Термодинамический расчет и проектирование камеры жидкостного ракетного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева

Факультет двигателей летательных аппаратов

Кафедра Теории двигателей летательных аппаратов

Курсовая работа по учебной дисциплине

«Теория, расчет и проектирование ракетных двигателей»

Термодинамический расчет и проектирование камеры жидкостного ракетного двигателя

Выполнил студент группы 2308 Озеров В.С.

Самара 2012

Задание

на курсовую работу по учебной дисциплине «Теория, расчет и проектирование ракетных двигателей»

Выполнить термодинамический расчет и спроектировать камеру жидкостного ракетного двигателя для следующих исходных данных:

1. Топливо НДМГ и АТ.

2. Тяга P=210*4 кН.

3. Давление в камере сгорания =7,5 МПа.

4. Число запусков 1.

5. Время работы РД 160 с.

6. Номер ступени 1.

7. Массовое число ракеты =2,4.

8. Относительная расходонапряженность = .

9. Изменение тяги:

10. Изменение соотношения компонентов: ±8%.

Реферат

Ракетный двигатель, жидкостный ракетный двигатель, камера, сопло, топливо, горючее, окислитель, удельный импульс.

Проведен выбор системы подачи топлива, схемы двигателя, величины давления в выходном сечении сопла. Определены коэффициенты, характеризующие совершенство процессов в камере сгорания и сопле. Выполнен термодинамический расчет камеры. Определены параметры турбонасосной системы подачи топлива в двигателе без дожигания генераторного газа и характеристики генераторного газа. Произведено профилирование внутреннего контура камеры. Оценено влияние неадиабатности процесса горения топлива на удельный импульс тяги.

Содержание

Введение

1. Выбор системы подачи топлива, схемы и основных параметров двигателя

1.1 Выбор системы подачи топлива

1.2 Выбор схемы двигателя

1.3 Выбор давлений в камере сгорания и в выходном сечении сопла

1.4 Определение оптимального соотношения компонентов в камере

1.5 Выбор и определение потерь удельного импульса из-за несовершенства процессов в камере сгорания и сопле

2. Термодинамический расчет камеры

3. Определение параметров системы подачи топлива

3.1 Выбор и обоснование структурной схемы системы подачи топлива

3.2 Характеристики генераторного газа

3.3 Определение параметров турбонасосной системы подачи топлива в двигателе без дожигания генераторного газа

4. Профилирование внутреннего контура камеры

4.1 Определение объема камеры сгорания

4.2 Профилирование и определение объема докритической части сопла

4.3 Основные геометрические размеры камеры сгорания

4.4 Профилирование внутреннего контура сверхкритической части сопла

5. Определение подогрева компонента в тракте охлаждения камеры. влияние неадиабатического процесса

5.1 Подогрев компонента топлива в тракте охлаждения

5.2 Влияние неадиабатности процесса на удельный импульс тяги

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Проектирование ЖРД, являющегося сложной технической системой, представляет собой трудоемкий, иерархически многоуровневый и итерационный процесс, осуществляемый путем постоянных повторений и возвратов к предыдущим стадиям и этапам.

Разработка ЖРД проводится следующими этапами: техническое предложение (ТП), эскизное проектирование (ЭП), рабочее проектирование (РП).

Камера является одним из основных узлов ЖРД, основным его элементом, поэтому практическое овладение методикой её термодинамического расчета и проектирования относится к первоочередным задачам обучения и подготовки инженеров по специальности «Ракетные двигатели».

Итерационным путем проводится серия проектных термодинамических расчетов, в результате которых находятся термодинамические характеристики, идеальные и действительные параметры камеры и двигателя, геометрические размеры камеры и осуществляется профилирование её внутреннего контура. Расчеты производятся для реальных условий работы двигателя, то есть с учетом имеющихся потерь.

Результаты эскизного проектирования камеры используются в качестве исходных данных при рабочем проектировании ЖРД в целом, его отдельных систем, агрегатов и узлов. Рабочее проектирование может потребовать корректировки результатов эскизного проектирования. Тогда вносятся изменения в значения отдельных параметров и расчет уточняется.

Выбор системы подачи топлива, схемы и основных парметров двигателя

1.1 Выбор системы подачи топлива

В ЖРД применяются два вида систем подачи топлива - вытеснительная и насосная. При выполнении расчетов учитываем, что система подачи выбирается из условий получения минимальной массы двигательной установки при заданном давлении в камере сгорания.

Из рис. 1[1], где изображены области рационального использования различных систем подачи топлива в координатах тяга P - время работы двигателя ф, однозначно следует, что проектируемый ЖРД тягой 210 кН и временем работы 160 с должен иметь насосную систему подачи топлива. Давление в КС двигателя р_ос =7,5 МПа, а при давлении более 3,0 МПа может быть применена только насосная подача топлива. [1] Итак, выбираем для проектируемого ЖРД насосную систему подачи топлива.

1.2 Выбор схемы двигателя

ЖРД с насосной системой подачи выполняется по трём схемам: - без дожигания генераторного газа, с дожиганием генераторного газа и с испарением компонентов топлива в тракте охлаждения камеры.

Согласно рекомендациям в учебном пособии [1], для ЖРД без дожигания генераторного газа и восстановительным ГГ давление в камере сгорания не должно превышать 10…11 МПа. В проектируемом двигателе давление в КС равно 7,5 МПа.

1.3 Выбор давлений в камере сгорания и в выходном сечении сопла

1.3.1 Выбирается величина давления торможения на выходе из камеры сгорания, на входе в сопло р_ос

Давление в камере сгорания не выбирается, т.к. оно указано в задании на проектирование. р_ос =7,5 МПа.

1.3.2 Выбирается статическое давление в выходном сечении сопла р_а

Наибольшую тягу в конкретных условиях обеспечивает камера, сопло которой работает на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла равно атмосферному = . Поэтому давление в выходном сечении сопла должно быть близким к среднетраекторному значению атмосферного давления , траектория полета летательного аппарата не задана, поэтому воспользуемся рекомендациями, данными в учебном пособии [1].

