Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД)

Двухкомпонентные топлива можно классифицировать по родст­венным окислителям, поскольку именно окислитель, содержание которого в различных тонливах составляет 75 95% (по массе), определяет особенности топливной композиции. Различают, в част­ности, кислородные, азотно-кислотные, азоттетроксидные, перекись-водородные, хлорные и фторные топлива.

В зависимости от реакционной способности окислителя и горю­чего при их непосредственном контакте топлива разделяют на само­воспламеняющиеся и несамовоспламеняющисся. Самовоспламеняю­щиеся компоненты топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением тепла, достаточного для воспламенения топливной смеси. Воспламенение несамовоспламеняющихся в обычных услови­ях топливных пар можно обеспечить каталитическим воздействием, введением в один из компонентов активизирующих присадок или подводом тепла от внешнего источника.

По интервалу температур сохранения жидкого состояния топли­ва или их компоненты подразделяют на высококипящие и низкокипя­щие. Высококипящие компоненты топлива в условиях эксплуатации

имеют температуру кипения выше 298 К и хранятся в обычных условиях без потерь на испарение. Низкокипящие компоненты топ­лива при стандартном давлении имеют температуру кипения ниже 298 К и находится в газообразном состоянии. Некоторые компоненты (например, аммиак NHg) можно эксплуатировать как высококипя­щие при поддержании определенного (сравнительно небольшого) избыточного давления в баке. Среди низкокипящих компонентов выделяют группу так называемых криогенных компонентов топлив, имеющих температуру кипения ниже 120 К (-153°С). Криогенный компонент нельзя хранить в жидком состоянии без принятия специ­альных мер его тепловой изоляции. К криогенным компонентам относятся сжиженные газы: кислород, водород, фтор, метан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличение плотности воз­можно применение криогенного компонента в шугообразном состоя­нии, т.е. в виде подвижной грубодисперсной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные, и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив имеют при максимальной температуре в условиях эксплуата­ции или хранения давление насыщенного пара ниже допустимого по условиям прочности баков, обладают стабильностью физико-хими­ческих свойств в течение заданного времени и допускают хранение в баках ракеты или других емкостях при эксплуатационных темпера­турах и давлениях без существенных потерь.

Задание.

Однокамерный ЖРД

Начальная масса                                                                                     m0 = 13 000 кг

Конечная масса                                                                                    m1= 1 300 кг

Тяговооруженность                                                                                    b0 =  1,1

Давление в КС                                                                                                  poc = 8,8 МПа             

Геометрическая степень расширения сопла                            =  600

                                                                                                                              = 

Топливо:

О2+ ……. Стабильное горючее (НДМГ).

3.  Расчет размеров камеры и действительных параметров двигателя.

Расчет геометрии камеры ЖРД                          

ТОПЛИВО:       О2ж+ НДМГ

Тяга камеры                                                                                                                  140.000  кН

Давление на входе в сопло                                                                                      8.80000 МПа

Удельный импульс                                                                                               3518.0514 м/с

Расходный комплекс                                                                                             1729.9965 м/с

Массовые расходы:

                  окислителя                                                                                                25.739801 кг/с

                  горючего                                                                                                  14.291759 кг/с

Параметры камеры сгорания:

а) Общие:

   Коэффициент камеры сгорания                                                                                 0.9800000

   Относительная расходонапряженность                                                              1.0000000 с/м

   Время пребывания                                                                                                 0.002000 с

   Относительная площадь поперечного сечения                                                     5.7803584

   Радиус                                                                                                                                  0.1273693 м

   Длина                                                                                                                             0.2004792 м

   Объем                                                                                                                               0.0049648 м3

   Радиус скругления R1                                                                                      0.1018954 м

   Радиус скругления R2                                                                                        0.0794655 м

б) В ядре потока:

   Коэффициент избытка окислителя                                                                         0.9500000

   Идеальный удельный импульс                                                                               3678.0345 м/с

   Идеальный расходный комплекс                                                                            1772.2600 м/с

   Идеальная температура                                                                                                3863.0800 К

   Молекулярная масса                                                                                         25.337700 г/моль

   Массовые расходы:

                     окислителя                                                                                             23.841951 кг/с

                     горючего                                                                                                11.752583 кг/с

в) В пристеночном слое:

   Коэффициент избытка окислителя                                                                              0.15000000

   Относительная доля горючего                                                                                 0.2000000

   Идеальный удельный импульс                                                                                 2782.8400 м/с

   Идеальный расходный комплекс                                                                  1400.1200 м/с

   Массовые расходы:

                     окислителя                                                                                            1.6978500 кг/с

                     горючего                                                                                              2.8391759 кг/с

Параметры сопла:

       Коэффициент сопла                                                                                          0.9800000

       Показатель изоэнтропы расширения на срезе                                      1.1230300

       Геометрическая степень расширения                                                            48.611800

Радиус скругления R3                                                                                                     0.0264885 м

Радиус минимального сечения                                                                                0.0529770 м

Половина угла раствора конического участка

сужающейся части сопла                                                                                     7.0000000 рад

