МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Факультет ТИ Специальность 160304 «Авиационная и ракетно-космическая теплотехника»

Кафедра - ТИ-7 « Теплофизические приборы и аппараты»

З А Д А Н И Е

НА ДОМАШНЮЮ КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № 1

По учебной дисциплине

Тепловая защита»

Студент _____________________ шифр _________ учебная группа ТИ-7-________

Титульный лист

Задание

Введение

Задание № 1.1

Задание № 1.2

Задание № 1.3

Заключение

Список использованных источников

Руководитель работы _________________________ С.А. Кананадзе

Задание принял к выполнению ____________________     ___________________

                                                      (подпись студента, дата)        (фамилия, инициалы)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Факультет ТИ Специальность 160304 «Авиационная и ракетно-космическая теплотехника»

Кафедра - ТИ-7 « Теплофизические приборы и аппараты»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ДОМАШНЕЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 1

По учебной дисциплине

Тепловая защита»

ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ

ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ

ДВИГАТЕЛЯ БЕЗ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Студент _____________________ шифр _________ учебная группа ТИ-7-_______

Руководитель работы _________________ С.А. Кананадзе

Студент _____________________       ______________________

(подпись)                                         (инициалы, фамилия)    

Москва, 2011 г.

Введение

Для инженерной практики проектирования тепловой защиты РДТТ необходимы простые методы расчета, позволяющие при минимальных затратах времени оценить в первом приближении ожидаемый уровень температуры нагрева материала стенки за время работы двигателя.

Разработка таких аналитических методов расчета становится возможной при введении ряда допущений, упрощающих решение тепловой задачи:

1. Значение коэффициента теплоотдачи  от продуктов сгорания (ПС) в материал стенки не изменяется в течение времени работы двигателя.

2. Основные теплофизические характеристики (ТФХ) материала стенки ( ) принимаются постоянными, не зависящими от уровня температуры его нагрева.

3. Тепловой поток на внешнюю поверхность стенки из окружающей среды отсутствует, на внутреннюю поверхность материала стенки воздействует тепловой поток, поступающий от ПС.

«ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ ДВИГАТЕЛЯ БЕЗ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ»

Задание № 1.1

Определить уровень теплового воздействия продуктов сгорания на материал стенки в заданном сечении цилиндрической части корпуса РДТТ с вкладным зарядом (рис. 1.1) в течение времени работы двигателя.

Рис. 1.1. Схема РДТТ с вкладным многошашечным зарядом: 1 - пиропатрон; 2 - передняя крышка; 3 – воспламенительное устройство; 4 - центральный упор с рассекателем; 5 - переднее днище; 6 - передний упор; 7 – обечайка двигателя; 8 - заряд твёрдого ракетного топлива; 9 - сопловая решётка; 10 - узел стыковки; 11 - заднее днище; 12 - сменный вкладыш критического сечения сопла; 13 - сопловой раструб; 14 – герметизирующая заглушка сопла

Рис. 1.1

Общие исходные данные:

Т _ТДР = 3085 К; с_р = 1490 м²/(с²·К); R = 298 м²/(с^2·К); μ = 2 10^-5 Па·c; λ = 0,386 Вт/(м·К); время горения заряда – 4,2 с; начальная температура + 20⁰С; коэффициент тепловых потерь в КС  = 0,93; давление в КС р_к =90 кГ/см²;

запас прочности 1,8; внутренний радиус КС r_вн = 65 мм; принять значение Re_кр = 2300 (для труб круглого сечения). X (координата)= 0,25 м;

W (скорость течения ПС)= 310 м/c; [T_доп]_σ = 350 ˚С.  Материал стенки –

 Al - сплав со следующими   теплофизическими характеристиками: ρ=2650 кг/см³; λ=218 кг·м/(с³*K); С = 865 м²/(с^2·К).

Решение:

1) Коэффициент теплоотдачи определяется из выражения для числа Nu

Критерий Nu определяется экспериментально и с учетом режима течения ПС рассчитывается по эмпирическим формулам:

- при ламинарном режиме течения

- при турбулентном режиме течения  

где Nu - критерий Нуссельта; Re - критерий Рейнольдса; Рг - критерий Прандтля; z – координата сечения; d – диаметр камеры.