В учебном пособии [1] для ориентировочных расчетов может быть рекомендован следующий уровень давления:

для двигателей первых ступеней ракет - 40...80 кПа;

для двигателей вторых ступеней ракет - 10...20 кПа;

для двигателей третьих ступеней ракет и КА - 5...10 кПа.

Так как двигатель работает на первой ступени, то принимаем

1.3.3 Степень расширения рабочего тела в сопле

1.4 Определение оптимального соотношения компонентов в камере

1.4.1 Формирование целевой функции

Коэффициент избытка окислителя в камере и непосредственно связанное с ним массовое действительное соотношение компонентов выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная эффективность летательного аппарата (ракеты). Критерием эффективности ракеты может служить идеальная скорость её полета в конце активного участка траектории, рассчитываемая по уравнению К.Э. Циолковского:

где - среднее значение идеального импульса на активном участке полета ракеты, =- массовое число ракеты, равное отношению её начальной и конечной массы.

В учебнике [5] показано, что максимуму соответствует максимум произведения , поэтому целевая функция

т.к. принято отыскивать при оптимизации минимум целевой функции.

Показатель степени C для двигателей первой ступени определяется

Массовое число ракеты не выбирается, т.к. оно указано в задании на проектирование= 2,4.

Определяется значение показателя степени целевой функции C.

Записывается в окончательном виде сформированная целевая функция.

.

1.4.2 Выбор типа внутреннего охлаждения камеры двигателя

Стенки камер ЖРД требуют защиты от перегрева, окисления, эрозии. Систему защитных мер называют охлаждением. В современных ЖРД, помимо обязательного наружного регенеративного охлаждения камеры одним из компонентов топлива, широко применяют внутреннее охлаждение. Оно реализуется путем создания у огневой стенки камеры низкотемпературного пристеночного слоя продуктов сгорания либо организацией у стенки жидкой или газовой завесы.

Для проектируемого ЖРД выбираем охлаждение камеры созданием пристеночного слоя низкотемпературных продуктов сгорания с помощью смесительной головки.

Данный способ был выбран ввиду простоты создания защитного пристеночного слоя периферийными форсунками смесительной головки без каких-либо усложнений конструкции камеры.

1.4.3 Определение оптимального коэффициента избытка окислителя в ядре потока при создании пристеночного слоя смесительной головкой

Выбирается предварительное значение оптимального коэффициента избытка окислителя в ядре потока , обеспечивающего максимальную величину идеального удельного импульса тяги в пустоте .

С помощью графиков зависимости размещенных в справочнике [2] перед таблицами для каждого ракетного топлива, определяется предварительное значение для топлива НДМГ и АТ при и = 100: .

С помощью таблиц справочника [2] выбирается 5 значений коэффициента избытка окислителя в ядре потока , больших и меньших, чем:

=,

=0,90,

=0,95,

=1,00,

=1,10.

Расчет идеального удельного импульса тяги в пустоте для принятых значений коэффициента избытка окислителя в ядре потока был проведен с помощью (СПК) TERRA.

1)

2)

3)

4)

5)

Обоснованно выбирается температура торможения продуктов сгорания в пристеночном слое на входе в сопло .

В [5] рекомендуется, чтобы температура находилась в интервале 2000…2500 К. Принимаем

Используя график зависимости и таблицы справочника [2], определяется значение коэффициента избытка окислителя в пристеночном слое , которое обеспечит выбранную температуру продуктов сгорания для заданного топлива и давления в КС . .

Аналогично ядру потока определяются плотность топлива и идеальный удельный импульс тяги в пустоте для пристеночного слоя при :

Выбирается относительный массовый расход продуктов сгорания через пристеночный слой.

Для проектных расчетов в первом приближении величина относительного массового расхода рабочего тела через пристеночный слой может быть определена с помощью эмпирической зависимости

Относительный массовый расход продуктов сгорания через ядро потока

Среднее по камере значение плотности топлива

Средний идеальный удельный импульс тяги камеры в пустоте

=,

=,

=,

=,

=,

Вычисляются величины произведения , для пяти принятых значений ,

Строится график зависимости рис. 1.

По построенному графику определяется оптимальный коэффициент избытка окислителя в ядре потока , соответствующий минимуму целевой функции или максимуму произведения =0,97.



Рисунок 1-Зависимость

При оптимальном коэффициенте избытка окислителя в ядре потока рассчитываются идеальный удельный импульс тяги в пустоте для ядре потока и средний для камеры . 3108,73,

=.

По справочнику [2] для заданного топлива определяют массовое стехиометрическое соотношение компонентов , соответствующее .

Массовое действительное соотношение компонентов в пристеночном слое

,

Массовое действительное соотношение компонентов топлива в ядре потока

Относительный массовый расход окислителя через пристеночные форсунки

Относительный массовый расход горючего через пристеночные форсунки

,

.

Относительный массовый расход окислителя через ядро потока или ядерные форсунки

,

Относительный массовый расход горючего через ядро потока



Относительный массовый расход окислителя через камеру сгорания

,

Относительный массовый расход горючего через камеру сгорания

Среднее по камере сгорания действительное массовое соотношение компонентов

Средний по камере сгорания коэффициент избытка окислителя

1.5 Выбор и определение потерь удельного импульса из-за несовершенства процессов в камере сгорания и сопле

Выбирается значение коэффициента камеры сгорания для проектируемого двигателя

Для камер сгорания современных ЖРД величина находится в пределах 0,96…0,99, а для камер большой тяги

Принимаем

С помощью (СПК) TERRA для известных значений в ядре потока определяется идеальная геометрическая степень расширения сопла

Аналогично ядру потока по известным значениям определяется для пристеночного слоя идеальная геометрическая степень расширения сопла

Средняя для камеры идеальная геометрическая степень расширения сопла

Относительный радиус выходного сечения сопла

.

Выбирается шесть значений степени укорочения сопла Z в интервале [0,5…1,0] .

Степень укорочения сопла

Принимаем:

Определяются потери на рассеяние при выбранных в предыдущем пункте значениях степени укорочения сопла:

где - относительный радиус,- коэффициент рассеяния, -эмпирический параметр. Эти параметр определяются с помощью выражений:

· относительный радиус

· коэффициент рассеяния

Из справочника ,

· Эмпирический параметр

Выбирается относительная температура стенки сопла Величина определяет в значительной степени интенсивность тепловых потоков в пристеночном слое от продуктов сгорания в стенку. Обычно для камер ЖРД

Принимаем =0,25.

