд ° .р-ур ь =-ъ;.ь 2. Теплообмев между газом и внутренней поверхноОтЬЮ аоппа раосчнтывается методом э$йектлввой длины. 3. Все тепло, подводимое от потока к стенве, идет нв ее нагрев; отвода тепла о ввеювей поверхности сопла нет. 4. Нагрев участка стенки обила расочитывазтоя кзк двухоторсннвй нагрев бесконечной пластины, толщвва которой равна двойной толщине стенки сопла, при грвввчных условиях 3-го рода((Х',Я.

Пра раочете ислользуются номограммы, приведенные в приложевйв. Для указанного прщблаченвого метода расчета нестационарной теплспроводвости предполагаетоя, что сопло двойной толщины (рас. 1.3) обтекзетоя газом яак с внутренней, тни и с наружной стороны при одинаковых л каялом сечении значениях температур газа и коэфьщпнзнтов теплоотдачио~. Рио. 1Л 5.

Гидродинаиичзсквй расчет истечения условно ведется в предположении едвабатного процесса а поотоянным эначеввем .Н = бс/Сг, Теплофнзические константы продуктов сгорания условно прннимзютоя такнмн же, как у СОЯ, при ссстветатвухщкх давлениях и температуре. ПОРЯДОК РАСЧЕТА 1, Газо нзмичесиий счет 1. Площадь критического сечения сопла определяют из соотноше- Ш. Тепловой счет с -го ватка стенки сопла 1.

учитывея отсутотвие тецлоотвода с внешней поверхности соп- ла в принимея гредиент темперэтург по длине сопла мелям, кжчдый элеыент можно рваоиатривать кек учааток неограниченной пластины, илоокооть аиыметрши которой совпадает о внешней цовершноатью соп- ла, и решать длн нее кроатренатвенно-одномерную задачу неатацио- нарвой теплопроводноата а граничными уаловиями 3-го роде (~~ = 7~ ., сб звдзно из критериельнсго уравнения) (рма.

1.2)г дед~ Ут< ж). ,7~ =" — Зу~ 7'~~г, б)= гг7гуЯ= 7„, я„~$ф.~~т, — т(Е,ад=а, гтг-~~~„~т г,,р ~ с~ 7' — меотные значения коэффициента тедлоотдачи и темперету|ш адивбатной стенки; гИ" - ь -й учнаток сопла и гф~/- меатнея тол- щина стенки сопла показаны на риа, 1.3. Из симметрии-'ЯЖ вЂ” )= О (отсутствие отводе тепле через внеш- нюю поверхноать сопли). 2. Пользуясь номограммой для определения атнооительной темпе- ратуры на поверхности неограниченной пластины, находят те значения Вг и тг7, прн ксторггх температура поверхности сопла аоответатвует теыпературе плавления знбрвнногс мвтеризла 7„' б7 Я 7л мг= т - 7)~ = Проводят на номограмме сечение фд =сггтЫИ строят эяи сг' ) сг т и зазванность ВИо) (рнс. 1.3).

НривеягггЯ)показывает, прг каких различных Вг' ИРЗ тем- пе рн поверхноати сопла не превышает зеденное значение ~~я . Для того чтобы темцерэтура поверхности сопле действительно н ре е ц выша- лв температуру плавления, нужно ныбрвть такую толщину сопла, при которой,для данных физических свойотв мнтернзлв,внутрь сопла отво- дитая доататочное количеатво тепла, чем обеапечивеется в течение недавного времени выполнение уоловия 7~ я 7ггг .

Рис. 1.3 3. Определяют необходимую толщину сопле н провергют возможнооть обеспечения 7~м7," при выбранном материале сопла. Поокольку в зедаче неизвестной является толщина стенка аопла гг , то авязь междуВг' = и Й= ~ в раооынтриваемой задаче может быть найст денв путем исключения г): г* т'л -гг -х г (1Л) ст сг сост Отсюда Вг' = гу Рэ '. 3эвисимость Вг' =,4.Я ' соответствует заданным -~эх условиям теплообмена ог, зеданному времени рвботы сопле 2' „и физичеакнм свойствем выбранного матернела.

Точка, в которой йереаекеютоя крнзнеВсЩ)ИВг'=Ф-Р7~7~, является решением задачи, указывающим на та, чта длЯ внбранного материеле можно подобрать тзкую толщину сопла, при которой темперетурв поверхноати не превыаит теыпературу плавленая в течение всего времени работы двигателя г;т (рвс, 1 3,а) „Необходимую толщину сопла опредешгют из значений Вг ялитгг в точке пересечения кривых. Непереаечение кривых на рис.

