Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные на проектирование и их анализ

К числу основных недостатков азотной кислоты (кроме химической нестабильности) следует отнести гигроскопичность, коррозионную активность, токсичность. Азотная кислота оставленная на открытом воздухе, энергично поглощает влагу из окружающей среды, что приводит к уменьшению ее концентрации, а, следовательно, теплоты сгорания и уменьшению ее плотности. Это в конечном итоге снижает эффективность всего топлива и ДЛА в целом.

Азотная кислота оказывает коррозионное (разрушительное) действие на конструкционные материалы. Все конструкционные материалы, кроме золота и платины, взаимодействуют с разбавленной азотной кислотой, причем химическая активность азотной кислоты по мере разбавления водой растет. В настоящее время для концентрированной азотной кислоты, максимальная концентрация которой колеблется в пределах от 95 до 99%, подобран ряд кислотостойких материалов - алюминий и его сплавы, хромистые стали. Однако, их применение в качестве конструкционных материалов возможно лишь с использованием ингибиторов коррозии (концентрированные серная и ортофосфорная кислоты). Неметаллическими материалами, хорошо работающими в среде азотной кислоты, являются фторопласт, хлорвинил, хлоркаучук. Перевозка азотной кислоты осуществляется в стальных емкостях, хранение в - алюминиевых.

Токсичность азотной кислоты высокая, ПДК 5•10-3 мг/л. Пары кислоты раздражающе действуют на дыхательные пути, вызывая отек легких, головную боль. Жидкая азотная кислота при ее попадании на кожу вызывает сильные ожоги.

Давление насыщающих паров азотной кислоты в условиях хранения и транспортировки может принимать достаточно высокие значения, что требует обязательного дренирования емкостей. Пары азотной кислоты гигроскопичны и легко конденсируются в зоне дренажных выводов, обладая большой коррозионной активностью. Поэтому дренажи нужно отводить в сторону от стенок баков. Азотная кислота не взрывоопасна и не пожароопасна.

АЗОТНЫЙ ТЕТРАКСИД N2O4.

Азотныйтетраксид представляет собой нестойкое соединение, диссоциирующее в широком диапазоне температур по уравнению:

N2O4 > 2NO2.

С ростом температуры диссоциация усиливается. Уже в твердом состоянии при температуре менее 233К - это смесь двуокиси и четырехокиси азота. При температуре 337К смесь состоит из 50% N2O4 и 50% NO2, а при температуре 423К диссоциация протекает полностью.

Химически чистый азотный тетраксид - бесцветная жидкость. Однако, из-за диссоциации при нормальных температурах цвет компонента светло-оранжевый, а при повышенных - бурый.Азотныйтетраксид обладает высокой летучестью. При нормальной температуре давление паров невысокое - около 0,2 МПа при 308К. Упругость паров четырехокиси азота равномерно повышается в интервале от 233 до 295К, т. е. до температуры ее кипения, при дальнейшем же повышении температуры упругость паров резко нарастает, Это объяснимо диссоциацией молекулы четырехокиси азота.

Токсичность чрезвычайно высока, ПДК около 2•10-3 мг/л. Воздействие на организм человека аналогичное азотной кислоте. Коррозионная активность существенно ниже, чем у азотной кислоты (примерно в 10 раз). С углеводородами (ароматическими, спиртами и т.п.) его растворение идет со значительным тепловыделением, которое может привести к самовоспламенению и даже взрыву. Это обстоятельство делает недопустимым применение углеводородных смазок в контакте с четырехокисью азота. В качестве смазки допускается применять смеси графита и жидкого стекла. Конструкционные материалы такие же, как и для азотной кислоты. Узкий температурный диапазон жидкого состояния азотного тетраксида (269К - 295К) требует в большинстве случаев при использовании данного окислителя применения термостатирования. Перевозка азотного тетраксида производится в стальных или алюминиевых баллонах, при нормальной температуре внутри и относительно невысоком давлении (2 кг/см2 при 308К).

ОКИСЛИТЕЛИ НА ОСНОВЕ HNO3 ИN2O4.

Рассматривая физико-химические и эксплуатационные характеристики HNO3 и N2O4, легко заметить, что оба компонента обладают как достоинствами, так и недостатками. Азотная кислота - очень дешевый продукт с широкой сырьевой базой, хорошими энергетическими характеристиками и высокой химической активностью. Важный недостаток - очень высокая коррозионная активность. Азотный тетраксид обладает значительно меньшей коррозионной активностью, высокими энергетическими характеристиками, но токсичность - выше, а температурный диапазон жидкофазного состояния - узок. Учитывая хорошую смешиваемость в любых концентрациях этих двух веществ, на практике широко распространены в качестве окислителей их композиции (смеси). Это позволяет с одной стороны снизить коррозионную активность и токсичность окислителя, а с другой - расширить температурный диапазон эксплуатации без применения термостатирования. Их смеси дают более высокие значения (примерно на 15%) теплопроизводительности и удельного импульса, чем чистая азотная кислота, Они существенно дешевле, чем чистый азотный тетраксид и они менее коррозионно активны, чем чистая концентрированная азотная кислота.

