Стенд для исследования разложения теплозащитного покрытия
Балтийский
Государственный Технический
Курсовой проект
Стенд для исследования разложения теплозащитного покрытия.
Выполнил
Проверил
Санкт-Петербург 2005 г.
Содержание.
Введение…………………………………………………………
I. Конструкторский раздел.
1. Общая характеристика РДТТ. Тепловой
режим работы элементов конструкции…………………………………………………
2. Тепловая защита элементов конструкции………………………………..6стр.
3. Выбор методики измерения скорости разложения……………………..12стр.
4. Проектирование модельного двигателя…………………………………15стр.
4.1. Тепловые расчеты…………………………………………………….
4.2. Геометрическое
проектирование заряда………………………
4.3. Расчет сопла………………………………………………
4.4. Прочностной расчет модельного двигателя………………………...19стр.
4.5. Тепловой расчет
двигателя…………………………………………..
4.6. Расчет массы
воспламенителя……………………………………….
4.7. Описание конструкции
модельного двигателя……………………..
5. Описание стенда………………………………………
6. Измерение давления……………………………………………………..
7. Термоэлектрические преобразователи………………………………….
8. Разработка блок-схемы стенда…………………………………………..38стр.
9. Оценка погрешности измерения…………………………………………
- Технологический раздел.
1. Изготовление элементов стендовой установки……………………...41стр.
1.1. Выбор и расчет заготовки……………………………………………
1.2. Маршрутная технология……………………………………......
1.3. Разработка технологического процесса
изготовления элементов конструкции…………………………………………………
III. Технико-экономический раздел.
1. Расчет стоимости
измерительного комплекса………………
2. Расчет затрат на
проведение испытания…………………………
IV. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда.
1. Обеспечение требований
БЖД и экологии при
2. Расчет вытяжной
вентиляции……………………………………………
Заключение……………………………………………………
Список литературы…………………………………
Введение.
Скорость разложения
теплозащитного покрытия важнейшая
характеристика для определения работоспособно
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.
- 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
-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)-10е 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
На конструктивные элементы
РДТТ воздействуют значительные внутренние
и внешние тепловые нагрузки. Внутренние
тепловые нагрузки обусловлены высокими
температурами продуктов сгоран
2.
Тепловая защита элементов
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
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.
В зависимости от состава
ТЗМ выпускаются в виде листов,
гранул, порошков. Способ нанесения
на детали изделия выбирается в зависимости
от исходного состояния полуфабрик
Для защиты внутренних поверхностей камер сгорания используются материалы двух типов — на основе каучуков и теплостойкие пластмассы.
Для внутренней тепловой защиты переднего днища и корпуса РДТТ, работающих в условиях высоких температур, но небольших скоростей движения газов (w < 50 м/с), как правило, применяются фенольно-каучуковые материалы и резины без минеральных наполнителей.
Для тепловой защиты
элементов камеры сгорания в
условиях высоких скоростей
Для тепловой защиты заднего днища в зоне перехода к корпусу (для зон двигателя с w до 300 м/с) наибольшее распространение получили слоистые материалы на основе асботкани, стеклотканей и углеродных тканей.
В перечисленных типах материалов в качестве связующего вещества используются фенольные и эпоксидные смолы, разложение которых происходит при температурах 250 ... 400 °С. Недостатком указанных слоистых материалов является низкое удлинение при растяжении, обычно не превышающее 1 ... 1,5 %, что приводит к определенным трудностям при применении их в качестве ТЗМ для корпусов. Для повышения эластичности подобных материалов на основе фенольно-формальдегидных смол с любым наполнителем, где в них вместо части фенольной смолы вводят каучук, чаще бутадиенакрилонитрильный. Физические свойства и стойкость к уносу меняются при этом несущественно, но уменьшается прочность на растяжение. К числу резиноподобных материалов, применяемых в зонах с небольшими скоростями газов, относятся композиции, подобные нитрильным, бутадиен-нитрильным, полиуретановым и бутиловым каучукам. Эти же материалы, армированные такими наполнителями, которые обеспечивают высокую стойкость к эрозионному воздействию, используются для тепловой защиты других элементов камеры сгорания. В качестве наполнителей добавляются асбест, двуокись кремния, углерод, графит и другие материалы в виде порошка, волокон, гранул.
В термостойких пластмассах в качестве связующего вещества в основном используются кремнийорганические, фенольные, эпоксидные, полиэфирные смолы. Наибольшее распространение получили фенольные смолы. Армирование пластмасс осуществляется неорганическими наполнителями: кремнеземными, кварцевыми, угольными, графитовыми, асбестовыми, керамическими. Содержание наполнителя обычно 25 ... 35 %.
Для разлагающихся ТЗМ механизм защиты стенок элементов конструкций заключается в поглощение поступающего тепла совокупностью физико-химических процессов при полном разложении материала.
Обобщенный механизм разложения ТЗП.
Рис2.1
Многостадийный процесс:
- Инертный прогрев ТЗМ. Заканчивается когда температура на поверхности достигает температуры разложения материала Тр (рис. 2.1).
Тнач ≤ Тпов < Tp
2. Нестационарное разложение материала (рис. 2.2).
