Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 43
Текст из файла (страница 43)
В камере поступившие компоненты сгорают, и истечение продуктов сгорания дает тягу Р„. Величина тз в зависимости от физических свойств компонентов топлива, температуры их н объема полостей изменяется в широких пределах — от нескольких до десятков секунд. Составляющая импульса последействия г (рис. 5. 14) за это время У„~=~ Р, „,0 сз'г Сгзтз — Р та (5. 26) Величину з',з можно снизить, во-первых, путем уменьшения общего количества топлива, остающегося в полостях, т. е. за счет уменьшения объема полостей.
Для этого необходимо располагать отсечные клапаны возможно ближе к камере двигателя. Если по каким-либо соображениям (прочностным, технологическим и т. д.) в головке нли охлаждающем тракте оставлены объемы, уменьшение которых не повлияет на качество протекания процесса, эти объемы желательно уменьшить, заполнив ях каким-либо легким материалом. (5.25) Рис. 5.14.
К возникновению составляющей импульса по. следействия гпа: В первом приближении незначительным горючего; 8-отсечной клапан давлением столба жидкого компонента и действием сил инерции на расход можно пренебречь и считать, что в течение времени тз расход через форсунки определяется только величиной давления насыщенных паров. Давление насыщенных паров зависит от температуры компонентов и в течение времени тз его можно считать постоянным.
При этом будет постоянным и расход компонентов через форсунки. Удельная тяга в пустоте Ртл,з зависит от соотношения компонентов и качества процесса в камере сгорания и при постоянном отношении расходов компонентов также может считаться величиной постоянной. Тогда Для уменьшения Х з примерно вдвое можно также использовать дренаж полостей; при этом дренажные отверстия в полостях открываются одновременно с закрытием отсечных клапанов. Можно также применить продувку полостей газом, инертным по отношению к компонентам. т4 — время истечения из камеры сгорания послед. н е й и о р ц и и т о п л и в а. В течение этого времени тяга двигателя падает от величины Р, до нуля.
Так как в связи с кипением топлива в полостях последняя порция топлива поступит в газообразном состоянии, время т4 можно принять равным условному времени пребывания тт„, пли 0,0015 — 0,005 сек. Составляющая импульса последействия за время т4 4 ) Х П46 т" (5. 27) Принимая, что тяга за время т4 падает по прямой, приближенно получим 1 и4 2 нз 4' (5. 28) З. 6 РАСЧЕТ КАМЕРЫ ДВИГАТЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ Камера двигателя может разрушаться по двум причинам; при недо. статочной прочности и при потере формы.
В первом случае разрушение произойдет вследствие возникновения в элементах оболочки напряжений, ~превышающих временное сопротивление материала, что может явиться результатом недостаточной общей несущей способности или не. достаточной прочности отдельных элементов камеры (скреплений, обо. Так как Рпз и т4 сравнительно невелики, величина Уча значительно меньше остальных составляющих импульса последействия и учет ее прн практических расчетах суммарного импульса последействия имеет скорее академический характер.
Произведем сравнительную оценку составляющих импульса .после- действия. Величины Ую и У 4 невелики вследствие малого времени действия т~ и т4. При использовании пироклапанов, вследствие очень малого времени их срабатывания тм величина У,а также незначительна и тогда главной составляющей суммарного импульса последействия становится ӄ— импульс последействия, возникающий вследствие работы камеры двигателя на компонентах, оставшихся в полостях после закрытия отсечных клапанов.
В случае использования отсечных пневмоклапанов вследствие срав. кительно большого времени их закрытия т, величина Х,а становится со. поставимой с величиной Х м что приводит к увеличению суммарного импульса последействия. Снизить величину полного импульса последействия можно, исполь.
зуя все факторы, способствующие уменьшению его составляющих, а именно: 1. Выключение двигательной установки на режиме возможно меньшей тяги. Это приводит к уменьшению всех составляющих импульса последействия. 2. Применение отсечных пироклапанов, имеющих малое время закрытия ть 3. Уменьшение объема полостей на участке от отсечного клапана до форсунок. 4. Включение дренажа полостей после отсечки подачи компонентов. 5.
Продувка камеры и полостей. Особенности условий работы и расчета камер ЖРД на прочность Специфика прочностных расчетов камеры ЖРД вытекает из осо. бенностей конструктивных форм камеры двигателя и условий ее работы. Первая особенность состоит в том, что обычно камера двигателя является двухстенной, скрепленной связями, оболочкой, находящейся под силовым и температурным воздействием. Схематически способы скрепления двухстенных оболочек можно разделить иа три основных типа (рис.
5.!5): продольные, винтовые и то. печные. Тип скрепления имеет существенное значение при расчетах оболочки на местные прогибы. При расчетах же на общую несущую способность он существенной роли не играет. + + г' .~ + + + + + б) а) а) Рис. 5. 15.
Типы скреплений диухстенных оболочек: а — продольные; б-вннтовые; в — точечные При работе ЖРД температуры наружной и внутренней оболочек Различны и перемениы как вдоль оболочки, так и по ее толщине. На рис. 4.1 показан типичный график изменения температуры ~по толщине наружной и внутренней оболочек камеры, откуда видно, что в наи.