Широкое распространение получили окислители, состоящие из (20 - 27)% раствора N2O4 в HNO3, например АК-27 (цифра в обозначении показывает процентное содержание азотного тетраксида в окислителе). Температурный диапазон жидкофазного состояния таких окислителей позволяет использовать их без применения термостатирования, на открытых позициях. Добавка соответствующих ингибиторов дает возможность получить требуемые сроки хранения ракет в заправленном состоянии. Токсичность этих окислителей достаточно высока ПДК 5•10-3 мг/л. Пары раздражающе действуют на слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, проникая в организм, где образуются нитраты натрия, воздействующие на центральную нервную систему и органы кровообращения.

1.2 ТГ-02

В качестве горючего ЖРД применяется смесь 50% триэтиламина и 50% ксилидина (тонка -250). При нормальных условиях это жидкость желтого цвета. При длительном хранении приобретает бурый цвет. Имеет запах напоминающий аммиак. Токсичность тонки несколько выше, чем у исходных продуктов, ПДК 0,003 мг/л. Действует на кровь и центральную нервную систему. Смешение этих двух аминов позволило получить горючее с достаточно высокой плотностью, малой вязкостью, широким температурным диапазоном эксплуатации.

Коррозионная активность тонки невысока. Для сталей, сплавов алюминия ограничений нет. Не рекомендуется применять сплавы на основе меди. Из неметаллических материалов рекомендуется применение фторопласта, хлорвинила, паронита. Тонка-250 - компонент стойкий (при хранении в герметичных емкостях). Она достаточно пожароопасна. При нагревании на воздухе до температуры 820К самовоспламеняется. Применяется в основном с окислителями на основе азотной кислоты, образуя с ними самовоспламеняющееся топливо с широким температурным диапазоном эксплуатации.

1.3 Топливная пара

Топлива на основе азотной кислоты и азотного тетраксидаобладают меньшей теплотой сгорания и большей плотностью по сравнению с топливами на основе кислорода. Впервые предложены и апробированы В. П. Глушко в 1932 году. В настоящее время азотная кислота вследствие сравнительно низкой теплоты сгорания, термической нестабильности, высокой коррозионной активности и др. утратила значение как окислитель жидких топлив ДЛА в чистом виде. Наибольшее применение находят топлива на основе HNO3 с добавкой N2O4 либо N2O4 в чистом виде с использованием горючих: аминов, гидразина, НДМГ, их смесей и других, которые самовоспламеняются при контакте, как с азотной кислотой, так и азотным тетраксидом. Такого рода самовоспламеняющиеся топлива обладают хорошими пусковыми свойствами и устойчивым рабочим процессом. В зарубежных странах применение в качестве топлива нашла пара компонентов N2O4 и “Аэрозин-50”(представляющий собой смесь из 50% НДМГ и 50% гидразина). Такие топливные композиции используются в основном для первй и второй ступеней баллистических ракет и ракет носителей.

Важной характеристикой пары компонентов является вопрос об их воспламеняемости.

Топлива могут быть самовоспламеняющиеся (для организации устойчивого процесса горения не нужно внешнее воздействие, а достаточно обеспечить контакт двух компонентов в определенной пропорции) и несамовоспламеняющиеся (для организации процесса горения необходим внешний импульс). Самовоспламеняющиеся топлива могут применяться или как самостоятельное топливо, или как средство для воспламенения основного топлива.

2. Пневмогидравлическая схема

2.1 Выбор схемы питания РД и типа газогенератора

Выбор схемы подачи

Конструкция и параметры ЖРД и ДУ в целом в значительной степени зависят от типа схемы подачи.

При использовании вытеснительной подачи давление в топливных баках больше, чем в камере двигателя. Это обусловливает, с одной стороны, понижение давления рк, что снижает удельный импульс и приводит к большим размерам камеры, а с другой стороны, увеличение массы топливных баков (из-за большой толщины их стенок), что ограничивает область использования вытеснительной подачи двигательными установками с относительно небольшими значениями сумарного удельного импульса.

