Стенд для исследования разложения теплозащитного покрытия

Балтийский  Государственный Технический Университет  «ВоенМех»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

Стенд для исследования разложения теплозащитного покрытия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил

 

Проверил

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2005 г.

Содержание.

   Введение…………………………………………………………………..3стр.

 

I. Конструкторский раздел.

1. Общая характеристика РДТТ. Тепловой режим работы элементов конструкции……………………………………………………………….4стр.

2. Тепловая защита элементов конструкции………………………………..6стр.

3. Выбор методики измерения скорости разложения……………………..12стр.

4. Проектирование модельного двигателя…………………………………15стр.

   4.1. Тепловые расчеты…………………………………………………….15стр.

   4.2. Геометрическое  проектирование заряда…………………………….18стр.

   4.3. Расчет сопла…………………………………………………………...19стр.

   4.4. Прочностной расчет модельного двигателя………………………...19стр.

   4.5. Тепловой расчет  двигателя…………………………………………..19стр.

   4.6. Расчет массы  воспламенителя……………………………………….22стр.

   4.7. Описание конструкции  модельного двигателя……………………..23стр.

5. Описание стенда…………………………………………………………..25стр.

6. Измерение давления……………………………………………………...27стр.

7. Термоэлектрические преобразователи………………………………….36стр.

8. Разработка блок-схемы стенда…………………………………………..38стр.

9. Оценка погрешности измерения…………………………………………40стр.

 

2. Технологический раздел.

1. Изготовление элементов стендовой установки……………………...41стр.

   1.1. Выбор и расчет заготовки……………………………………………41стр.

   1.2. Маршрутная технология……………………………………..............42стр.

   1.3. Разработка технологического процесса изготовления элементов конструкции……………………………………………………………...43стр.

 

III. Технико-экономический раздел.

1. Расчет стоимости  измерительного комплекса………………………….44стр.

2. Расчет затрат на  проведение испытания………………………………...47стр.

 

IV. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда.

1. Обеспечение требований  БЖД и экологии при изготовлении  элементов конструкции………………………………………………………………….49стр.

2. Расчет вытяжной  вентиляции……………………………………………57стр.

 

Заключение…………………………………………………………………..61стр.

Список литературы………………………………………………………….62стр.

 

 

 

 

Введение.

 

Скорость разложения теплозащитного покрытия важнейшая  характеристика для определения работоспособности камеры сгорания. Значение скорости разложения дает возможность определить толщину покрытия и выбранного типа теплозащитного материала. Поэтому требуется экспериментальное определение скорости разложения. Необходимо осуществить выбор метода определения этой величины. Метод должен отвечать высокой точностью. В данном курсовом проекте мы рассмотрим несколько методов определения скорости разложения. Проанализировав все методы, нужно выбрать оптимальный метод и определиться с его реализацией.

Таким образом, нам необходим  модельный двигатель, который можно  было бы эксплуатировать в условиях лабораторного стенда. Нашей задачей является разработка стенда для определения скорости разложения теплозащитного покрытия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструкторский  раздел.

 

1. Общая характеристика РДТТ. Тепловой режим работы элементов конструкции. [1] [2]

Ракетным двигателем на твердом топливе называется двигатель прямой реакции, в котором химическая энергия твердого топлива преобразуется сначала в тепловую, а затем в кинетическую энергию продуктов сгорания, отбрасываемых с большой скоростью в окружающее пространство. Твердое топливо в РДТТ является источником одновременно получения энергии и рабочего тела - продуктов сгорания. Характерной особенностью ракетного двигателя на твердом топливе является размещение в камере сгорания всего запаса твердого топлива и отсутствие системы подачи.

Современный РДТТ состоит из следующих основных частей (рис. 1.1): обечайки 1 с теплозащитным покрытием, переднего днища 13 с теплозащитным покрытием, заряда твердого топлива 2 с бронировкой 3, деталей крепления заряда в двигателе 4, воспламенительного устройства 12, сопла 7 с заглушкой 8 и сопловым вкладышем 9. рулевого привода 6 для поворота сопла с целью управления ракетой в полете по тангажу и рысканью, поворотных сопел 10 для управления ракетой по крену, устройства отсечки тяги 11. Обечайка 1, герметично соединенная с сопловым 5 и передним 13 днищами, образует корпус двигателя.