При выбранных в разделе 1.5.7 степенях укорочения сопла определяются потери на трение с помощью эмпирического уравнения

где параметр, зависящий от фактора теплообмена.

Параметр рассчитывается по следующей эмпирической зависимости:

Диаметр критического сечения в первом приближении

где - расходный комплекс для ядра потока.

Принимаем

Определяются потери удельного импульса в сопле и химической неравновесности для ядра потока с помощью справочника [2] по значениям параметров

Аналогично ядру потока определяются потери из-за химической неравновесности в пристеночном слое с помощью справочника [2] по значениям параметров

Потери в сопле из-за химической неравновесности

Потери удельного импульса в сопле для выбранных в разделе 1.5 степеней укорочения сопла Z



Строится график зависимости )

Рисунок 2-Зависимость

По графику находится минимальная величина потерь удельного импульса тяги в пустоте в сопле . =0,037.

Определяется оптимальная степень укорочения сопла

=1,05

=0,0389,

=0,74.

Коэффициент сопла при оптимальной степени укорочения сопла

1-0,0389=0,961.

двигатель камера топливо термодинамический

2. Термодинамический расчет камеры

Используя программный комплекс TERRA по известным значениям находится идеальный расходный комплекс для ядра потока

Аналогично ядру потока по известным значениям определяется идеальный расходный комплекс для пристеночного слоя . .

Идеальный расходный комплекс камеры

Действительный расходный комплекс камеры

Определим относительную площадь камеры сгорания. Относительная расходонапряженность задана в проектном задании , поэтому относительная площадь камеры сгорания определится с помощью уравнения:



Коэффициент скорости на входе в сопло

По графику зависимости , представленному на рисунке 15[1], определяется предварительное значение по известному значению относительной площадки камеры .

Значение коэффициента скорости с требуемой точностью определяется с помощью газодинамического уравнения, записанного относительно в неявном виде,

где = 1,1385 - средний показатель изоэнтропы расширения в интервале от р_ос до для условий течения в ядре потока, определяется по таблице термодинамических и теплофизических свойств топлива справочника [2] для критического сечения.

Коэффициент восстановления давления торможения в камере сгорания



Коэффициент удельного импульса, учитывающий потери из-за неизобаричности камеры сгорания

,

где n-средний показатель изоэнтропы расширения от давления торможения на входе в сопло до статического давления на выходе из сопла . Он определяется по справочнику [2] для требуемого топлива при известных в ядре потока.

n = 1,135,

Действительная геометрическая степень расширения сопла

Удельная площадь критического сечения сопла

Удельная площадь выходного сечения сопла

Запишем для заданного топлива и известным значениям в ядре температуру торможения продуктов сгорания на входе в сопло вычисленную при использовании (СПК) TERRA:

Действительный удельный импульс тяги камеры в пустоте

где - коэффициент удельного импульса, учитывающий потери из-за неадиабатности процесса в камере.

Было получено значение .

Действительный удельный импульс тяги двигателя в пустоте

Принимаем =0,978

.



Средствами программы TERRA определим молярная масса рабочего тела на выходе из сопла

Аналогично ядру потока по известным значениям определяется молярная масса продуктов сгорания на выходе из сопла в пристеночном слое

Средняя молярная масса рабочего тела на выходе из сопла

Газовая постоянная рабочего тела в выходном сечении сопла

где=8314,4 - универсальная газовая постоянная.

Среднее значение скорости газа в выходном сечении сопла

Средняя температура продуктов сгорания в выходном сечении сопла



Массовый расход топлива через камеру

где - относительный массовый расход топлива через газогенератор или расход генераторного газа, тяга камеры.

-для двигателей без дожигания генераторного газа.

Массовый расход окислителя через камеру

Массовый расход горючего через камеру

73,83-52,84=20,988.

Массовый расход топлива через ядерные форсунки смесительной головки



Расход топлива через пристеночные форсунки смесительной головки

Массовый расход окислителя через ядерные форсунки

Массовый расход горючего через ядерные форсунки

62,71 - 46,71=16.

Массовый расход окислителя через пристеночные форсунки

Массовый расход горючего через пристеночные форсунки смесительной головки



11,12 -6,13=4,99.

Площадь критического сечения сопла

Площадь выходного сечения сопла

Площадь камеры сгорания в её цилиндрической части

Диаметр критического сечения сопла

Диаметр выходного сечения сопла

Диаметр цилиндрической части камеры сгорания

3. Определение параметров системы подачи топлива

3.1 Выбор и обоснование структурной схемы подачи топлива

В ЖРД без дожигания генераторного газа, работающих на топливе НДМГ и азотный тетраоксид, следует применять восстановительные газогенераторы. Это позволяет иметь более высокую температуру генераторного газа из-за его малой химической активности. Газовая постоянная восстановительного генераторного газа выше, чем окислительного, поэтому работоспособность восстановительного генераторного газа значительно выше, чем окислительного, а это дает возможность снизить его потребный расход на привод ТНА

Выбираем схему ЖРД без дожигания генераторного газа и восстановительным газогенератором.

Рисунок 3-Схема ЖРД без дожигания генераторного газа и восстановительным газогенератором.

3.2 Характеристики генераторного газа

Выбирается температура генераторного газа на номинальном режиме работы двигателя по учебному пособию [1].

Для ЖРД без дожигания генераторного газа в восстановительных газогенераторах Принимаем .

Для принятого значения по соответствующим зависимостям для заданного топлива определяются требуемые характеристики генераторного газа , , (рисунок 20[1])

Действительное массовое соотношение компонентов топлива в газогенераторе 0,25.

Коэффициент избытка окислителя в газогенераторе

Газовая постоянная

Показатель изоэнтропы расширения

3.3 Определение параметров турбонасосной системы подачи топлива в двигателе без дожигания генераторного газа

Выбираются падения и перепады давления в различных элементах и агрегатах системы подачи топлива .