Для возможно большего снижения массы баков ДУ с вытеснительной подачей целесообразно применять компоненты топлива с повышенной плотностью и композиционные материалы с повышенной удельной прочностью для стенок бака.

В баках ДУ с насосной подачей давление обычно не превышает 0,2 ... 0,5 МПа, поэтому баки имеют относительно небольшую толщину стенки, а Давление в камере сгорания можно выбирать большим (20 МПа и более). Это позволяет существенно уменьшить размеры камеры и повысить удельный импульс двигателя. Поэтому ДУ с насосной подачей имеют значительно меньшую удельную массу, чем ДУ с вытеснительной подачей.

Но сложность схемы и конструкции ДУ с насосной подачей (в основном из-за наличия ТНА) вызывает большие затраты времени и средств, для достижения требуемой надежности. Соответственно возрастают стоимость разработки и изготовления ДУ с насосной подачей, а также риск неудачной разработки.

При проектировании конкретного ЛА наиболее эффективна та система подачи (насосная или вытеснительная), которая при заданном приросте скорости ЛА или при заданном значении IУ обеспечивает меньшую массу залитой ДУ.

Для ЖРД с насосной подачей оптимальное давление рк зависит от выбранной схемы двигателя. В ЖРД с дожиганием применяют высокие давления pk- до 20 ... 25 МПа и более, а для ЖРД без дожигания рk обычно не превышает 10 МПа.

Таким образом отбрасывая вытеснительную систему подачи рассмотрим подробнее насосную систему.

Схемы ЖРД с насосной подачей

Основные особенности схем. В схемах ЖРД с насосной подачей компоненты топлива подаются из баков в камеру центробежными насосами, приводимыми во вращение турбиной, которые вместе составляют ТНА. Привод турбины осуществляется рабочим телом - генераторным газом. В большинстве случаев генераторный газ вырабатывается в специальной камере - ЖГГ, входящем в состав двигателя.

Основной особенностью всех схем с турбонасосной подачей компонентов топлива является то, что топливные баки во время работы двигателя находятся лишь под небольшим избыточным давлением наддува, необходимым для обеспечения бескавитационной работы насосов и не зависящим от значения давления в камере сгорания. Благодаря этому массовые характеристики баков и систем наддува практически также не зависят от давления в камере.

Насосные схемы подачи с дожиганием генераторного газа

В двигателях с дожиганием генераторного газа в основной камере генераторный газ, пройдя через турбину ТНА., выбрасывается в окружающую среду, отличительной чертой применения схемы без дожигания, кроме сброса газов в окружающую среду является применения ЖГГ с избытком горючего, т.к продукты кокс образования уже не могут забить форсуночную головку КС.

Обоснование выбора генераторного газа для закрытой схемы

Для данного типа схемы используется восстановительный газогенератор (б<<1). Генераторный газ в этом случае обладает большими значениями газовой постоянной и температура газа перед турбиной высока (порядка 900… 1200 К). Следовательно, работоспособность газа (RT) будет велика. Такие ГГ работают в более благоприятных условиях (в восстановительной среде), чем окислительный ГГ (в окислительной среде). Отсюда более простые требования к выбору RT для ГГ.

2.2 Разработка ПГС ЖРДУ без дожигания генераторного газа

Двигатель с насосной подачей топлива включает в себя камеру, tha, ЖГГ, системы автоматики, наддува баков, зажигания, управления вектором тяги и раму двигателя. А в ДУ помимо перечисленного входят топливные баки с их оборудованием.

Основные задачи автоматики и ее состав

При проектировании ПГС двигателя большое внимание уделяется работке системы автоматики, в которой находят отражение основные агрегаты и элементы.

Наиболее многочисленными устройствами автоматики являются агрегаты управления - клапаны. Они устанавливаются на отдельных участках различных трубопроводов, по которым движется поток рабочих тел - жидких или газообразных. Их назначение - обеспечить либо полное герметичное разделение двух участков трубопроводов, либо частичное. В соответствии с этим клапаны имеют два или три положения: в первом случае -- двухпозиционный клапан с положениями "Закрыто" или "Открыто", во втором случае - трехпозиционный клапан с промежуточным положением "Частично открыто". топливо генераторный насосный двигатель

По типу привода клапаны могут быть пневматические, гидравлические, электромеханические и электромагнитные. Для одноразового срабатывания широко используются пироклапаны (с пироприводом). Клапаны подразделяются на отсечные (запорные), дренажные, предохранительные, заправочные, сливные и обратные. Отсечные клапаны служат для отсечки потока рабочего тела, движущегося по трубопроводу. Дренажные клапаны используются для выпуска наружу паров компонента или газов из отдельных участков трубопроводов, полостей или емкостей. Предохранительные клапаны автоматически открываются при превышении давления на участке трубопровода или в емкости выше установленного для выпуска из них наружу паров или газов. Сливные клапаны служат для слива компонентов из участков трубопроводов и емкостей.