Осталось посчитать плотность продуктов сгорания ρ_пс и коэффициент вязкости – υ:

 кг/м³;

.

Находим нужные нам критерии:

;

;

.

Коэффициент теплоотдачи:

 Вт/м²·К .

2)  Толщину стенки находит по зависимости δ:

   Температуру внутренней поверхности стенки Т_ст:

3) Определяем - q_к:

 Вт/м².

4) Лучистая составляющая плотности теплового потока  существенно зависит от уровня температуры и наличия многоатомных газов в продуктах сгорания топлива (СО₂, SО₂, Н₂О и т.д.). В частности, если температура продуктов сгорания ТТ ≤ 3500К, то величина лучистой составляющей не превышает 10...25 % от суммарного уровня плотности теплового потока . Однако при температурах Т_Г ≥ 3700 К вклад излучения может достигать 50 % и более от суммарного уровня теплового потока.

Найдём величину лучистого теплового потока  q_л, (ε_г = 0,675 ; ε_w = 0,8; a_w=1; σ₀ = 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴)) :

 Вт/м².

 А суммарный тепловой поток q_Σ рассчитывается:

 Вт/м².

5) Построим график изменения температуры в однослойной стенке, он будет иметь вид:

Рис.1.2

Где Тдоп = 350˚С – допустимая температура стенки.

На всем промежутке времени температура повышается, что плохо влияет на стенку, так как допустимая температура для нее всего 350 градусов

Задание № 1.2

Определить температурный профиль в материале стенки камеры за 0,5, 1,5, 3,0 сек и в момент окончания работы РДТТ. Расчет провести для значений толщины стенки: 5, 10, 15 мм. Построить графики.

Решение:

1) Рассчитаем необходимые критерии:

м² ;- коэффициент температуропроводности материала стенки;

- число Bi;

 - число Fo.

2) С помощью данных из таблицы 1 и формулы линейной интерполяции находим для расчетного значения критерия Bi =145,6следующие параметры: Ф₁², P, M, N.

Ф₁² = 2,467; P=0,0000 ; M=0,810; N=1,273.

3) При найденных значениях параметров Р, М, N проводим расчеты температурных симплексов, а через них и соответствующих абсолютных температур:

;

;

;

;

;

.

Общее количество теплоты, поглощенное материалом стенки камеры двигателя, составит

кДж/м² .

Таблица 1.1

4)  Рассмотрим, как изменяет себя температура в стенке при разных толщинах 5, 10, 15 мм, и в разных моментах времени 0,5, 1,5, 3  сек.

  Построим  графики зависимостей:

Рис. 1.3.

Мы три раза увеличили стенку и видим что температура при этом меньше. При увеличение стенки, ее теплоемкость увеличивается, значит она может дольше выдержать температуру.

Задание № 1.3

Предельно допустимое время нагрева стенки корпуса РДТТ без теплоизоляции определяется, в первую очередь, снижением при нагреве прочностных характеристик материала корпуса. Резкое падение прочностных характеристик для алюминиевых сплавов наблюдается при температуре свыше 200°С, для титановых сплавов свыше 450°С, для стали — свыше 750°С.

 Таким образом, допускаемое время работы РДТТ без теплоизоляции корпуса связано со временем достижения средней температуры материала стенки  при которой характеристики прочности материала еще сохраняют достаточно высокие значения.

Если за время работы двигателя допускается частичное разрушение поверхности материала несущей конструкции, то в этом случае, достаточно определить уровень средней по толщине стенки температуры и сравнить полученное значение  с допустимой температурой нагрева для выбранного материала по условию сохранения механической прочности (несущей способности) стенки.

 Найдем температурный профиль в материале стенки, который для данного случая изменяется по экспоненциальному закону:

Для металлических конструкционных материалов расчетная зависимость в безразмерном виде для средней по толщине материала стенки имеет вид

  Предельно допустимое (безопасное) время работы двигателя без теплоизоляции материала стенки РДТТ:

Вывод

Сопла РДТТ с малым временем работы для обеспечения хорошей эрозионной стойкости изготавливаются из малоуглеродистой стали. Это недефицитный и недорогой материал, обладающий по сравнению с жаропрочными и высоколегированными марками стали более высокой теплопроводностью, что играет решающую роль в увеличении живучести сопел данной категории

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