Перепад давления в тракте охлаждения камеры

где - эмпирический коэффициент гидравлических потерь тракта охлаждения камеры .

Т.к. , принимаем

Перепад давления на форсунках окислителя и горючего камеры сгорания и газогенератора:

Перепад давления на регуляторе тяги:

,

Принимаем :

Перепад давления на регуляторе соотношения компонентов:

Принимаем:

Падение давления в подводящих магистралях из-за гидро-сопротивления трубопроводов и агрегатов:



где падение давления в трубопроводе; перепад давления на отсечном клапане; перепад давления на настроечной дроссельной диафрагме.

Следуя рекомендациям, принимаем:

Давление в КС газогенератора

Принимаем:

Давление на выходе из турбины ТНА

При реактивном выхлопе, т.е. наличии утилизационных или верньерных сопел

При открытом выхлопе через отводящий патрубок

Принимаем

Давление на входе в основные насосы окислителя и горючего

.

Принимаем:

Давление на выходе из насоса окислителя

По магистрали камеры двигателя:

По магистрали газогенератора:

Принимаем:

Давление на выходе из насоса горючего

По магистрали камеры:

По магистрали газогенератора:



Принимаем:

Повышение давления в насосах окислителя и горючего:

Выбираются коэффициенты полезного действия насосов компонентов топлива:

Принимаем:

Выбираются коэффициенты полезного действия турбины ТНА:

Принимаем:

Первый вариант

Задаются несколькими значениями (не менее пяти) относительного расхода генераторного газа в турбине в интервале от 0,01 до 0,05.

Выбираем интервал: 0,01…0,05

Определяется массовый расход генераторного газа в выбранных точках

Массовые расходы окислителя и горючего через газогенератор в выбранных точках

Массовые расходы окислителя и горючего через соответствующие насосы в выбранных точках

Потребные мощности насосов окислителя и горючего и суммарная мощность насосов в выбранных точках:

где плотности окислителя и горючего, которые берутся из [2].

Давление на входе в турбину

Вычисляется мощность турбины в выбранных точках относительно расхода генераторного газа и результаты заносятся в таблицу.

Таблица 2.

0,01	1,9187	2,8341	4,7528	2,1758
0,02	1,9242	2,914	4,8382	4,3959
0,03	1,9298	2,9956	4,9254	6,6619
0,04	1,9356	3,0789	5,0145	8,9751
0,05	1,9414	3,1639	5,1053	11,3369

Строятся графики зависимостей суммарной мощности насосов и мощности турбины от относительного расхода генераторного газа

По графикам зависимостей находится расчетное значение относительного расхода генераторного газа , которое обеспечивает выполнение необходимого условия работы .



Рисунок 4-Зависимость

Расчетное получается при пересечении графиков зависимостей и .

Принимаем

Для найденного находятся расчетные массовые расходы генераторного газа , окислителя и горючего через газогенератор.

Определяются расчетные массовые расходы окислителя и горючего через соответствующие насосы .

Расчетные значения мощностей насосов окислителя , горючего , суммарной мощности насосов .

Расчетная мощность турбины .

Проверяется выполнение обязательного условия работы ТНА .

Различие в мощностях допускается не более 0,1%.

Расходный комплекс газогенератора.

Эффективный коэффициент полезного действия турбины.

Расходный комплекс утилизационного сопла.

Пройдя турбину, генераторный газ срабатывает в ней часть теплоперепада, т.е. уменьшает свою энергию, поэтому расходный комплекс утилизационного сопла по сравнению с расходным комплексом газогенератора уменьшается в соответствии с эффективным коэффициентом полезного действия турбины :

Тяговый комплекс утилизационного сопла.

В первом приближении можно принять

Удельный импульс тяги утилизационного сопла.

Коэффициент подачи.



Баковое соотношение компонентов или соотношение компонентов по двигательной установке.

Второй вариант

Удельные работы насосов окислителя и горючего:

Давление на входе в турбину

Выбираются коэффициенты полезного действия турбины

Удельная работа турбины

Относительный массовый расход генераторного газа

Его можно получить аналитически, решив уравнение, которое описывает условие равенства суммарной мощности насосов компонентов топлива и турбины ТНА.

Определяется массовый расход генераторного газа

Массовые расходы окислителя и горючего через газогенератор



Массовые расходы окислителя и горючего через соответствующие насосы

Потребные мощности насосов окислителя и горючего

Суммарная потребная мощность насосов ТНА



Мощность турбины ТНА

Проверяется выполнение обязательного условия работы ТНА двигателя .

Различие в мощностях допускается не более 0,1%.

Расходный комплекс газогенератора.

Эффективный коэффициент полезного действия турбины.

Расходный комплекс утилизационного сопла.

Пройдя турбину, генераторный газ срабатывает в ней часть теплоперепада, т.е. уменьшает свою энергию, поэтому расходный комплекс утилизационного сопла по сравнению с расходным комплексом газогенератора уменьшается в соответствии с эффективным коэффициентом полезного действия турбины :

Тяговый комплекс утилизационного сопла.

В первом приближении можно принять

Удельный импульс тяги утилизационного сопла

Коэффициент подачи

Баковое соотношение компонентов или соотношение компонентов по двигательной установке.

4. Профилирование внутреннего контура камеры

4.1 Определение объема камеры сгорания

Выбирается среднее время пребывания продуктов в камере сгорания

Среднее время пребывания в камере сгорания зависит от природы топлива и качества смесеобразования. Его величина определяется экспериментально и находится для современных жидких ракетных топлив в пределах

Принимаем

Плотность продуктов сгорания на выходе из камеры на входе в сопло, определенная по ядру потока

где - газовая постоянная продуктов сгорания (по ядру потока) находится с помощью выражения:

здесь берется из справочника [2], тогда:

Таким образом, плотность продуктов сгорания:

Объем камеры сгорания

4.2 Профилирование и определение объема докритической части сопла

Выбирается угол наклона к оси сопла конического участка сужающейся докритической части в.

На основании многочисленных расчетных и экспериментальных исследований [1] можно принять в=60…90°.

Принимаем в=80°.