Через заправочные клапаны происходит заправка емкостей жидкими и газообразными компонентами. Обратные клапаны пропускают поток жидкости или газа только в одном направлении.

В схемах многих двигателей однократного использования часто используются так называемые мембранные клапаны. Их особенность состоит в том, что в исходном положении участки трубопроводов разделены мембраной. В нужный момент, например при запуске, мембрана разрывается либо специальным устройством, либо под действием определенного давления на участке трубопровода..

Менее многочисленны, чем клапаны, агрегаты регулирования - дроссели и регуляторы. Назначение первых - плавное изменение местного гидравлического сопротивления на отдельных участках трубопроводов. Назначение вторых - поддержание или изменение по определенному закону или программе расходов компонентов или их давления на соответствующих участках трубопроводов.

Выбор регуляторов и дополнительных узлов

Пиромембранный клапан служит для разобщения полости насоса от полости подводящей магистрали при хранении.

ОтсечнойПироклапанпредназначен для прекращения подачи компонентов в газогенератор и основную камеру, а также на наддув баков при выключении изделия.

Регулятор расхода является исполнительным органом системы РКС и предназначен для изменения расхода горючего с целью изменения режима работы двигателя, для перевода режима его работы с предварительной ступени на главную и поддержания постоянного расхода, соответствующего режиму работы двигателя на предварительной и главной ступенях.

Дроссель является исполнительным органом системы СОБ и предназначен для изменения гидравлического сопротивления магистрали подвода горючего после насоса, дроссель устанавливается между выходным патрубком насоса горючего первой ступени и клапаном горючего.

Подкачивающий преднасос (бустер) создает дополнительный напор (0.3 МПа) на входе в насосы, что обеспечивает бескавитационную работу насосов при достаточно низком давлении в баках. Представляет собой конструкцию, состоящую из гидротурбины, приводящей во вращение небольшой насос.

Редуктор служит для понижения давления на выходе и поддержания его постоянным, не зависимо от давление на входе. Устанавливается перед баками компонентов в магистралях наддува. Также после шар балона с сжатым азотом.

Обратный клапан пропускает газ или жидкость только в одном направлении. Используется перед баками, при продувке.

Выбор системы наддува баков

Центробежные насосы ТНА для нормальной работы без кавитации требуют создания определенного давления на входе в насос.

Это давление определяется давлением насыщенных паров жидкости, зависящим от вида жидкости и ее температуры, и скоростным напором потока на входе в крыльчатку насоса. Этот напор зависит от параметров и особенностей конструкции насоса -- чем больше частота вращения, т.е. давление подачи, и меньше габаритные размеры насоса, тем выше будет скоростной напор на входе в колесо. Наоборот, тихоходный и крупногабаритный насос будет иметь меньший скоростной напор на входе.

Это давление создается специальной вытеснительной подачей, называемой системой наддува баков. Следовательно, при насосной подаче топлива ДУ имеет и вытеснительную подачу. Основное отличие системы наддува от вытеснительной подачи топлива -- небольшое давление в баках, которое редко превышает значениеРб< (0,2...0,5) МПа.

При проектировании системы наддува баков большое внимание уделяется снижению ее массы. Поэтому важное значение придается всем техническим путям усовершенствования системы наддува, направленным на снижение ее массы.

Для данной схемы применим два вида наддува:

Первый - в начальный момент времени, перед запуском ДУ, осуществляется с земли с помощью азота (нейтральный газ для данных компонентов), для создания избыточного давления в баках;

Второй вид наддува осуществляется уже непосредственно во время работы двигателя, с помощью отбора компонента из газогенератора в смеситель (окислительный газ после основного газогенератора + жидкий окислитель, для охлаждения) на наддув бака окислителя и отбор компонента до основного газогенератора, в газогенератор наддува (восстановительный газ) на наддув бака горючего. То есть наддув боков на основном режиме работы двигателя осуществляется путём генерации основных компонентов в смесителе и газогенераторе наддува. Такая система называется газогенераторной схемой наддува. Особенность таких газогенераторов наддува и смесителей - более низкие температуры газа, расходу и давления, по сравнению с ЖГГ привода турбины. Хотя нужно отметить, что давление всё таки получается достаточно большим (порядка 35 атм.) по сравнению с требуемым в баке (max 5 атм.), поэтому понижение давления осуществляется за счёт редуктора давления и рядом дроссельных шайб.

