Расчёт и проектирование смесеобразования в жидкостном ракетном двигателе

Министерство образования и науки  РФ

 

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Самарский государственный аэрокосмический университет

им. академика С. П. Королева

(национальный  исследовательский университет)»

 

Факультет двигателей летательных аппаратов

 

Кафедра теории двигателей летательных аппаратов

 

 

 

 

 

Расчётно-пояснительная записка к курсовой работе

 

«РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ЖИДКОСТНОМ РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ»

 

по учебной дисциплине «Теория, расчёт и проектирование

ракетных двигателей»

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 2408

Клычкова П.В.

Руководитель - доцент

Егорычев В.С.

 

 

 

 

Самара 2014 
Задание

на курсовую работу «Расчёт и проектирование смесеобразования

в жидкостном ракетном двигателе» по учебной дисциплине

«Теория, расчёт и проектирование ракетных двигателей»

 

Выполнить проектный расчет смесительной головки и топливных форсунок для камеры ЖРД со следующими исходными данными:

 

1. Топливо	и О2ж
2. Тяга	P=100 кН
3. Давление в камере сгорания	=5МПа
4. Число запусков	20
5. Время работы РД	3500 с
6. Номер ступени	РБ
7. Массовое число ракеты	=3,9
8. Относительная расходонапряжённость	кг/Н с   +5%
9. Изменение тяги	-20%
10. Изменение соотношения компонентов	10%

 

При проектировании смесеобразования в ЖРД использовать результаты проектного термодинамического расчета камеры жидкостного ракетного двигателя, выполненного в предыдущей курсовой работе «Термодинамический расчет и проектирование камеры ЖРД с СПК TERRA»

 

      Задание выдано   11.09.2014 г.

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка 43 стр., 5 рисунков, 1 таблица, 7 источников.

 

ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ, СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА, ФОРСУНКА, ТОПЛИВО, ГОРЮЧЕЕ, ОКСЛИТЕЛЬ.

 

Произведен выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки, а также типа форсунок и схемы их расположения на днище смесительной головки камеры. Определено число ядерных и пристеночных форсунок.

По результатам проектирования выполнены эскизы ядерной и пристеночной форсунок.

Проведен  поверочный расчет и выполнено параметрическое исследование спроектированных форсунок с помощью САПР «Смесеобразование в ЖРД».  
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………	6
1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ КАМЕРЫ………….	7
Выбор формы,, типа и конструктивной схемы смесительной головки……………………………………………………….	7
1.2 Определение устройств, располагаемых на смесительной головке….	7
1.3 Выбор типа форсунок…...……………………………………………….	8
1.4 Выбор схемы расположения форсунок на днище смесительной головки камеры………………………………………………………………	9
1.5 Определение размеров форсунок  и вычерчивание схемы  их расположения……………………………………………………………..	9
1.6 Определение числа форсунок…………………………………………...	11
1.7 Массовые расходы компонентов топлива через одну форсунку……..	11
2 ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК…………………………………………………….	13
2.1 Двухкомпонентная ядерная струйно-центробежная  газожидкостная  форсунка с внутренним смешением………………………………………..	13
2.1.1 Проектный расчет внутреннего  контура двухкомпонентной струйно-центробежной  газожидкостной форсунки…………………...	13
2.1.2 Проектный расчет наружного  контура двухкомпонентной струйно-центробежной  газожидкостной форсунки…………………...	16
2.2 Двухкомпонентная пристеночная струйно-центробежная газожидкостная форсунка с внутренним смешением……………………..	24
2.2.1 Проектный расчет внутреннего  контура двухкомпонентной струйно-центробежной  газожидкостной форсунки…………………..	24
2.2.2 Проектный расчет наружного  контура двухкомпонентной струйно-центробежной  газожидкостной форсунки…………………...	26
3 ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПРОЕКТИРОВАННЫХ ФОРСУНОК С ПОМОЩЬЮ САПР «СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ЖРД»….	34
3.1 Поверочный проектный расчет  спроектированной ядерной форсунки……………………………………………………………………...	34
3.2 Поверочный проектный расчет спроектированной пристеночной форсунки……………………………………………………………………...	37
3.3 Параметрическое исследование спроектированных форсунок……….	40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………..	42
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………	43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Проектирование ЖРД, являющегося сложной технической системой, представляет собой трудоемкий, иерархически многоуровневый и итерационный процесс, осуществляемый путем постоянных повторений и возвратов к предыдущим этапам. Смесеобразование в ЖРД является важным этапом проектирования в целом.

Система смесеобразования осуществляет ввод, распыление, смешение и первоначальное распределение компонентов топлива в камере сгорания. Она должна обеспечивать  высокую  полноту  сгорания топлива в камере сгорания, надёжную  защиту  стенок камеры от прогара, устойчивое протекание рабочего процесса и обеспечивать требуемую величину коэффициента камеры сгорания φк, принятую в курсовой работе «Термодинамический расчёт и проектирование камер ЖРД».

Результаты  эскизного проектирования камеры и ее смесеобразования 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  необходимые изменения в значения отдельных параметров и расчет уточняется.

 

1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ КАМЕРЫ

 

1.1 Выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки

 

Выбираем жидкогазофазную смесительную головку. Это обусловлено тем, что проектируемый двигатель с испарением в тракте охлаждения горючего (водорода), и поэтому кислород подается в КС в жидком виде, а водород − в газообразном.

По форме выбираем плоскую смесительную головку, так как она обеспечивает достаточно хорошую однородность полей скоростей, соотношения  компонентов, расходонапряжённости по поперечному сечению камеры сгорания и проста по конструкции.

