Автоматика и регулирование ракетных двигателей на твердом топливе

Автоматика и регулирование ракетных двигателей на твердом топливе

Задание на курсовое проектирование

Для РДТТ, стартующих в диапазоне температур окружающей среды  и имеющего номинальные параметры , кН, МПа:

Определить количество сменных вкладышей (если их будет более 4, нужно изменить величину разброса ) и вычислить  каждого вкладыша для определенного диапазона окружающей среды при настройке на Р=const;

Построить в натуральную величину профиль обечайки (по известным размерам центрального тела) и положение центрального тела в момент запуска двигателя при . Определить зависимость перемещение центрального тела от температуры и разброс тяги при  принимая  при .

Параметры топлива:

Плотность топлива  ;

Удельный импульс топлива  ;

Температура ПС в КС = 2820 ;

Молекулярная масса ПС = 26,3 ;

Показатель процесса расширения = 1,22;

Единичная скорость горения топлива =  ;

Показатель степени в законе горения топлива = 0,5;

Физико-химическая константа топлива B= 700;

Физико-химическая константа топлива m= 0,00017;

Спроектировать сопло с центральным телом.

Расчёт сменных сопловых вкладышей

Основные допущения используемые в расчетах:

Заряд находится в тепловом равновесии с окружающей средой;

Температурное поля заряда равномерно;

Сопло двигателя работает на расчётном режиме.

Определение параметров сменных вкладышей

Газовая постоянная продуктов сгорания (далее ПС):

 .

Постоянная топлива:

.

Единичная скорость горения топлива в пересчёте на минимальную температуру эксплуатации заряда ( = 223 К):

;

Комплекс приведённый к минимальной температуре эксплуатации:

 ;

Принимаем коэффициент сопла: ;

Коэффициент тепловых потерь: ;

Комплекс , зависящий от рода газа:

;

Площадь горения заряда:

 ;

Определяем минимальную и максимальную площадь критики при минимальной температуре, соответствующие максимальной и минимальной тяге:

 ;

 ;

Получим выражения Fкр=f(T), соответствующие максимальному и минимальному давлениям в камере сгорания:

Графики данных зависимостей представлены на рис 1:

Рис. 1 - Зависимость площади критического сечения от температуры окружающей среды

Принимаем за площадь критического сечения первого вкладыша Fвкл1=, данный вкладыш обеспечит заданное давление до температуры Т1:

Диаметр критического сечения первого вкладыша равен:

Принимаем величину температурного перекрытия вкладышей равную 5 К, тогда температура Т2, начала работы второго вкладыша будет равна:

Т2нач=Т1кон-5=263,315-5=258.315 K

Площадь критического сечения второго вкладыша определяется по формуле:

Второй вкладыш обеспечит заданное давление до температуры Т3:

Диаметр критического сечения второго вкладыша равен:

Температура начала работы третьего вкладыша равна:

Т3нач=Т2кон-5=298,634-5=293,634 К

Площадь критического сечения третьего вкладыша определяется по формуле:

Третий вкладыш обеспечит заданное давление до температуры Т5:

Диаметр критического сечения третьего вкладыша равен:

Определение давления в камере сгорания и тяги двигателя

Найдем зависимость изменения давления в камере сгорания двигателя при использовании сменных вкладышей от температуры окружающей среды. Для i-го вкладыша:

Рис. 2 - Расчет площадей критического сечения вкладышей

двигатель сечение сопловый вкладыш

Рис. 3 - Зависимость давления в камере сгорания от температуры окружающей среды

Изменения тяги в КС в зависимости от температуры окружающей среды при использовании сменных вкладышей:

Рис. 4 - Зависимость изменения тяги от температуры окружающей среды

Расчёт центрального тела

Для проведения предстартовой настройки РДТТ при использовании перемещающегося в сопле центрального тела определим зависимость между температурой окружающей среды и перемещением  центрального тела.

Определение площади критического сечения и тяги двигателя

Площадь критического сечения сопла зависит от температуры следующим образом (для номинального значения тяги P=30000 Н):

Изменение площади критического сечения при регулировании на постоянство тяги:

Рис. 5 - Изменение площади критики при регулировании на Р=const центральным телом

Изменение площади критического сечения при регулировании на постоянство тяги:

Рис. 6 - Изменение давления в КС при регулировании на Р=const центральным телом

Определение перемещений центрального тела

Для упрощения расчетов примем некоторые допущения:

Сверхзвуковая часть сопла - коническая, угол полураскрытия равен 15˚;

Область максимального сечения центрального тела и область минимального сечения обечайки имеют нулевую протяженность в осевом направлении.

Максимальный диаметр центрального тела по рекомендациям к выполнению курсового проекта:  ;

Диаметр критического сечения сопла с учётом центрального тела в положении для минимальной температуры эксплуатации ():

 ;

Значение радиуса обечайки:

Длину отрезка :

При перемещении центрального тела для образования критического сечения будут характерны два случая.

Первый случай:

Рис. 7

В данном случае критического сечение образуется вдоль отрезка DE, длина которого зависит от перемещения центрального тела, при этом, отрезок DE при перемещении центрального тела поворачивается вокруг точки D.

Изменение площади критического сечения сопла, как функция от перемещения центрального тела:

Второй случай:

Рис. 8

В данном случае критического сечение образуется вдоль отрезка DE, перпендикулярного образующей сопла.

Изменение длины отрезка , как функция от перемещения центрального тела :

Длина отрезка :

Изменение площади критического сечения сопла, как функция от перемещения центрального тела:

Граничное значение перемещения центрального тела:

Граничное значение температуры:

При  из уравнения:

,

Находим

Перемещение центрального тела от температуры:

Рис. 9 - Зависимость перемещения центрального тела от температуры окружающей среды

Значение основных параметров при регулировании с использованием центрального тела:

Конструкция центрального тела

Начальное положение центрального тела соответствует минимальной площади критического сечения, а значит и минимальной температуре эксплуатации 223К. Перемещение центрального тела происходит путём его вращения относительно вала с помощью специального ключа.

При перемещении вала вправо (см. приведённую схему) будет происходить увеличение площади критического сечения.

Величину перемещения центрального тела для данной температуры возможно контролировать одним из способов:

Заранее рассчитанный и нанесённый в виде спирали график перемещения тела от температуры;

Аналогично первому варианту, но дискретные значения перемещений в виде рисок на вале;

Оптико-механические системы измерения перемещений.

Фиксация центрального тела 4 производится с помощью специальной гайки 5. Особенностью конструкции является использование профилированной (соответствие основному участку центрального тела) крышки 6, закрывающей узел регулирования центрального тела 5. Фиксация центрального тела производится с помощью специального винта 7.

Конструкция центрального тела представлена на рисунке 10.

Рис. 10 - Конструкция центрального тела: 1 - неподвижный вал; 2 - крепление неподвижного вала; 3 - медная прокладка; 4 -сопло; 5 - центральное тело; 6 - профилированная крышка; 7 - винт

Список литературы

1.   Виницкий А.М. Ракетные двигатели на твердом топливе, М. Маш. 1973 г.

2.      Волков Е.Б., Сырцин Т.А., Мазинг Г.Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок ч.1 М.Маш. 1978 г.

.        Андреев Е.А. Конспект лекций по курсу «Динамика и регулирование РДТТ».

.        Ягодников Д.А. Конспект лекций по курсу «Расчет, проектирование и конструкция РДТТ».