Выбирается радиус окружности, сопрягающей образующие цилиндрической камеры сгорания и конического участка сопла

Вход в сопло необходимо очерчивать плавно, поэтому рекомендуется в [5] принимать

Принимаем

Выбирается радиус окружности, формирующей профиль сопла от конического участка до минимального сечения , т.е. в трансзвуковой области.

На основе статистических данных [5] рекомендуется принимать

где

Принимаем

Объем сужающейся докритической части сопла

4.3 Основные геометрические размеры камеры сгорания

Объем цилиндрической части камеры сгорания

Длина цилиндрической части камеры сгорания

где площадь цилиндрической части камеры сгорания.

4.4 Профилирование внутреннего контура сверхкритической части сопла

Определяется относительный радиус выходного сечения сопла

где относительная площадь среза сопла или геометрическая степень расширения сопла.

Относительная длина сверхкритической части сопла

Она может быть определена с помощью эмпирической зависимости [1]:

где коэффициенты относительной длины, состава рабочего тела и степени расширения соответственно.

Эти коэффициенты определяются с помощью эмпирических зависимостей.

Коэффициент относительной длины

где n- средний показатель изоэнтропы расширения продуктов сгорания в сопле от до по параметрам ядра потока.

Коэффициент состава рабочего тела

Коэффициент степени расширения



Длина сверхкритической части сопла

Определяется радиус окружности , описывающий своей дугой образующую контура на входе в закритическую часть сопла :

=0,45

Определяются углы между осью сопла и касательными к образующей контура сопла в точках и C соответственно .

С помощью графиков зависимостей, представленных на рисунке 29 [1] по известным значениям и определяем значения углов .

5. Определение подогрева компонента в тракте охлаждения камеры. влияние неадиабатности процесса

5.1 Подогрев компонента топлива в тракте охлаждения

Количество тепла, отводимого от одного килограмма продуктов сгорания на цилиндрическом участке камеры, т.е. на участке камеры сгорания

где относительная длина камеры сгорания; плотность теплового потока в области критического сечения сопла.

Из рисунка 30 [1] определяем

Количество тепла, отводимого от одного килограмма продуктов сгорания на участке сопла

где соответственно эффективные углы наклона докритической и сверхкритической части сопла.



Подогрев компонента в проточной части тракта охлаждения камеры при отсутствии фазового перехода жидкости

где средняя теплоемкость жидкого компонента в рассматриваемом диапазоне температур; ш- относительная масса протекающего через тракт охлаждения камеры компонента, т.е.приходящегося на один килограмм продуктов сгорания.

Значение берется из [4]:

В случае охлаждения камеры всем расходом горючего, подаваемого в камеру:

Температура компонента на выходе из тракта охлаждения камеры или на входе в форсунки смесительной головки

где начальная температура компонента на входе в тракт охлаждения камеры.

20+=232,3 К.

Определяется наличие фазового перехода у компонента топлива в тракте охлаждения камеры.

Т.к. , то охлаждающий компонент в тракте охлаждения камеры не закипел и фазовый переход отсутствует.

5.2 Влияние неадиабатности процесса на удельный импульс тяги

Отвод тепла от рабочего тела на участке камеры сгорания при наружном регенеративном охлаждении практически не влияет на удельный импульс тяги камеры. В то же время отвод тепла на участке сопла приводит к потерям удельного импульса тяги из-за неадиабатности. Эти потери могут быть определены следующим образом:

где изменение на выходе из сопла, обусловленное отводом тепла.

Изменение энтальпии определяется по выражению:



По найденному значению потерь удельного импульса тяги из-за неадиабатности находим коэффициент удельного импульса тяги, учитывающий потери из-за неадиабатности

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчет жидкостного ракетного двигателя второй ступени ракеты. Определены его основные характеристики: удельный импульс тяги действительное значение расходного комплекса в камере сгорания в =1631 коэффициент избытка окислителя в ядре потока=0,97 и в пристеночном слое .

Выбрана система подачи топлива - насосная без дожигания генераторного газа. Определены коэффициенты, характеризующие степень совершенства процессов в камере сгорания и сопле.

Список использованной литературы

1. Егорычев, В.С. Термодинамический расчет и проектирование камер ЖРД: учеб. пособие/ В.С. Егорычев, В.С. Кондрусев.- Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009.-107 с.:ил.

2. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник в 10т./под ред. акад. В.П.Глушко.- М.:Винити АН СССР, 1971-1979.

3. Егорычев, В.С. Топлива химических ракетных двигателей: учеб. пособие/ В.С. Егорычев, В.С. Кондрусев.- Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007.-72 с.:ил.

4. Штехер, М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей / М.С. Штехер,-М.:Машиностроение,1976.-301с.

5. Алемасов, ,В.Е. Теория ракетных двигателей:учеб. для студентов втузов/ В.Е. Алемасов, А.П. Тишин; под ред. В.П. Глушко.- М.: Машиностроение, 1989.-464 с.:ил.

Приложения

б_ок=0,4

Исходный состав: ( C2H8N2 [ 823.6 , 2.72 ] - 1.0000) +

( N2O4 [ -212.5 , 1.548 ] - 1.2248)

Состав, моль/кг: C 14.958 H 59.832 N 26.924 O 23.933

1-й параметр: p(кам) =7.5

2-й параметр: I(кам) =253.205

расширение: p(кам) / p(a) =100

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=7.5 МПа (камера, СИ):

p=7.5 T=2322.03 v=0.150206 S=12.4817 I=253.205

U=-728.696 M=58.3514 Cp=2.26781 k=1.27215 Cp'=2.33571

k'=1.26535 Ap=0.0004329 Bv=0.0004328 Gt=0.133462e-6 MMg=17.1375

Rg=485.155 Cpg=2.26781 kg=1.27215 Cp'g=2.33571 k'g=1.26535

Mu=0.0000667 Lt=0.315348 Lt'=0.329097 Pr=0.479314 Pr'=0.473041

A=1193.72 z=0 n= - w=0 Mach=0

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.6475e-7 O2 = 0.9902e-8 H = 0.7663e-3 H2 = 0.37391