По конструктивной схеме выберем плоскую смесительную головку с двойным дном как наиболее технологичную.

Окончательно выбираем для камеры проектируемого ЖРД жидкогазофазную плоскую смесительную головку с двойным дном.

 

1.2 Определение устройств, располагаемых на смесительной головке камеры

 

Для проектируемого ЖРД, работающего на несамовоспламеняющихся компонентах топлива Н2ж и О2ж необходимо иметь воспламенительное устройство, обеспечивающее воспламенение топливной смеси в камере сгорания двигателя в момент его запуска. Располагаем это устройство на смесительной головке, предусмотрев ввод высокотемпературных продуктов сгорания через газопровод, проходящий через боковую стенку камеры сгорания. Схема расположения форсунок изменена не будет. 

На смесительной головке камеры могут располагаться топливные клапаны, датчики и сигнализаторы давления, регуляторы и другие агрегаты системы управления и регулирования двигателя, но на данном этапе проектирования их расположение не предусматривается.

 

1.3 Выбор типа форсунок

 

1.3.1 Выбирается тип форсунок для ядра потока.

Для ядра потока выбираем двухкомпонентные форсунки. Они позволяют получить повышенную расходонапряженность камеры сгорания по сравнению с однокомпонентными и более рационально использовать пространство огневого днища смесительной головки. Кроме того, двухкомпонентная форсунка является элементарным смесителем, т.е. компоненты топлива подаются в камеру РД уже в нужном соотношении. Выбираем газожидкостные форсунки, поскольку схема организации рабочего процесса в камере сгорания проектируемого двигателя «газ-жидкость».

По конструкции выбираем струйно-центробежные форсунки. Подогретый водород будет подаваться через внутренний контур форсунки, представляющий собой струйную газовую форсунку, а жидкий кислород – через наружный контур, представляющий собой центробежную жидкостную форсунку. Центробежная форсунка обеспечит тонкий распыл кислорода и улучшит смесеобразование. Способ подачи подогретого водорода не влияет значительно на смесеобразование, поэтому он будет подаваться через струйную часть форсунки, что упростит изготовление струйно-центробежной форсунки.

По способу смешения компонентов выбираем двухкомпонентные форсунки с внутренним смешением, т.к. компоненты топлива несамовоспламеняющиеся. В таких форсунках перемешивание компонентов происходит в полости форсунки еще до поступления их в камеру сгорания.

Окончательно для проектируемого ЖРД для ядра потока выбираем двухкомпонентные струйно-центробежные форсунки с внутренним смешением.

1.3.2 Выбирается тип форсунок для пристеночного слоя.

Выбираем для организации пристеночного слоя двухкомпонентные струйно-центробежные форсунки с меньшим расходом топлива и соотношением компонентов, определенным для пристеночного слоя, с внутренним смешением, руководствуясь теми же соображениями, что и для ядра потока.

 

1.4 Выбор схемы расположения форсунок на днище смесительной головки камеры

 

Двухкомпонентные форсунки являются элементарными смесителями и могут быть расположены по любой схеме. Выбираем расположение форсунок по концентрическим окружностям для обеспечения равномерной эпюры расходонапряженности и большей технологичности смесительной головки камеры.

 

1.5 Определение размеров форсунок и вычерчивание схемы их расположения

 

1.5.1 Выбираются размеры форсунок смесительной головки и шаг между ними.

1.5.1.1 Выбирается шаг между форсунками в ядре потока.

В первом приближении можно считать, что шаг между форсунками H определяется эмпирическим уравнением

 

где – диаметр плоской смесительной головки камеры сгорания в мм.

Для цилиндрической камеры сгорания , поэтому

 

 

1.5.1.2 Выбирается внешний диаметр ядерных форсунок.

Для плоской смесительной головки диаметр струйно-центробежной форсунки определяется в первом приближении с помощью эмпирического уравнения:

 

 

Окончательно принимаем шаг между ядерными форсунками

H = 14,5 мм, а внешний диаметр ядерных форсунок

1.5.1.3 Внешний диаметр пристеночных двухкомпонентных форсунок.

Пристеночные форсунки обычно делаются с меньшим расходом, чем ядерные. Их внешний диаметр принимается немного меньше ядерных.

Принимаем

1.5.1.4 Шаг между пристеночными форсунками горючего или двухкомпонентными форсунками.

Для обеспечения равномерной толщины пристеночного слоя по всему периметру камеры шаг по окружности между пристеночными форсунками примем 13,0 мм.

1.5.2 Вычерчивается на компьютере в графическом редакторе КОМПАС-3Dv13 принятая схема расположения форсунок на огневом днище смесительной головки с принятыми выше размерами (рисунок 1).

1.5.3 Определяется расстояние между ядерными форсунками в радиальном направлении

 

 

1.5.4 Определяется расстояние между пристеночными форсунками и огневой стенкой камеры сгорания.

 

 

 

1.6 Определение числа форсунок

По схеме расположения двухкомпонентных форсунок, изображенной на рисунке 1, число ядерных форсунок, а число пристеночных форсунок

 

1.7 Массовые расходы компонентов топлива через одну форсунку

 

1.7.1 Массовые расходы окислителя и горючего через одну двухкомпонентную форсунку при организации смесительной головкой пристеночного слоя.

1.7.1.1 Массовый расход окислителя через одну ядерную двухкомпонентную форсунку

 

 

1.7.1.2 Массовый расход горючего через одну ядерную двухкомпонентную форсунку

 

1.7.1.3 Массовый расход окислителя через одну пристеночную двухкомпонентную форсунку

 

1.7.1.4 Массовый расход горючего через одну пристеночную двухкомпонентную форсунку