Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 45
Текст из файла (страница 45)
277 5.б. Расчет камеры двигатели на прачнасть Порядок прочностного расчета камеры ЖРД Исходя из изложенных выше особенностей условий работы и расчетов камеры ЖРД на прочность целесообразно проводить прочностные расчеты камеры ЖРД в следующем порядке. Прежде всего проводится расчет общей несущей способности скрепленной оболочки камеры двигателя. При этом оболочка камеры рассматривается как составной скрепленный тонкостенный сосуд, находящийся под воздействием давления в камере.
Далее рассчитываются 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 расположены редко, то вместо расчета местных прогибов необходимо проводить расчет устойчивости внутренней оболочки. Расчет местных прогибов, так же как и расчет скреплений, должен проводиться при двух режимах нагружения: на рабочем режиме, при котором из-за высокой температуры стенок прочностные свойства их материала ухудшены, и на режиме гидроопрессовки, применяемой при технологических испытаниях. Режимы, близкие к режиму гидроопрессовки, когда перепад давлений Ьр наибольший, могут возникать и при работе двигателя в момент запуска, когда давление в камере сгорания еще не поднялось и стенка еще холодная, а в охлаждающем тракте уже создано высокое давление.
При очень часто расположенных скреплениях расчет на местные прогибы теряет смысл, так как в этом случае невозможен настолько большой прогиб внутренней оболочки, который привел бы к нарушению режима охлаждения. Толщина внутренней оболочки в этом случае невелика, и поэтому влияние ее на общие прочностные свойства камеры незначительно. Основную нагрузку несет наружная оболочка, и поэтому в первом приближении прочностные свойства оболочки камеры двигателя можно оценивать исходя из расчета только ее наружной оболочки. При этом она рассчитывается обычными методами как тонкостенная оболочка с учетом изменения прочностных свойств материала при повышенных температурах, которые могут доходить до 300...400' С. Затем рассчитываются на прочность головка, крепления головки и опор к камере сгорания, скрепления и т.
д. Если форсунки крепятся пайкой, то днище рассчитывается как двустенная система со скреплениями (форсунками). Если же форсунки завальцованы, то целью расчета является определение условий, приводящих к нарушению герметичности крепления форсунок. Подробно методика прочностных расчетов ЖРД рассмотрена в работах [28, 29). Глава 5. Камеры сгорания ЖРД 278 5.7.
Дополнительные замечания Поскольку ЖРД является двигателем летательного аппарата, он должен обеспечивать возможно больший для заданного топлива удельный импульс при возможно меньшей массе самого двигателя. Для удовлетворительно спроектированного двигателя потери удельного импульса на расчетном режиме работы составляют 3 ... 5 '.4, что соответствует коэффициенту ~рр= 0,95...0,97. Удельная масса (отношение массы установки к тяге) двигательной установки одноразового действия без баков составляет величину порядка 0,7...1 кг/кН.
Для двигательных установок малых тяг, а также для установок, в которых предусмотрено выполнение специальных требований (многократность запуска и останова, глубокое регулирование и т. д.), удельная масса превышает указанные пределы и может доходить до 3...5 кг/кН (3,64 кг/кН для 11Д58МФ). Для двигательных установок больших тяг, например РД-170, величина удельной массы составляет 1,34 кг/кН 110]. Удельная масса камеры двигателя составляет примерно одну треть удельной массы установки без баков.
Высокие значения коэффициента удельного импульса при малой удельной массе достигаются путем рационального проектирования всех элементов камеры двигателя. При этом часто приходится решать задачу одновременного удовлетворения трудносовместимых требований. Так, например, профилированное сопло с наименьшими потерями может не обеспечить требований по массе и не укладываться в допускаемые габариты установки; применение камеры сферической формы, имеющей наименьшие поверхность охлаждения и массу, может вызвать неоправданные технологические трудности и т.
д. Универсальных рекомендаций при решении подобных задач дать невозможно. В каждом частном случае приходится находить оптимальное решение в зависимости от поставленных конкретных условий по удельному импульсу, габаритам, массе, надежности установки и т. д. Приведем некоторые дополнительные рекомендации, касающиеся выбора материалов, а также проектирования отдельных элементов двигателя.
Выбор материала. Материал камеры двигателя должен быть по возможности более прочным, легким и обладать хорошими пластическими свойствами. Для материала внутренней оболочки желательно сочетание высокой теплопроводности и удовлетворительных прочностных свойств при высоких температурах, однако, как правило, жаропрочные сплавы имеют плохую теплопроводность. Для внешней оболочки теплопроводность большого значения не имеет, и поэтому здесь главным требованием к материалу является его высокая прочность и возможно меньшая плотность. В некоторых случаях, при высокотеплопроводных скреплениях, температура наружной оболоч- 5. 7. Дополнительные замечания 279 ки может достигать 300...400 иС и тогда материал должен обладать достаточно хорошей жаропрочностью.