При разложение материала образуется газообразные продукты разложения и твердый углеродистый пористый слой (коксовый слой).
Рис. 2.2
δкон – конечный прогретый слой
δк – толщина коксового слоя
Тр ≤ Тпов < T
0 ≤ δк < δк
Uраз – скорость разложения;
0 ≤ Uр ≤ Uр
Возможен режим разложения с образованием прочного коксового слоя. В этом случае коксовый слой не разрушается, а возрастает по толщине. Во втором режиме непрочного коксового слоя, когда в определенный момент времени при достижении температуры поверхности, величины Тs начинается разложение и унос коксового слоя с поверхности.
Причина разложения и уноса - химический унос, в результате взаимодействия углерода кокса с продуктами сгорания.
С + СО2 -+2СО
С + Н2О->ОН + СО
Эти реакции идут при температуре выше 2000К т.е. необходимо, чтобы поверхность прогрелась до этой температуры Тs =1900…2100К 80% - 90% - химический унос, механический унос – частицы кокса вырываются с поверхности под действием аэродинамической силы набегающего газового потока.
3. Характерный, только для случая непрочного коксового слоя. Стадия квазистационарного разложения
Тпов = Тs = const
δк = δк = const
δк – квазистоционарная толщина коксового слоя;
Uр = Uр = const
Рис. 2.3 Характер изменения во времени параметров разложения коксующихся ТЗП.
δунк – толщина унесенного коксового слоя с поверхности
tун – время уноса кокса с поверхности
tр – время воздействия теплового потока.
Требуемая толщина покрытия :
δп = δунк + δк , где
δунк = Uр* tун
tун = tp – tт – tu
Обычно tт « tун и tu « tун , δк « δунк .
Если пренебречь этими малыми величинами, то требуемая толщина покрытия будет равна :
δп = Uр*tp
Для расчета δп необходимо знать квазистационарную скорость разложения.
Тепловой баланс в зоне разложения. Скорость разложения.
Рис. 2.4
qвд - часть теплового потока затраченного на нагрев газообразных продуктов разложения от Тs до То;
qрк - затрата теплового потока на физико-химические процессы, протекающие на поверхности слоя кокса;
qλк; qλг - затрата тепла на нагрев кокса и газа, находящегося в его порах, от Тр до Тs
qрп - затраты тепла на разложение исходного материала
qλп - затраты тепла на нагрев исходного материала от начальной температуры до Тр
Qприх = Qрасх = ΣQi
Qприх = qΣ*Sn*t [Дж]
Qλп = Cп*mп*(Тр – Тнач)
mп = Vп*ρп = Sп*δ*(Тр – Тнач)
Qрп = mп*Qрп1 = Sп*ρп*δ*Qрп1
Qрп – тепло затраченное на разложение покрытия
Qрп1 – затраты тепла на разложение единицы массы
Qλк = Ск*mк*(Тs – Тр)
к – косовое число
к = mк/ mп
mк – масса кокса
mп – масса покрытия
Qλк = Ск*к*Sп*ρп*δ*(Тs – Тр)
Qλг = Cп*(1 – к)*Sп*ρп*δ*(Тs – Тр)
Qрк = mк*Qрк1 = к*Sп*ρп*δ*Qрк1
Qрк – затраты тепла на поверхности кокса
Qрк1 - затраты тепла на разложения единицы массы на поверхности кокса
Qвд = Cп*(1 – к)*Sп*ρп*δ*(То – Тs)*ηвд
Qвд – нагрев газа от Тs до То
ηвд – коэффициент вдува, учитывающий долю газообразных продуктов разложения, нагреваемых до температуры То непосредственно у поверхности кокса.
ηвд = 0,7 – при ламинарном режиме;
ηвд = 0,4 – при турбулентном режиме.
Тепловой баланс:
qΣ* Sп*t = Sп*ρп*δ*[Cп*(Тр – Тнач) + Qрп1 + Ск*к*(Тs – Тр) + Cп*(1 – к)* (Тs – Тр) + к*Qрк1 + Cп*(1 – к)*(То – Тs)*ηвд]
Скорость разложения :
δ/ t = Uр – общее выражение для квазистоционарной скорости разложения коксующегося слоя.
Или Uр = qΣ/ ρп*Нэф , где
Нэф [Дж/кг] – эффективная энтальпия теплозащитного покрытия, характеризующая суммарные затраты тепла на все процессы, протекающие при полном разложении ТЗП.
Как видно из общего выражения, скорость разложения зависит от многих параметров и характеристик, точное знание которых чрезвычайно сложно, значит расчетом значение Uр можно определить приближенно. Ошибка может достигать 20% - 30%. Гораздо точнее можно определить Uр, а следовательно, и требуемую толщину δп, опытным путем. Особенно это касается вновь создаваемых ТЗМ.
3. Выбор методики измерения скорости разложения.
Существует несколько методов измерения скорости разложения ТЗП. Есть метод перегорающих проволок или реперов. К достоинству этого метода можно отнести экономию в теплозащитном материале и простоту регистрации. Недостатки его из-за не параллельности распространения фронта разложения во времени, возможна ошибка в определении разности времени сгорания реперов.