Газогенератор

Газогенератор предназначен для создания рабочего тела - газа, необходимого для привода турбины ТНА и наддува бака «Г» ракеты через смеситель.

Двухзонный газогенератор представляет собой неразъемную сварную конструкцию, состоящую из плоской форсуночной головки, пояса разбавления и наружной рубашки. Детали наружной рубашки образуют сферическую поверхность.

Соединение деталей и узлов газогенератора осуществлено путем сварки и пайки.

Газогенератор устроен так, что протекание процесса образования окислительного газа в газогенераторе обеспечивает в двух зонах. Около форсуночной головки происходит смешение и сгорание компонентов топлива с образованием газа повышенной температуры (первая зона). В зоне распылителей продукты сгорания, поступившие из первой зоны, разбавляются окислителем для снижения температуры их до требуемого уровня (вторая зона). С целью улучшения условий охлаждения стенок ГГ расходы через расположенные в периферийной зоне форсунки окислителя и форсунки горючего подобраны таким образом, чтобы температура пристеночного слоя была ниже, чем температура «ядра».

2.3 Элементы ПГС

Описание ПГС двигателя.

Камера двигателя.

Используются для охлаждения камеры сгорания пояса завесы, расположенные в её самых напряжённых участках.

Турбонасосный агрегат.

Турбонасосный агрегат является исполнительным элементом нагнетательной системы подачи топлива в камеру.

Используется консольная схема расположения насосов относительно турбины. При этом насос горючего находится ближе к турбине, так как для её раскрутки используется восстановительный генераторный газ. Оба насоса являются шнекоцентробежными с осевым подводом топлива. Турбина является осевой, одноступенчатой, парциальной.

Газогенератор.

Этот агрегат является источником генерирования газа для работы турбины. Охлаждение осуществляется теми же компонентами.

Стабилизаторы соотношения компонентов.

Стабилизаторы соотношения компонентов (10) и (13) обеспечивают постоянство соотношения компонентов в камеру и газогенератор. Причём установка стабилизатора зависит от расхода компонента, то есть его устанавливают на магистраль того компонента, расход которого существенно меньше.

Через определенное время работы двигателя 2-й ступени подается сигнал на останов двигателя, отработавшего свой ресурс.

При подаче сигнала на останов сначал двигатель переходит на пониженный режим, чтобы после выключения снизить импульс последействия, затем сигнал подается на отсечные пироклапаны 20 и 21, они закрываются и в газогенератор перестают поступать компоненты.

После закрытия пироклапанов на магистрали ГГ срабатывают отсечные пироклапаны 19 и 23 перекрывая магистрали камер сгорания.

После их срабатывания двигатель останавливается.

Заключение

В данном курсовом проекте былвыполнен комплекс расчетно-конструкторских работ по проектированию камеры однокамерного ракетного двигателя с заданными параметрами. Сначала была выбрана компоновка двигательной установки и разработка ПГС. И уже на базе этого был произведен энергетический расчет и найдены общие геометрические параметры камеры сгорания и соплового аппарата. Сверхзвуковая часть соплового аппарата рассчитана двумя методами: метод характеристик и приближенный метод парабол. Затем была выбрана схема расположения форсунок, их количество, типы и расходы через них. После произведены расчеты каждого типа форсунок и соотношение компонентов в ядре потока и в пристеночном слое. На основании предыдущих расчетов был проведен расчет системы охлаждения и гидравлических сопротивлений. По результатам расчетов выполнен сборочный чертеж камеры.

Список используемой литературы

1. «Основы проектирования ДЛА», часть 3, Потехин Е.С. и Филимонов Ю.Н. 1990

2. «Основы проектирования ДЛА», часть 4, Филимонов Ю.Н. и Шевчук В.Т. 1990

3. «Жидкостные ракетные двигатели» Добровольский М.В. 2005.

4. «Руководство по проектированию сопел» Справочник. Мельников и другие 1964.

5. «Пневмогидравлические Системы ЖРД РН» Андреев В.В. 1994.

6. «Расчёт газогенераторов», Березанская Е.Л.

7. «Топлива и рабочие тела в ЖРД», Штехер М.С. 1976

8. «Основы проектирования ДЛА», часть 1, Пинчук В.А. и Сиротко В.А. 1990

9. «Справочник термодинамических параметров топлив», Глушко, 7 томов

10. М/Упо « Условным обозначениям агрегатов ПГС» Темышев В.М.

11. Программа ПК MathCad14 Professional

12. Программа ПК Compas 10

Размещено на Allbest.ru