Стенд для исследования разложения теплозащитного покрытия

Так как нам не известна форма заряда, необходимо произвести расчет возможных форм заряда и сделать  выбор оптимального варианта заряда, удовлетворяющего исходным данным.

Исходные данные для  расчетов:

Ро = 8 МПа

mт = m*t = 40 кг

t = 20 с.

Торцевой заряд.

1.Связь времени работы  двигателя с геометрическими  размерами заряда.

е1 = Uт*t

Uт = U1*Po^ν = 0.01 м/с

е1 = L = 0,2 м

где е1 – толщина свода  горения заряда

       L – длинна заряда

2.                                                П = m = ρт*Uт*Sг

Sг = m/ ρт*Uт* = 0,1 м²

Sг = π*D²/4

D = (Sг*4/ π)^1/2 = 0.35

где Sг – площадь горения заряда

       D – диаметр заряда

3. Dк = D + 2*δбр + 2*∆; δбр = 0,05 мм; ∆ = 1 мм

    Dк = 0,46 м – диаметр камеры

Канальная цилиндрическая шашка.

1. е1 = D – d/4 = 0,2 м
2. Sг = π*( D + d)* L = 0,1 м²
3. U_* = Фu*Sг/Fпр = Фu*4L/d = U_г – условие безиррационного горения топлива
4. U_* = Фu*Sг/Fпр = Фu*π*D* L/ π/4 *( Dк² - D²)

Фu = ρт*Uт/Ро*R*То

D = 0.8036 м; d = 0,0036 м; L= 0,045 м; Dк = 0,805 м

Таким образом наиболее оптимальным по расчетам является торцевой заряд.

 

4.3. Расчет сопла.

Сопло конической формы  – это наиболее простая форма  сопла. Для таких сопел оптимальное  значение угла раструба αс из условия  минимума суммы потерь удельного  импульса из-за трения и рассеяния  составляет примерно 10ْ…15ْ. Входной угол равен 35ْ…40ْ.

Fкр = 0,0004 м² dкр = 0,02 м

Fa = 0.0036 м²     da = 0.067 м

 

4.4.Прочностной расчет модельного двигателя.

В качестве материала элементов конструкции двигателя выступает сталь Ст.3, для которой предел текучести [σт] = 0,4*10⁹ Па

δст = Ро* Dк*fp/2*[σт]

где fp = 5 – коэффициент запаса.

δст = 0,023 м.

 

4.5. Тепловой расчет двигателя.

Так как время работы двигателя 20 с, то стенка может не выдержать. Для тепловой защиты камеры сгорания и крышки используется теплозащитное  покрытие со следующими характеристиками :

ρ_п = 1050 кг/м³ – плотность покрытия;

Нэф = 6*10⁶ Дж/кг эффективная энтальпия теплозащитного покрытия;

Т_п = 2100 К – температура покрытия.

Так как скорость газового потока разная на всех участках камеры сгорания, то и q∑ меняется, а он в свою очередь зависит от характерного размера χ.

Рассмотрим конструкцию  двигателя и определим расчетные  точки.

Рис. 4.5

На участке 0 – 1 характер взаимодействия газа и стенки –  обтекание поверхности, т.к. L_к/D_к = 0,57 , т.е. 0,57< 15.

На участке 1 – 3 обтекание  конической поверхности L_к/D_к = 5,3  <15.

Участок  3 – 4 обтекание  поверхности L_к/D_к = 2  <15.

L_к – длина камеры;

D_к – диаметр камеры.

Характерный размер – это есть линия координата вдоль образующей поверхности, отсчитываемой от точи начала формирования пограничного слоя над данной поверхности до расчетной точки, учитывающий всю предысторию формирования пограничного слоя.

Характерный размер при  обтекания поверхности конкретной точке (А) будет определятся следующей  зависимостью:

R -  радиус кривизны;

m – зависит от режима течения (m = 0,5 – ламинарный режим; m = 0,2 – турбулентный режим).

1) Обтекание поверхности  при

 R = const, (ρu)_г = const

Проинтегрировав это  выражение получим:     χа = La

2) Обтекание конической  поверхности  

Ra ¹ const;      (ρu)_г ¹ const

χа = 4*Ra^0.75*(Ro^0.25 – Ra^0.25)/sinβ, при турбулентном режим;

χа = La – при ламинарном режиме.

sinβ – угол наклона.

Режим течения определяется сравнением расчетного числа Рейнольца  с критическим, при обтекание  поверхности - Re_кр = 10⁵.

Расчетное значение Re определяется так:

Re = (r*u)_г*c/m_г

Рассмотрим в качестве примера точку 3, для неё:

c₂ = 4*R₂^0.75*(R₁^0.25 – R₂^0.25)/sinβ = 0.073 м.