Рис. 1.1. Схема ракетного двигателя на твердом топливе

В состав РДТТ входит корпус, который является камерой сгорания и служит для размещения в нем  заряда из твердого ракетного топлива и для осуществления процесса горения заряда. Для изготовления корпуса применяются металлические и неметаллические материалы, их сочетания. Заряд, размещаемый внутри камеры, может быть либо свободно вложен в камеру, либо прочно скреплен с ее стенками. Заряд может состоять из одного или нескольких элементов твердого топлива, которые обычно называются шашками. Наружная поверхность заряда может быть частично или полностью забронирована в тех случаях, когда нужно часть поверхности заряда предохранить от горения с целью получения заданного закона изменения площади горящей поверхности заряда по времени. Масса образующихся при горении продуктов сгорания зависит от плотности топлива, площади поверхности, по которой происходит горение, и скорости горения. Камера РДТТ имеет переднее и заднее (сопловое) днища. Сопловой блок, состоящий из одного или нескольких сопел, может составлять одно целое с задним днищем либо соединяться с ним различными способами. Воспламенение заряда осуществляется с помощью воспламенителя. Воспламенители имеют разнообразное конструкторское исполнение и размещаются со стороны переднего или соплового днища. В настоящее время наибольшее распространение в качестве воспламенителей зарядов РДТТ получили пиротехнические устройства. В РДТТ жидкие охладители, как правило, не применяются. Поэтому поверхности камеры двигателя, омываемые продуктами сгорания, частично или полностью покрыты теплозащитными покрытиями. В качестве последних применяют неметаллические или тугоплавкие металлические материалы, их сочетания. Сопло РДТТ нередко имеет сложную конструкцию. Типичным является наличие в минимальном сечении специального соплового вкладыша из материалов, стойких к воздействию продуктов сгорания или имеющих определенную скорость уноса. Сопло может быть частично погружено в камеру сгорания. Регулирование параметров рабочего процесса в РДТТ, как правило, не предусматривается; иногда может быть применена система регулирования давления в камере сгорания и тяги. Обеспечение требуемого закона Р(т) тяги осуществляется подбором конструкции заряда твердого топлива.

По сравнению с другими  типами ракетных двигателей РДТТ имеет  следующие преимущества:

-относительную простоту  конструкции и эксплуатации;

-высокую надежность  и безотказность;

-постоянную готовность  к пуску;

-относительно низкую стоимость эксплуатации.

К недостаткам РДТТ можно  отнести:

-ограниченную продолжительность  работы, обусловленную приемлемыми  габаритами заряда;

-относительно низкий  удельный импульс двигателя;

-невозможность обеспечения  многократного включения и выключения двигателя;

-широкий диапазон  отклонений параметров.

К тяговым характеристикам  ракетных двигателей относятся: тяга, удельный импульс и полный импульс  тяги.

Работоспособность конструктивных элементов РДТТ зависит от параметров и состава продуктов сгорания твердого топлива, от интенсивности теплообмена между продуктами сгорания и внутренними элементами двигателя, между набегающим потоком окружающего воздуха и наружной поверхностью двигателя, а также от времени его работы. Анализ параметров современных РДТТ показывает, что максимальное давление продуктов сгорания в камере находится в пределах 4 ... 15 МПа, а время работы — от 1,5 до 100 с. Характерной особенностью современных смесевых твердых топлив является высокая температура продуктов сгорания (Т = 3000 ... 3500 К) и значительное содержание частиц конденсата (до 40 % по массе). При таких параметрах продуктов сгорания процесс теплообмена в современных РДТТ протекает весьма интенсивно. Анализ тепловой напряженности основных элементов современных РДТТ показывает, что удельные тепловые потоки к отдельным элементам могут достигать (2,3 ... 11,6)-10^е Вт/м².