Кроме того, в зависимости от типа конструкции и применяемых компонентов, материал должен удовлетворять условиям свариваемости, кислотостойкости и не являться катализатором. Применение насадков к соплу. В современных двигателях разгонных блоков с большой степенью расширения сопла целесообразно применять сопловые насадки. Такие насадки увеличивают геометрическую степень расширения сопла, что, соответственно, повышает удельный импульс. Например, в двигателе 11Д58МФ применение насадка из углерод-углеродного композитного материала увеличивает геометрическую степень расширения с 179 до 280.
При этом удобство насадка заключается в том, что земные испытания и доводка двигателя проводятся без него. Насадки также можно изготавливать из жаропрочных сплавов на основе титана или ниобия, не используя при этом специальной системы регенеративного охлаждения. Основные трудности при применении насадков состоят в их малой жесткости. Для обеспечения достаточной жесткости на наружной поверхности выполняют специальные ребра жесткости. Имеются предложения по использованию для насадков очень тонкостенных скрепленных оболочек, одно из сечений которых показано на рис.
4.26, г. Эквивалентная толщина этих материалов (называемых иногда «космическими» материалами) составляет 0,4...0,5 мм. Определенные трудности при использовании насадков связаны со стыковкой их с основной камерой, а также с необходимостью тщательной организации пристеночного слоя во избежание образования у стенок насадка высокотемпературных «языков» продуктов сгорания, резко нарушающих условия его охлаждения. Однокачерные и многокачерные двигательные установки.
При одной и той же тяге однокамерный двигатель большей тяги требует большего времени на доводку, чем многокамерная связка двигателей. При этом также повышается вероятность возникновения высокочастотных колебаний. Кроме того, связка двигателей имеет меньшие габаритные размеры по высоте и лучше заполняет объем двигательного отсека.
Масса связки сопоставима с массой однокамерного двигателя. Однако увеличение числа камер приводит к увеличению количества различных агрегатов, обеспечивающих работу двигателя, что снижает надежность установки. При использовании двигательных установок с дожиганием (см. гл. ЧП1) увеличение числа камер может затруднить подачу высокотемпературных продуктов сгорания из турбины ТНА в камеры сгорания. Примером многокамерных ЖРД, в которых решены указанные проблемы, являются двигательные установки РД-180 (двухкамерная), РД-170 (четырехкамерная; см. вклейку, рис. 7).
Глава ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ В соответствии с ГОСТ 17655 — 80 жидкостная ракетная двигательная установка состоит из одного или нескольких ЖРД, пневмогидравлической системы подачи топлива и вспомогательных устройств. Жидкостный ракетный двигатель состоит из камер, турбонасосных агрегатов, газогенераторов, агрегатов автоматики, устройств для создания управляющих усилий, рамы, трубопроводов и вспомогательных устройств и агрегатов. В свою очередь, камера ЖРД состоит из камеры сгорания и сопла. Систему подачи компонентов топлива можно разделить на три основные части.
1. Агрегат для создания давления подачи компонента. 2. Система агрегатов и трубопроводов, обеспечивающих запуск, останов и работу двигателя. В общем случае такая система будет гидро-, пиро-, пневмоэлектросистемой. В каждом частном случае в системе может отсутствовать пневматическая, электрическая или пиротехническая часть. 3. Баки. (При турбонасосной системе подачи баки на схеме двигательной установки часто не изображают, хотя и они являются составной частью двигательной установки.) 6.1. Системы подачи В зависимости от назначения к ЖРД предъявляют различные требования по величине тяги, продолжительности и условиям работы. Это приводит к большому разнообразию применяемых способов подачи компонентов и схем двигательной установки в целом.
В настоящее время можно привести несколько десятков типов двигательных установок, отличающихся схемой, используемым топливом, способом его подачи, конструкцией основных агрегатов (камеры сгорания, сопла, турбонасосного агрегата) и т. д. Одним из важных элементов, характеризующих двигательную установку в целом, является система подачи компонентов. По типу агрегата, создающего давление подачи, различают турбонасосную и вытеснительную системы подачи. Наиболее распространенными в ЖРД являются турбонасосные системы, обеспечивающие подачу компонентов топлива в широком диапазоне давле- 6.1. Сисгпемы подачи 281 Рис.
6.1. Элементарная схема установки с ТНА: ! — баки; 2 — газогенератор; 3 — турбина; 4 — насосы; 5 — камера двигателя; 6 — выхлопной патрубок ний и расходов. Элементарная схема турбонасосной системы подачи представлена на рис. 6.1. Компоненты из баков! поступают к насосам 4 и подаются в камеру сгорания 5. Главным элементом системы подачи является турбонасосный агрегат (ТНА), с помощью которого создается необходимое давление подачи компонентов и обеспечивается заданный расход.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