OH = 0.4663e-4 HO2 = 0.1119e-9 H2O = 0.13819 H2O2 = 0.5638e-9

N = 0.2747e-8 N2 = 0.23064 N3 = 0.7441e-13 NO = 0.1930e-5

NO2 = 0.3990e-11 N2O = 0.5042e-9 NH = 0.7754e-7 NH2 = 0.8168e-6

NH3 = 0.1054e-3 N2H2 = 0.1139e-9 N2H4 = 0.1026e-11 HN3 = 0.1053e-11

HNO = 0.3898e-8 HNO2 = 0.1313e-10 NH3O = 0.6043e-11 C = 0.3066e-12

CO = 0.2407 CO2 = 0.0156 C2O = 0.2804e-10 C3O2 = 0.5978e-11

CH = 0.3101e-11 CH2 = 0.4877e-9 CH3 = 0.1639e-6 CH4 = 0.4298e-5

C2H = 0.1966e-11 C2H2 = 0.7076e-8 C2H3 = 0.2459e-10 C2H4 = 0.2772e-9

C2H5 = 0.5356e-12 C2H6 = 0.1237e-11 C3H = 0.3453e-13 CHO = 0.2607e-5

CHO2 = 0.1604e-6 CH2O = 0.2767e-5 CH2O2 = 0.8795e-6 CH3O = 0.2804e-

10CH4O = 0.7978e-13 C2H4O2 = 0.1069e-11 CN = 0.2244e-8 CN2 = 0.4174e-10

C2N = 0.3661e-13 C2N2 = 0.2109e-10 NCO = 0.3372e-9 HCN = 0.2913e-4

HNC =0.9158e-8 C2HN= 0.2594e-12 C3HN = 0.3214e-11 N2C = 0.6015e-8

e- = 0.9930e-11 H- = 0.7148e-13 OH- = 0.4598e-12 H3O+ = 0.8674e-11

NH4+ = 0.2508e-11 CHO+ = 0.1747e-12 CN- = 0.8955e-12

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=4.1268 МПа (кр.сечение, СИ):

p=4.12681 T=2045.69 v=0.240431 S=12.4817 I=-378.997

U=-1226.6 M=58.3359 Cp=2.22242 k=1.27917 Cp'=2.25933

k'=1.27456 Ap=0.0004898 Bv=0.0004897 Gt=0.242420e-6 MMg=17.1421

Rg=485.026 Cpg=2.22242 kg=1.27917 Cp'g=2.25933 k'g=1.27456

Mu=0.0000613 Lt=0.283631 Lt'=0.283631 Pr=0.480044 Pr'=0.488017

A=1124.46 z=0 n=1.26991 w=1124.46 Mach=1

Frel=1 F'=0.0002138 Isp=2006.85 B=1603.65

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.3303e-8 O2 = 0.5073e-9 H = 0.2110e-3 H2 = 0.37671

OH = 0.8187e-5 HO2 = 0.4104e-11 H2O = 0.13585 H2O2 = 0.4282e-10

N = 0.1284e-9 N2 = 0.23072 NO = 0.2304e-6 NO2 = 0.1176e-12

N2O = 0.4508e-10 NH = 0.7260e-8 NH2 = 0.1669e-6 NH3 = 0.8613e-4

N2H2 = 0.1399e-10 N2H4 = 0.1651e-12 HN3 = 0.7189e-13 HNO = 0.3203e-

HNO2 = 0.6253e-12 NH3O = 0.5128e-12 CO = 0.23838 CO2 = 0.01801

C2O = 0.2257e-11 C3O2 = 0.1809e-11 CH = 0.9352e-13 CH2 = 0.4914e-10

CH3 = 0.6808e-7 CH4 = 0.6130e-5 C2H = 0.1292e-12 C2H3 = 0.6681e-11 C2H4 = 0.2373e-9 C2H5 = 0.2426e-12

CHO = 0.6688e-6 CHO2 = 0.3970e-7 CH2O = 0.1537e- CH3O = 0.4963e-11 C2H4O2 = 0.7117e-12 CN = 0.2044e-9 C2N2 = 0.4648e-11 NCO = 0.3089e-10 HCN = 0.1678e-4 C2HN = 0.2021e-13 C3HN = 0.1095e-11 N2C = 0.9619e-9 H3O+ = 0.4026e-12 NH4+ = 0.2798e-12 CN- = 0.5107e-13

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=0.075 МПа (вых.сечение, СИ):

p=0.075 T=934.056 v=5.84861 S=12.4817 I=-3035.87

U=-3334.5 M=56.4823 Cp=1.95467 k=1.31623 Cp'=7.08728

k'=1.19692 Ap=0.0017889 Bv=0.0017137 Gt=0.000015 MMg=17.7047

Rg=469.614 Cpg=1.95467 kg=1.31623 Cp'g=7.08728 k'g=1.19692

Mu=0.0000361 Lt=0.150399 Lt'=0.686836 Pr=0.46919 Pr'=0.372517

A=709.194 z=0 n=1.25757 w=2564.79 Mach=3.61649

Frel=10.6648 F'=0.0022803 Isp=2735.82 B=-

Равновесные концентрации (мол.доли):

H = 0.2519e-9 H2 = 0.40045 OH = 0.7761e-13 0.09633

N2 = 0.2383 NH2 = 0.5759e-13 NH3 = 0.8666e-4 CO2 = 0.07893 CH3 = 0.1809e-9 CH4 = 0. C2H4 = 0.2322e-7 C2H5 = 0.1084e-12 C2H6 = 0.6411e-7

CHO = 0.1852e-11 CHO2 = 0.9592e-13 CH2O = 0.3032e-

C2H4O2 = 0.7635e-11 C3H6O = 0.1897e-13 HCN = 0.5071e-6

б_ок=0,85

Исходный состав: ( C2H8N2 [ 823.6 , 2.72 ] - 1.0000) +

( N2O4 [ -212.5 , 1.548 ] - 2.6027)