Так же можно измерить скорость разложения, определяя среднею скорость разложения в двигателе. У нас есть теплозащитное покрытие определенной толщины. После прохождения тепловой волны замеряем толщину покрытия и время разложения.
Рис. 3.1
δп – толщина покрытия
δкон – конечная толщина покрытия
δраз – толщина разложения
tр – время разложения
Зная эти данные, можно рассчитать скорость Up = δраз/tp
Чтобы результат был более точен, необходимо провести этот метод несколько раз, поскольку скорость разложения может быть разной.
Следующий метод при помощи термопар. Их размещают в ТЗП на определенном расстоянии друг от друга.
Рис. 3.2
При разложении ТЗП поочередно
фиксируем температуру
Рис. 3.3
t1дост. – время достижения
Δt – прохождение конкретной температурной волны
Чтобы измерить скорость разложения возьмем определенную тетемпературу. Зафиксируем время прохождения тепловой волны в 500 К к первой термопары, второй и т.д. Зная расстояния расположенных соседних термопар можно вычислить скорость разложения.
Up1 = h1/Δt1
Up1 – скорость разложения от 1 до 2 термопары
Итак до определенного количества термопар.
Точность метода высока, но метод более трудоемкий. Сложно изготовить образцы.
Еще один метод это – оптический. Исследуемый образец помещается между источником излучения 1 и фоторегистратором 2. В начале испытания регистрируется начальная толщина покрытия, а по истечению некоторого времени снимается другая. Так же в образце используется репер 3 для точного измерения изменения толщины ТЗП.
рис. 3.4
В ходе проведения исследования получаем два кадра, на которых видна разница границы покрытия Δh = h2 – h1.
Рис .3.5
Up=Δh/Δt
Достоинство этого метода, возможность измерения скорости во времени.
Недостатком является, сложность обеспечения прозрачности внутреннего объема и более сложная измерительное оборудование.
Из всех рассмотренных методов мы выбираем метод термопар. Он более точный, не такие большие погрешности по сравнению с другими и не очень сложный. При испытании измеряется давление в камере сгорания, время, температура и расстояние между спаями термопар.
4. Проектирование модельного двигателя.
Модельный двигатель необходим для создания потока продуктов сгорания, омывающих исследуемый образец. Он должен обеспечить требуемый тепловой поток к образцу.
Для разработки модельного двигателя в качестве исходных данных нам заданны время работы двигателя t=20c. и суммарный тепловой поток, который должен достигать значения q∑=107 Вт/м2. Давление в камере Ро = 8МПа
Так же нам известно характеристики топлива:
Топливо – баллистическое
ρт = 1800 кг/м3
U1 = 1.43*10-3 м/с и ν = 0,25 – константы закона скорости горения
U* = 130 м/с – пороговая значение скорости газового потока
To = 3400 K – температура в камере сгорания
R = 342.5 Дж/кг*К – газовая постоянная
к = 1.18 – коэффициент адиабаты
ε = 0.6 – степень черноты
λ = 0,15 Вт*м/с – коэффициент теплопроводности
Сг = 1700 Дж/кг*К – теплоемкость
μ = 0,7*10-4 – коэффициент вязкости
4.1. Тепловые расчеты
Примем форму насадки в виде кольца с внутренним диаметром dобр и толщиной равной толщине покрытия δп.
Рис. 4.1
Необходимо подобрать скорость газового потока, при которой q∑=107 Вт/м2, т.к. (ρ*Uг)=f(Uг), а q∑ = f(Uг). Посчитаем суммарный поток при скорости лежащей в диапазоне от 100 м/с до 500 м/с
q∑ = qk + qл
qk – конвективный поток
qл – лучистый поток
qk = αk*(То - Тст)
qл = ε*εст*σ*((То/100)4 – (Тст/100)4)
αk – функция многих величин
αk = f(λ, μ, Сг, Р, То, Тст, Uг, x, t, …)
Для решения задач используется теория подобия. В этом случае вводится безразмерные комплексы, которые есть сочетание нескольких физических величин.
αk = f(нескольких безразмерных комплексов)
Комплексы:
Re = (ρ*Uг)*χ/μ – Критерий
Pr = μ*Сг/ λ – Кр. Прандля
αk = Сг*(ρ*Uг)*А*Re-m*Pr-n
A, m, n – различные константы.
ρ = Ро/ R* To
Получим диапазон q∑ = 6,882*106 … 1,864*107
Поострим графики зависимости :
рис. 4.2
рис.4.3
Так же найдем внутренний диаметр dобр и построим графики зависимости
dобр = (q∑). Газовый секундный приход равен массовому секундному расходу:
m = П
П = ρт*Uт*Sт
m =ρг*Uг*Fпрох
Fпрох = π*dобр2/4
Массовый секундный расход будем брать равный 2кг/с
Получаем график:
рис.4.4
Из полученных расчетов мы выбираем что диаметр образца dобр = 0,03м, который обеспечивает Uг = 400 м/с; q∑ = 1,6*107.
4.2. Геометрическое проектирование заряда.