более тяжелых температурных условиях работает внутренняя оболочка. Средняя температура ее много выше, чем у наружной оболочки и, кроме того, значительно изменяется температура по толщине ее (тем больше, чем больше тепловой поток да через стенку и чем меньше теплопроводность стенки). При таких температурных условиях работы в стенках возникают большие температурные напряжения и ухудшаются механические свойства материала. Ввиду этого при прочностных расчетах камеры ЖРД необходимо учитывать температуру и неравномерность ее по толщине анутренней оболочки, а также изменение механических свойств материала при повышении температуры. Вторая особенность состоит в том, что разность Лр между кавлением в охлаждающем тракте р„, и статическим давлением в каиере р„, а также температура внутренней стенки 1; переменны по длине камеры двигателя (рис. 5.
16). 217 лочек и т. д.). Во втором случае прогиб оболочек приводит к увеличе. нню сечения охлаждающего тракта и нарушению режима охлаждения. В результате уменьшения скорости охладителя условия охлаждения ухудшаются (4. Ц, температура внутренней оболочки растет, а это в свою очередь приводит к дальнейшему увеличению прогиба и ухудшению охлаждения. В конце концов, температура газовой стенки повышается до температуры плавления и камера разрушается вследствие прогара оболочки. Практика показывает, что при редких связях камера обычна становится неработоспособной еще до возникновения в элементах обо. лочки разрушающих усилий и прогорает вследствие большого прогиба оболочек.
Т. е. вторая причина разрушения камеры характерна для ЖРД, имеющего камеру с редко расположенными скреплениями. Прн частых же связях причиной разрушения является потеря общей несущей способности камеры или недостаточная прочность ее отдельных элементов. Из рассмотрения изменения ЛР и 1,' видно, что с точки зрения прочности внутренней оболочки в наиболее трудных рабочих условиях находЯтсЯ следУющие ее Участки: в камеРе сгоРаниЯ, где давлейие Рс наибольшее; у среза сопла, где наибольшая разность давления ЛР, н участки около критического сечения, где в связи с высокой температу. рой стенки прочностные свойства металла наихудшие.
Вследствие этого прочностные расчеты внутренней оболочки необ. ходимо проводить минимум для двух сечений; сечения наибольшей разности давлений ЛР и сечения наибольшей температуры внутренней оболочки. Третья особенность условий работы и расчета камеры дзига. теля иа прочность состоит в том, что расчет по допускаемым напряжениям не всегда приемлем. Дело в том, что одни только температурРалл ные напряжения в стенках камеры могут значительно превосходить Рл предел упругости, так что материал камеры двигателя работает в области пластических деформаций прн одновременном силовом и температурном воздействии. ~и При проведении прочностных расчетов в пластической области работы для высокопластичных материалов (каковыми являются материалы, используемые для камер ЖРД) судить о степени надежности с работы конструкции по величине возникающих напряжений очень трудно, так как в этой области небольшие изменения напряжений соответствуют большим деформациям, тогда как сами напряжения еще Рис 5.16 Распйеделение давлении и не достигают предела прочности средней температуры внутренней оболочОднако, как отмечалось выше, эти деформации могут оказаться достаточными, чтобы привести к нарушению режима работы двигателя, и, как следствие, к прогару его.
Поэтому основным критерием пригодности камеры ЖРД целесообразно считать не значения возникающих напряжений, а величину деформаций как оболочки в целом, так и отдельных ее элементов. Наконец, четвертой особенностью является то, что проч. постные расчеты камеры ЖРД имеют характер проверочного расчета. Все основные размеры оболочек, способы скреплений, а также нагрузки на оболочку и температуры ее определяются в первую очередь условиями надежности системы охлаждения и обеспечения заданной тяги двигателя и лишь затем — условиями прочности. Если какие-либо элементы камеры не удовлетворяют условиям прочности, мы не можем изменять их размеры без введения существенных поправок в расчет охлаждения или тепловой расчет камеры.
Так, например, мы не можем увеличить толщину стенки внутренней обо. лочки, так как прн этом резко изменятся условия охлаждения. Порядок прочностиого расчета камеры ЖРД Исходя из изложенных выше особенностей условий работы и расчетов камеры ЖРД на прочность наиболее целесообразным представ- 218 ляетея следующий порядок проведения прочностных расчетов камеры ЖРД. Прежде всего производится расчет на общую несущую с по. собность скрепленной оболочки камеры двигателя. При этом обо. лочка камеры рассматривается как составной скрепленный тонкостен. аый сосуд, находящийся под воздействием давления в камере. После этого расчетом определяются местные прогибы внутренней оболочки в камере сгорания, в критическом сечении и у среза сопла.
Местные прогибы не должны достигать величины, при которой нарушается режим охлаждения камеры и становится возможным прогар стенки. Если скрепления оболочки редки, то вместо расчета на мест. ные прогибы необходимо проводить расчет внутренней оболочки на устой ч и вость. Расчет на местные прогибы, так же, как и расчет скреплений, должен проводиться при двух режимах нагружения: на рабочем режиме, при котором из-за высокой температуры стенок прочностные свойства вх материала ухудшены, и на режиме гидроопрессовки, применяемой прн технологических испытаниях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