Коэффициенты потерь удельного импульса на

                                                                                     трение                                             0.0198067

                                                                                    рассеяние                                          0.0082720

                          Таблица 1

     Координаты   точек  сопряжения контура сужающейся части сопла

     -----------------------------

     Точка¦   X [мм]  ¦   Y [мм] ¦

     ----+------------+------------+

       A  ¦   232.178 ¦   127.369 ¦

       B  ¦   299.122 ¦   102.293 ¦

       C  ¦   333.271 ¦    72.533 ¦

       D  ¦   385.479 ¦    52.977 ¦

                                 Таблица 2

Координаты контура расширяющейся части сопла

-------------------------------------------+

NN ¦   X [мм]   ¦   Y [мм]   ¦ Бета [рад] ¦

----+------------+------------+------------¦

   1  ¦   385.479  ¦    52.977  ¦  0.000000  ¦

   2  ¦   400.803  ¦    57.860  ¦  0.616910  ¦

   3  ¦   450.446  ¦    90.763  ¦  0.555199  ¦

   4  ¦   500.089  ¦   119.762  ¦  0.503345  ¦

   5  ¦   549.731  ¦   145.652  ¦  0.459031  ¦

   6  ¦   599.374  ¦   168.990  ¦  0.420636  ¦

   7  ¦   649.017  ¦   190.183  ¦  0.386983  ¦

   8  ¦   698.659  ¦   209.542  ¦  0.357195  ¦

   9  ¦   748.302  ¦   227.308  ¦  0.330604  ¦

  10 ¦   797.945  ¦   243.674  ¦  0.306690  ¦

  11 ¦   847.587  ¦   258.797  ¦  0.285045  ¦

  12 ¦   897.230  ¦   272.807  ¦  0.265340  ¦

  13 ¦   946.873  ¦   285.811  ¦  0.247308  ¦

  14 ¦   996.515  ¦   297.902  ¦  0.230731  ¦

15 ¦  1046.158  ¦   309.159  ¦  0.215427  ¦

16 ¦  1095.800  ¦   319.649  ¦  0.201247  ¦

17 ¦  1145.443  ¦   329.432  ¦  0.188061  ¦

18 ¦  1195.086  ¦   338.560  ¦  0.175761  ¦

19 ¦  1244.728  ¦   347.079  ¦  0.164255  ¦

20 ¦  1294.371  ¦   355.030  ¦  0.153462  ¦

21 ¦  1344.014  ¦   362.448  ¦  0.143314  ¦

22 ¦  1393.656  ¦   369.367  ¦  0.133749  ¦

-------------------------------------------+

6.                      Расчет охлаждения камеры двигателя.

Охлаждение камеры, работающего на компонентах: жидкий кислород + НДМГ выполняется согласно пособия для курсового и дипломного проектирования ЖРД [  ].

Охлаждение осуществляется проточным горючим (НДМГ) , далее охладителем. .

Диаметр минимального сечения равен 106 мм, диаметр выходного сечения сопла 697 мм. Давление заторможенного потока в КС Рос=8,8 МПа. Коэф-т избытка окислителя в пристеночном слое ядре потока . Задаемся температурой охладителя на входе в тракт Твх.охл.=300 К.

Выбираем в качестве материала стенки сплав БрХ08 и задаемся распределением температуры стенки по длине камеры. Распределение по длине выбираем линейное. В сверхзуковом сопле распределение температуры задаем двумя линейными зависимостями. Значения Тст.г. равны: в минимальном сечении  680 К, на срезе сопла  450 К, В камере сгорания  580 К.

Выбираем 7 расчетных сечений по тракту. Массовый расход охладителя выбираем на первом участке; на остальных участках все горючее проходит через охлаждающий тракт.

Для удобства полученные значения занесены

в таблицу 6.1.

Выбор геометрии охлаждающего тракта.

На всем протяжении камеры проходят фрезеровки.

а = 1,33 мм., - ширина канала,

б = 0,5-2 мм., - ширина ребра,

δохл = 2-4 мм., - высота ребра,

δст =0,5-3 мм., - толщина стенки.

7.      Расчет смесеобразования.

Компоненты топлива:

       Жидкий кислород;

       Подогретый НДМГ.

Смесеобразование в камере сгорания осуществляется двухкомпонентными форсунками и центробежными  жидкостными форсунками горючего для охлаждения паяного шва и огневого днища. Применение двухкомпонентных форсунок обеспечивает смешение компонентов в одной фазе вблизи плоскости форсунок в КС, что приводит к более интенсивному протеканию процессов горения и уменьшению объема КС. Кроме того пропускная способность головки с двухкомпонентными форсунками существенно выше. Правда при интенсивном  протекании процессов сгорания вблизи форсунок огневое днище головки и особенно узлы пайки форсунок в днищах будут работать при повышенных температурах, поэтому часто приходится организовывать вокруг каждой форсунки жидкостную завесу. Однако улучшения смесеобразования за счет двухкомпонентных форсунок дает более существенный выигрыш в повышение надежности работы всей КС.

Определение количества форсунок на головке камеры.

Расчеты проведены согласно указаниям источников [], [].

Расположение форсунок на головке  концентрическое, шаг а между центрами для двухкомпонентных форсунок может быть в пределах а = 18…50 мм: а = 24 мм. Для нормального закрепления форсунки на днище вблизи стенки камеры необходимо, чтобы между стенкой камеры и центром корпуса форсунки было расстояние, равное 5…10 мм.

Если эффективную площадь головки, занятую форсунками, поделить на площадь, занятую одной форсункой на головке, то получим количество форсунок, уместившихся на головке:

,

Эффективная площадь головки Fк.эф.=πR2к.эф.

Rк.эф = Rка/2 = 127  24/2 = 115 мм,

Rк  радиус камеры сгорания, а  шаг между форсунками.

Для концентрического расположения форсунок найдем количество окружностей, умещающихся на поверхности головки. Примем расстояние между окружностей равным шагу между форсунками, а на окружностях форсунки расположены на расстоянии шага, измеренного по хорде окружности.

Количество окружностей

;

Очевидно, на первой окружности число форсунок будет

На второй окружности число форсунок

На третьей окружности

На четвертой окружности