Балтийский государственный технический университет "Военмех"
Кафедра К1 "Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов"
Курсовой проект по дисциплине "Проектирование камер сгорания жидкостных ракетных двигателей"
На тему: "Проектирование камеры сгорания"
Санкт-Петербург 2013
В данном проекте рассматривается камера сгорания жидкостного ракетного двигателя тягой 150 тс на компонентах азотный тетраоксид - несимметричный диметилгидразин. Произведён балансовый расчёт схемы питания двигателя, проведено профилирование сопла, выполнен расчёт охлаждения камеры сгорания. Курсовой проект содержит трёхмерную модель камеры сгорания, 33 страницы пояснительной записки, расчётные файлы в программе Маткад.
Содержание:
Задание 3
Характеристика топливной пары 3
Пневмогидравлическая схема двигателя 10
Балансовый расчёт 15
Расчёт охлаждения 31
Задание:
Спроектировать камеру сгорания ЖРД с тягой 150 тс, работающий на топливной паре НДМГ-АТ, с давлением в КС 150 атм. Краткая характеристика топливной пары, причины применения в данном РД. Достоинства и недостатки. Влияние свойств компонентов на схему.
Требования к жидкому топливу РД делятся на три основные группы:
1. Требования с точки зрения термогазодинамики, т. е. требования как к источнику энергии.
2. Требования к топливу как веществу, используемому для охлаждения двигателя.
3. Эксплуатационные.
Все три требования часто вступают в противоречие друг с другом.
С точки зрения термогазодинамики ЖРД:
- Для получения максимального Iуд необходимо, что бы молекулярная масса продуктов сгорания была минимальной, максимальным было удельное теплосодержание;
- Иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях. Это требование, очевидно, не согласуется со стремлением к минимальной молекулярной массе;
- Иметь наибольшее значение газовой постоянной, что обеспечит наибольшую скорость истечения газов из сопла;
- Иметь умеренную температуру сгорания, не более 4000-4500 К, что обеспечит надежность работы конструкции камеры;
- Иметь наименьший период задержки воспламенения, что обеспечит плавный и надежный запуск двигателя;
- Обеспечивать наибольшую скорость сгорания, что сокращает время пребывания компонента в камере и уменьшает объём и вес камеры.
Со второй точки зрения топливо и его компоненты должны обладать:
- Значительной скрытой теплотой парообразования. При более высокой скрытой теплоте охлаждающая жидкость закипит при более высокой температуре и будет способна отнять от стенок большее количество тепла;
- Наименьшей возможной вязкостью, так как при высокой вязкости резко возрастают гидравлические сопротивления и давление в насосах, что приводит к увеличению веса ТНА;
- Высокой удельной теплоемкостью, при этом единица веса жидкости поглощает наибольшее количество тепла;
- Наибольшей температурой кипения для большей надежности охлаждения без вскипания жидкости в охлаждающем тракте;
- Высокой теплопроводностью, т. е. жидкость будет лучше пропускать и распределять по объёму тепловые потоки;
- Наименьшим коэффициентом поверхностного натяжения, что способствует лучшему растеканию жидкости по охлаждающему тракту и исключает возможность образования паровых пузырей, вызывающих местные перегревы и точечные прогары стенок камеры;
- Высокой химической стойкостью против разложения при высокой температуре в охлаждающем тракте, что обеспечивает надежности охлаждения жидкостями с одинаковыми физическими свойствами.
Но тут приходится искать компромисс.
- хотя бы один компонент должен иметь хорошие свойства как охладителя. Это необходимо потому, что надо же чем то охлаждать КС;
- желательно, что бы один из компонентов топлива был хорошим рабочим телом для турбины ТНА;
- большое значение имеет давление насыщенных паров (давление при котором жидкость начинает кипеть при данной температуре). Этот параметр сильно влияет на разработку насосов и вес баков;
- минимальная агрессивность к КМ ЖРД. В противном случае приходится принимать специальные меры для защиты конструкции от топлива;
- самовоспламеняемость компонентов иногда нужна, иногда вредна.
С точки зрения эксплуатации:
- минимальная токсичность, как самого топлива, так и продуктов сгорания, в противном случае требуется специальная подготовка обслуживающего персонала и постоянный контроль за поведением компонентов;
- низкая температура застывания, что гарантирует жидкофазное состояние топлива в системах хранения, питания и транспортировки;
- высокая химическая нейтральность по отношению к КМ систем хранения на складе, систем питания двигателя на ракете, обеспечивающей отсутствие коррозии металлов;
- топливо должно быть химически стабильным при хранении, в случае изменения внешних условий и при различных видах внешнего воздействия;
- желательно, что бы хранение и заправка топлива не вызывали особых проблем;
- минимальная взрывоопасность и пожароопасность топлива;
- минимальная стоимость и освоенная технология производства.
Как видите требований много и зачастую противоречивых. Задача выбора оптимального топлива не всегда проста.