1.3,а может быть ввезено разными причинеми. Случай, покаэаН- ный на рнс. 1.3,б, является следатвием ограниченности номограмм. кривая Вг =Жг фу раополегаетая ниже кривой Юг~70),и при унелнченин Ро кривые переаекутоя. В точке пересеченвя Вг' будет иметь малое, а Ггг большое значение, что соответстнует малым потребным толщннем сопла.

При взаимном располокении кривых, покаеанном нв рис. 1.3,в, точка пересечения отсутствует, Это указынает на то, что прн выбранном метернеле сопла невозможно обеспечить выполнение условия 7~ с 7', . температура поверхности сопле получается выше температуры плавленая. В атом случае необходимо, если это возможно, поднскеть другой метериел. При атом следует иметь в виду, что выполНения постевленной задаЧИ можио ЛаатичЬ, выбрав матернзл как с большей температурой плавления, так и о большим значением с,сЛ.

т.е. для выползеаня условэя 7' 47д необходимо разумное сочетанве обоих факторов. 4. Пользуясь номограммой для окределевиа отвооительвой избыточной температуры в середине аеограниченной пластвны, находят температуру на внешней поверхности элемента сопла в конце работы двигателя. 5. Повторяя процедуру пп. 3 и 4 для каидого из участков, исходит ~Ф) э 7ецо(сс1 н стРоат вэвисвыссть ФфГ) а ~~с(Я~ПРиЗ' =Ткач . 8.

Бычиоляют массу сопла. 2. РАсчет нАГРВВА тсплиВА В БАПАх лА Пель работы - определение конотрукции стенки цилиндрического тсплвваого бака. обеспечвввщей за время полета и нагрев топлива ст начальной температура 7' до Тт~ . Бек ээполнзн топливом полностью (т~т =~0.-~;~4 кг), и за время полета ыасса топлива не меня- 2Фл ется (полет совершается за счет дополнительных баков). Полет происходит со скоростью, соответствухщей постоянному числу М~, в с раввоыерэыы аабороы высота от ~~ до l~~(заданных в задании). Рис. 2.2 Рис. 2.1 Конструкция аппарата показана на )шс. 2.1, конструкция стенки бака — на рнс.

2.2. Стенка ооотоит из внешней (толщиной д~~ ) и внутревней (толщннойеЧ ) обшввок, разделенемх кольцевыми перегородками (шпангоутныи), Материал всех элементов, эх геометрические размеры, число шпангоутов долины быть выбраны самостоятельас. Считеется, что по всему сбъену бака температура топлива постоянна за счет перемешивання, кроме пристеночного слоя, где она ыеняетоя от температуры внутренней стенки до температуры топлива. ПРИННТыы ДСПУИЕНИИ И ЫЕТС)(ИЧЕСКИЕ УКАВАНИИ 1. Считаа тело заостренным, а отсек достаточно удаленныы от нооа, теплообмен на поверхности тена раосчитать по формулаы для плоской пластины с ыареметремв на внешней гравице пограничного слоя, виданными высотойл' и числоыЮ полета. Расчет вести по чнолуР~г, определенному по среднему уданению отсека от носа аппаратаРеу = ~~4, где У = 4ч ч 4 Ф.

2. Теплообыенсы через торцы отсека цревебречь. 3. Вследотвве малоств отношениями/Ы расчет ковЩшцаента тепло- передачи обшивки вести кек для плоской многослойной стенка. 4. Паэление возщха в зазоре между нарукным и внутренним олояын обшивки принять равным среднему даэленаю в атмосфере на рассматриваемой траектории: Р 2 Ягач Рканеч~ Температура воздуха э зазоре ~ ~ л|нач+ ~ьгганеч + 7чаанжч 7а (2.1) ~Ь~=21 2 ' Б 5. Прн состаэленна уравнения теплового баланса для определения 7 э первом приблэяээин првнять тепловой поток в стенку 8. Завиовмсоть вязкости воздуха от температуры ~2] принять 7 с7г (т (7)-у~у Л 7,22 ч'с(ч' (2.2) нлн определять по таблицам фиэическах овойотв воздуха [1~ ((те не зависит от давления). 7, Плотность воздуха в пограннчноы слое определять по уравнению состояния идеального газа Ур=Р7.