Состав, моль/кг: C 9.237 H 36.949 N 24.940 O 31.406

1-й параметр: p(кам) =7.5

2-й параметр: I(кам) =75.090

расширение: p(кам) / p(a) =100

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=0.075 МПа (вых.сечение, СИ):

p=0.075 T=1877.38 v=8.36391 S=10.9999 I=-4112.18

U=-4639.85 M=40.1874 Cp=1.81816 k=1.22515 Cp'=1.87025

k'=1.21866 Ap=0.0005339 Bv=0.0005339 Gt=0.0000133 Mg=24.8834

Rg=334.133 Cpg=1.81816 kg=1.22515 Cp'g=1.87025 k'g=1.21866

Mu=0.0000598 Lt=0.170462 Lt'=0.170462 Pr=0.638092 Pr'=0.656373

A=874.303 z=0 n=1.16611 w=2893.88 Mach=3.30993

Frel=12.5493 F'=0.0028902 Isp=3110.64 B= -

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.2568e-6 O2 = 0.8205e-6 H = 0.1811e-3 H2 = 0.05502

OH = 0.1035e-3 HO2 = 0.3326e-9 H2O = 0.40454 H2O2 = 0.3871e-9

N = 0.8804e-10 N2 = 0.3103 NO = 0.6635e-5 NO2 = 0.2463e-10

N2O = 0.2060e-9 NH = 0.5391e-9 NH2 = 0.1437e-8 NH3 = 0.1358e-6

HNO = 0.4517e-9 HNO2 = 0.1214e-10 CO = 0.08286 CO2 = 0.14699

CH3 = 0.1583e-12CH4 = 0.2353e-11 CHO = 0.5420e-8 CHO2 = 0.6543e-8

HCN = 0.2364e-8 HNC = 0.9326e-13 N2C = 0.1577e-12 e- = 0.1382e-12

б_ок=0,9

Исходный состав: ( C2H8N2 [ 823.6 , 2.72 ] - 1.0000) +

( N2O4 [ -212.5 , 1.548 ] - 2.7558)

Состав, моль/кг: C 8.861 H 35.442 N 24.810 O 31.898

1-й параметр: p(кам) =7.5

2-й параметр: I(кам) =63.367

расширение: p(кам) / p(a) =100

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=0.075 МПа (вых.сечение, СИ):

p=0.075 T=1997.33 v=8.63608 S=10.8701 I=-4120.14

U=-4671.16 M=39.0032 Cp=1.8175 k=1.21717 Cp'=1.90912

k'=1.20787 Ap=0.0005043 Bv=0.0005041 Gt=0.0000133 MMg=25.639

Rg=324.286 Cpg=1.8175 kg=1.21717 Cp'g=1.90912 k'g=1.20787

Mu=0.0000626 Lt=0.174383 Lt'=0.176152 Pr=0.652251 Pr'=0.678249

A=884.406 z=0 n=1.15193 w=2892.58 Mach=3.27065

Frel=13.0575 F'=0.0029856 Isp=3116.5 B= -

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.3219e-5 O2 = 0.1810e-4 H = 0.3308e-3 H2 = 0.03211

OH = 0.4285e-3 HO2 = 0.5723e-8 H2O = 0.42187 H2O2 = 0.2895e-8

N = 0.5647e-9 N2 = 0.31802 NO = 0.4487e-4 NO2 = 0.6312e-9

N2O = 0.1394e-8 NH = 0.1536e-8 NH2 = 0.1730e-8 NH3 = 0.4949e-7

HNO = 0.2420e-8 HNO2 = 0.1548e-9 CO = 0.0589 CO2 = 0.16828

CH3 = 0.2812e-13 CH4 = 0.1364e-12 CHO = 0.5249e-8 CHO2 = 0.1134e-7

CH2O = 0.5904e-9 CH2O2 = 0.7081e-8 CN = 0.1427e-12

HCN = 0.7135e-9 HNC = 0.5401e-13 N2C = 0.1269e-12 e- = 0.6918e-12

б_ок=0,95

Исходный состав: ( C2H8N2 [ 823.6 , 2.72 ] - 1.0000) +

( N2O4 [ -212.5 , 1.548 ] - 2.9089)

Состав, моль/кг: C 8.514 H 34.054 N 24.689 O 32.352

1-й параметр: p(кам) =7.5

2-й параметр: I(кам) =52.562

расширение: p(кам) / p(a) =100

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=0.075 МПа (вых.сечение, СИ):

p=0.075 T=2113 v=8.88902 S=10.7476 I=-4101.69

U=-4674.28 M=37.9523 Cp=1.81634 k=1.21026 Cp'=2.17798

k'=1.18247 Ap=0.0004898 Bv=0.0004893 Gt=0.0000134 Mg=26.3489

Rg=315.549 Cpg=1.81634 kg=1.21026 Cp'g=2.17798 k'g=1.18247

Mu=0.0000652 Lt=0.178545 Lt'=0.231076 Pr=0.663286 Pr'=0.61454

A=887.391 z=0 n=1.13876 w=2882.45 Mach=3.24822

Frel=13.5971 F'=0.0030838 Isp=3113.73 B= -

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.3869e-4 O2 = 0.4875e-3 H = 0.4697e-3 H2 = 0.01452

OH = 0.00169 HO2 = 0.1055e-6 H2O = 0.43304 H2O2 = 0.2217e-7

N = 0.2771e-8 N2 = 0.32511 NO = 0.3180e-3 NO2 = 0.1934e-7

N2O = 0.9921e-8 NH = 0.3186e-8 NH2 = 0.1455e-8 NH3 = 0.1269e-7

HNO = 0.1193e-7 HNO2 = 0.2214e-8 CO = 0.03228 CO2 = 0.19204

CHO = 0.3176e-8 CHO2 = 0.1562e-7 CH2O = 0.1453e-9 CH2O2 = 0.3854e-8

CN = 0.9408e-13 NCO = 0.1165e-11 HCN = 0.1155e-9 N2C = 0.5624e-13

OH- = 0.1341e-12 H3O+ = 0.2322e-11 NO+ = 0.3620e-12

б_ок=0,97

Исходный состав: ( C2H8N2 [ 823.6 , 2.72 ] - 1.0000) +

( N2O4 [ -212.5 , 1.548 ] - 2.9701)