(r*U_г)₃ = m/F_прох3

m = П

(r*U_г)₃ = 4*m/p*D²_к3 = 2829 кг/м²с

 

Re₃ = (r*u)_г3*c₃/m_г = 9.027*10⁴

Для этой точки Re₃ > Re_кр , следовательно режим течения турбулентный.

На основания анализа  выбираем криториальное уравнение  для расчетов коэффициент конвективного  теплообмена.

a_к3 = (r*u)_г3*С_г*0,33* Re₃^-0,2*Pz^-0.6 ,

где Pr = m_г*С_г/l_г = 0,793

таким образом a_к3 = 8322 Вт/м²

Плотность конвективного  теплового потока:

qk₃ = αk₃*(То – Т_п) = 1.082*10⁷ Вт/м²

Лучистый тепловой поток  одинаков для всех точек и равен:

qл = ε*εст*σ*((То/100)⁴ – (Т_п/100)⁴) = 2,331*10⁶ Вт/м²

Суммарный тепловой поток  для точке 3:

q∑ = qk + qл = 1.315*10⁷ Вт/м²

Результаты расчета  по остальным точкам приведены в  таблице 1.

Точки	χ	(r*Uг)	Re	αk	qk	q∑	Up	δп
1	0,2	20.788	5.939*104	55.897	7.267*104	2.4*106	3,8*10-5	7.6*10-4
2	0.09	70.54	105	416.394	5.5*105	2.87*106	4.5*10-5	9*10-4
3	0.073	2829	2.938*106	83220	1.082*107	1.315*107	2*10-4	0.004

таб. 1

На основание расчетов теплового потока можно определить требуемую толщину ТЗП.

δ_п = Up*t_возд

где t_возд – время воздействия теплового потока q∑;

      Up – скорость разложения покрытия.

Up = q∑/ρ_п*Нэф

Результаты по Up и δ_п приведены в таблице 1.

Для всех участков выбираем одинаковую толщину покрытия в пределах каждого  участка и равную максимальному  значению δ_п. В камере сгорания и сопловой крышке δ_п берем равную 35 мм. , с точки зрения технологичности и простоты сборки, а так же для легкого вывода термопар. Толщина исследуваемого участка будет равна 44 мм. , для простоты сборки и закрепления и вывода термопар.

 

Камера сгорания представляет собой цилиндрическую камеру с двумя крышками, которые крепятся к ней с помощью резьбы. В обечайке предусмотрено отверстие под датчик давления. Линия воспламенения подводится через сопло. На передней крышке есть отверстия, которое необходимы для упрощения сборки.

Требуемая  длина резьбы определится из формулы :

[τ]_ср ≤ F_p/S_рез

где  F_p = Р_о*f_p/π*D_рез*H*k

S_рез = π*D²_кам /4

Таким образом получаем :

Н = Р_о*D_кам*f_p/4*k*[τ]_ср

k = 0,87 – коэффициент полноты резьбы;

[τ]cp = 0.75* – допускаемое напряжение на срезе для материала гайки;

σ_т = 0,4*10⁹ Па;

F_p – сила действующая на резьбу;

S_рез – площадь среза;

D_рез – диаметр резьбы внутренний;

D_кам – диаметр камеры;

D_кам ≈ D_рез

Расчет резьбы передней крышки с корпусом на прочность:

Н = 0,018 м

Расчет резьбового соединения сопла с сопловой крышкой:

Н = 0,0029 м

Диаметры болтов, удерживающие датчик давления определяются следующим  образом:

σ_т ≤ N_p*f_p/ F_б

N_p = Р_о*S_дер

F_б = π*d²_б/4

Получаем:

d_б = (Р_о*d²_дер*f_p/σ_т)^½

Для 4 болтов N_p/4:

d_б = 0,0063м;

для 3 : d_б = 0,0073м.

Из полученных расчетов для удержания датчика мы используем 3 болта.

На основе расчетов выбираем:

- длина резьбы соединения  камеры с крышками – 0,02м;

- длина резьбы соединения сопла с сопловой крышкой – 0,009м;

- число болтов, закрепляющих датчик термопар – 3шт, диаметром 8 мм.

 

6. Расчет массы воспламенителя.

Массу воспламенителя можно  определить с помощью следующей  зависимости:

m_в=q_восп*S_г/Q_в;

 

где q_восп = 3 *10⁵ Дж/м² – количество тепла необходимое для воспламенения единицы поверхности;

       S_г=0.15 м² – поверхность горения заряда;

       Q_в=3*10⁶ Дж/кг – тепловая способность ДРП.

Подставив в это соотношение  значения, получим массу воспламенителя равную m_в=0.09 кг.

 

 

4.7. Описание конструкции модельного двигателя.