Очевидно, что без принятия специальных мер по тепловой защите стенок двигателя с продолжительным  режимом работы может произойти  разрушение по одной из следующих причин: вследствие разогрева и механического разрушения стенок или вследствие прогорания стенок, оплавления или деструктивного разрушения материала.

Необходимо отметить и то, что разнообразие геометрических форм заряда приводит к сложной гидродинамической картине движения газа в проточной части РДТТ. В таких условиях большинство ТЗМ проточной части работают с уносом массы, что может быть обусловлено как тепловым воздействием высокоэнтальпийного потока газов, химическим и механическим воздействием высокоскоростного потока газов с конденсированной фазой на нагретую поверхность.

В практике отработки  теплозащитных материалов для РДТТ в настоящее время распространение  получил метод, основанный на применении интегральных энергетических характеристик ТЗП, определяемых в специальных моделирующих условиях малогабаритных РДТТ.

На конструктивные элементы РДТТ воздействуют значительные внутренние и внешние тепловые нагрузки. Внутренние тепловые нагрузки обусловлены высокими температурами продуктов сгорания твердых топлив при больших давлениях и скоростях движения газов. Внешние тепловые нагрузки обусловлены воздействием   высокотемпературных   газов   при   запуске ракеты (особенно при пуске из шахты) и из-за аэродинамического нагрева при полете в плотных слоях атмосферы. Поэтому для несущих элементов конструкции, выполняемых из высокопрочных сталей, сплавов и стеклопластиков, заметное снижение прочности которых начинается при сравнительно небольших температурах, необходима специальная  защита от теплового воздействия.

 

2. Тепловая защита элементов конструкции. [2] [10]

 

В качестве ТЗП для внутренних поверхностей корпусов все шире применяются эластичные, сравнительно легкие  материалы  на  основе  каучуков  и  совмещенных  связующих. При выборе ТЗП для внутренней защиты камеры сгорания  двигателя   существенное  значение  имеют  ее  габаритные размеры и условия работы. Под внутренней теплозащитой корпусов и днищ подразумевают ТЗП и защитно-крепящий слой (ЗКС). Назначение ТЗП — защита несущих обечаек конструкции от воздействия   высокотемпературного  газового  потока.

Назначение ЗКС —  обеспечение прочного скрепления наполнителя с обечайкой корпуса и защита твердого топлива от внешних тепловых потоков (аэродинамического нагрева).

К ТЗП предъявляются  следующие требования: возможно более высокая температура плавления; повышенная устойчивость к термической и термоокислительной деструкции и газовой эрозии; химическая стойкость относительно различных сред; низкая тепло- и температуропроводность; высокая теплоемкость; низкая плотность; надежная адгезия, как к металлической поверхности, так и к заряду или ЗКС.

Для защиты стенок камер  сгорания двигателей от теплового и  эрозионного воздействия применяются  эластичные ТЗП на основе каучуков и жесткие ТЗП из текстолитов или пресс-материалов.

Основными компонентами материалов защиты камер сгорания являются: связующие (высокомолекулярные смолы, каучуки, композиции каучуков и смол) и наполнители (измельченные окислы, минералы, отвержденные и измельченные смолы). Для обеспечения технологичности в рецептуру покрытия вводятся специальные добавки.

ТЗП на основе каучуков обладают большой эластичностью, низкой температуропроводностью, сравнительно низкой плотностью, стабильными теплозащитными свойствами, технологичностью нанесения. Однако существенным недостатком их является низкая эрозионная  стойкость при больших скоростях газового потока.

Жесткие ТЗП характеризуются  высокой эрозионной стойкостью, стабильными теплозащитными свойствами, высокими физико-механическими показателями. Однако они обладают малой эластичностью (относительным удлинением), что может приводить к разрушению ТЗП при работе двигателя. Вследствие больших деформаций несущих обечаек может происходить разрушение покрытия во времени, а также при транспортировке и вибрациях.

К покрытиям, которые  по своим свойствам являются промежуточными между эластичными и жесткими сочетают их положительные свойства, относятся прорезиненные и наполненные ткани. Свойства таких материалов зависят от компонентов резин и ткани. При этом влияние ткани определяется не только природой волокна, но и типом плетения.