Состав, моль/кг: C 8.382 H 33.529 N 24.644 O 32.523

1-й параметр: p(кам) =7.5

2-й параметр: I(кам) =48.476

расширение: p(кам) / p(a) =100

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=0.075 МПа (вых.сечение, СИ):

p=0.075 T=2145.35 v=8.9447 S=10.7006 I=-4085.55

U=-4663.18 M=37.6097 Cp=1.81363 k=1.20834 Cp'=2.51645

k'=1.16412 Ap=0.0004991 Bv=0.000498 Gt=0.0000135 MMg=26.5889

Rg=312.701 Cpg=1.81363 kg=1.20834 Cp'g=2.51645 k'g=1.16412

Mu=0.000066 Lt=0.179473 Lt'=0.287214 Pr=0.666533 Pr'=0.577903

A=882.717 z=0 n=1.13503 w=2875.42 Mach=3.25747

Frel=13.7623 F'=0.0031107 Isp=3108.73 B= -

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.9153e-4 O2 = 0.00175 H = 0.4638e-3 H2 = 0.00955

OH = 0.00268 HO2 = 0.3092e-6 H2O = 0.43463 H2O2 = 0.4645e-7

N = 0.4212e-8 N2 = 0.3273 NO = 0.6549e-3 NO2 = 0.7202e-7

N2O = 0.2047e-7 NH = 0.3476e-8 NH2 = 0.1127e-8 NH3 = 0.6477e-8

HNO = 0.2012e-7 HNO2 = 0.6073e-8 HNO3 = 0.1136e-12 CO = 0.02257

CO2 = 0.20031 CHO = 0.2052e-8 CHO2 = 0.1541e-7 CH2O = 0.6669e10

CH2O2 = 0.2682e-8 CN = 0.5615e-13 NCO = 0.1057e-11

HCN = 0.4291e-10N2C = 0.3027e-13 e- = 0.3687e-11 OH- = 0.2543e-12

б_ок=1

Исходный состав: ( C2H8N2 [ 823.6 , 2.72 ] - 1.0000) +

( N2O4 [ -212.5 , 1.548 ] - 3.0620)

Состав, моль/кг: C 8.193 H 32.771 N 24.578 O 32.771

1-й параметр: p(кам) =7.5

2-й параметр: I(кам) =42.571

расширение: p(кам) / p(a) =100

Равновесные параметры при p(кам)=7.5МПа, p=0.075МПа (вых. сечение, СИ):

p=0.075 T=2157.99 v=8.91108 S=10.632 I=-4052.68

U=-4628.67 M=37.2489 Cp=1.8037 k=1.2073 Cp'=2.82144

k'=1.15218 Ap=0.0005121 Bv=0.0005104 Gt=0.0000135 MMg=26.8464

Rg=309.701 Cpg=1.8037 kg=1.2073 Cp'g=2.82144 k'g=1.15218

Mu=0.0000663 Lt=0.178664 Lt'=0.328219 Pr=0.669803 Pr'=0.570332

A=876.024 z=0 n=1.13311 w=2861.9 Mach=3.26692

Frel=13.847 F'=0.0031137 Isp=3095.43 B= -

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.2014e-3 O2 = 0.00718 H = 0.3653e-3 H2 = 0.00511

OH = 0.00401 HO2 = 0.9266e-6 H2O = 0.43259 H2O2 = 0.9700e-7

N = 0.4946e-8 N2 = 0.32923 NO = 0.00137 NO2 = 0.2991e-6

N2O = 0.4291e-7 NH = 0.2849e-8 NH2 = 0.6419e-9 NH3 = 0.2492e-8

HNO = 0.3086e-7 HNO2 = 0.1778e-7 HNO3 = 0.6620e-12 CO = 0.01264

CO2 = 0.2073 CHO = 0.8829e-9 CHO2 = 0.1236e-7 CH2O = 0.1995e-10

CH2O2 = 0.1491e-8 NCO=0.6547e-12 HCN = 0.9450e-11 O3 = 0.3974e-13

e- = 0.4485e-11 OH- = 0.4306e-12 H3O+ = 0.2222e-11 NO+ = 0.2707e-11

б_ок=1,1

Исходный состав: ( C2H8N2 [ 823.6 , 2.72 ] - 1.0000) +

( N2O4 [ -212.5 , 1.548 ] - 3.3682)

Состав, моль/кг: C 7.618 H 30.474 N 24.379 O 33.521

1-й параметр: p(кам) =7.5

2-й параметр: I(кам) =24.692

расширение: p(кам) / p(a) =100

Равновесные параметры при p(кам)=7.5 МПа, p=0.075 МПа (вых. сечение, СИ):

p=0.075 T=2065.22 v=8.39781 S=10.4199 I=-3911.28

U=-4450.19 M=36.6803 Cp=1.75101 k=1.2109 Cp'=2.1886

k'=1.17668 Ap=0.0005043 Bv=0.0005037 Gt=0.0000134 MMg=27.2626

Rg=304.973 Cpg=1.75101 kg=1.2109 Cp'g=2.1886 k'g=1.17668

Mu=0.0000648 Lt=0.168199 Lt'=0.229102 Pr=0.674738 Pr'=0.619165

A=860.334 z=0 n=1.13987 w=2805.7 Mach=3.26117

Frel=13.5478 F'=0.0029931 Isp=3030.18 B= -

Равновесные концентрации (мол.доли):

O = 0.2538e-3 O2 = 0.04097 H = 0.9532e-4 H2 = 0.00109

OH = 0.00403 HO2 = 0.2405e-5 H2O = 0.41224 H2O2 = 0.1674e-6

N = 0.1490e-8 N2 = 0.33101 NO = 0.00261 NO2 = 0.1564e-5

N2O = 0.8235e-7 NH = 0.5635e-9 NH2 = 0.8602e-10 NH3 = 0.2810e-9

HNO = 0.2639e-7 HNO2 = 0.5659e-7 HNO3 = 0.5694e-11 CO = 0.00261

CO2 = 0.20508 CHO = 0.5771e-10 CHO2 = 0.3611e-8 CH2O = 0.8814e-12

CH2O2 = 0.3009e-9 NCO = 0.6453e-13 HCN = 0.2036e-12 O3=0.2682e-12

e- = 0.1516e-11 OH- = 0.2539e-12 H3O+ = 0.3234e-12 NO+ = 0.1467e-11

Размещено на Allbest.ru

...