 

Конструкция модельного двигателя включает в себя (рис. 4.7.1.) цилиндрическую камеру сгорания поз. 2 с теплозащитным покрытием поз. 3, соединенную с передней поз. 1 и задней поз. 4 крышками резьбой. Задняя крышка также с теплозащитным покрытием поз. 8 и поз. 11. Внутри камеры располагается торцевой заряд поз. 12 и воспламенительное устройство поз. 10. концы от воспламенителя выводят через сопло поз. 5. Сопло конического профиля вворачивается на резьбе в заднюю крышку. На камере сгорания предусмотрено резьбовое отверстие для датчика давления. В задней крышке имеется отверстие для датчика термопар поз. 14.

 

 

 

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Описание стенда.

 

Стенд представляет собой  стол поз. 2, на котором расположен модельный  двигатель поз. 1, соплом вверх. Двигатель  удерживается при помощи стойки поз. 3. Сама стойка крепится со столом двумя болтами поз. 6. На самом двигателе имеется датчик давления поз. 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Измерение давления. [9] [10]

 

Давление является основным параметром, отражающим характер процессов, протекающих в камере сгорания РДТТ, в агрегатах двигательной установки и в стендовых устройствах. Условия стендовых измерений отличаются большим разнообразием: по частотному спектру исследуемых параметров; по свойствам исследуемой среды; по воздействию вибраций на первичные преобразователи; по давления окружающей среды.

Этим и определяется большое разнообразие средств, используемых при измерении давления. Измерение  давления в настоящее время производится, в основном, электрическими методами. Общим для всех применяемы методов является то, что воздействие давление вызывает деформацию чувствительного элемента, которая преобразуется в электрический сигнал либо путем изменения параметров электрической цепи: омическое сопротивление, индуктивности, емкости, частоты переменного тока, либо путем генерирования энергии. В настоящее время широкое распространение получили методы, основанные на изменение омического сопротивления, частоты переменного тока, на использование прямого пьезоэлектрического эффекта. Другие методы находят ограниченное применение либо из-за сложности эксплуатации в условиях стенда, либо из-за большого влияния ряда дестабилизирующих факторов на результаты измерений.

 

Тензометрическая система измерения давления

 

Для измерения давления в камере сгорания наибольшее распространение  получила тензометрическая измерительная  система. Её основные преимущества: простота конструкции датчиков, достаточно малая инерционность. Двумя основными элементами в датчиках давления являются упругий элемент и проволочный тензометр.

 В качестве упругих  элементов, преобразующих давление  или силу в деформацию, применяются  мембрана, стержень, цилиндры, работающие либо на растяжение, либо на сжатие.

Конструкция проволочного тензометра изготавливается следующим образом. На полоску тонкой бумаги наклеивается тонкая проволока, уложенная зигзагообразно. К её концам подсоединяются выводы из медной фольги, служащие для включения преобразователя в измерительную цепь. Сверху проволока заклеивается бумагой. Изготовленная таким образом проволочная решетка наклеивается на упругий элемент датчика так, что проволока воспринимает его деформацию, при которой меняется её активное сопротивление. Это происходит не только из-за изменения длины и диаметра проволоки, но в основном из-за изменения удельного сопротивления материала. Таким образом, упругий элемент и наклеенный на него тензометр преобразуют давление или силу в электрическую величину – изменение активного сопротивления.

Относительное изменение сопротивления тензометра пропорционально относительной деформации:

 

Коэффициент пропорциональности , различный для разных материалов, называется коэффициентом тензочувствительности.

Материал тензометра должен обладать, возможно большей  чувствительности к деформации, высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом электрического сопротивления. Кроме того, проволока должно легко поддаваться пайке оловом и сварке, иметь  малую термо-ЭДС в паре с медью и олово и обладать достаточной эластичностью. Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяют две группы сплавов: медноникелевые и железоникельхромовые, а также нихром и платиноиридиевый сплав.

рис.6.1.

 

На рис 6.1. приведена конструкция наиболее простого по устройству тензометрического датчика типа ТДД. Упругим элементом датчик является глухой цилиндр 1, работающий под действием давления на растяжение. Давление поступает во внутреннюю полость этого цилиндр через штуцер 2, с помощью которого датчик подсоединяется к камере сгорания. На тонкостенной части цилиндра наклеен «рабочий» тензометр 3. второй тензометр 4 наклеен на сплошную, недеформирующуюся часть цилиндра. Тензометры включаются в смежные плечи моста Уитстона, два других плеча моста используются для его балансировки перед опытом. Под действием давления рабочий тензометр изменяет свое сопротивление, и на выходе моста появляются сигнал. Второй тензометр – компенсационный – изменяет своё сопротивление только при изменении температуры цилиндра. Так как оба тензометра включены в смежные плечи моста, то изменения сопротивления тензометров при изменении температуры не приводят к его разбалансу.