Главная База знаний "Allbest" Производство и технологии Проектирование двигательной установки и элементов конструкции второй ступени баллистической ракеты с ЖРД

Проектирование двигательной установки и элементов конструкции второй ступени баллистической ракеты с ЖРД

Расчет жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), используемого на второй ступени баллистической ракеты. Технологический процесс сборки фермы полезной нагрузки. Оценка предполагаемых затрат на проект. Основные моменты безопасности и экологичности проекта.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 23.11.2009
Размер файла 2,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Результат занесем в таблицу №1.11

Таблица №1.11

№ сеч.

м

м

К

атм.

атм.

0

0,35

0,35

800

1,11

9,20

25,79

12,14

1

0,03575

0,3409

850

1,1

9,15

24,22

11,43

2

0,03575

0,3004

950

1,081

9,05

21,08

10,01

3

0,03575

0,2333

1050

1,062

8,95

17,94

8,591

4

0,03575

0,1763

1150

1,043

8,85

14,8

7,17

5

0,05575

0,1802

1181

1,015

8,69

12,82

6,259

6

0,05575

0,2336

1144

0,9767

8,46

12

5,859

7

0,05575

0,2878

1106

0,9389

8,24

11,17

5,458

8

0,05575

0,3385

1069

0,901

8,01

10,35

5,058

9

0,05575

0,386

1031

0,8632

7,79

9,533

4,658

10

0,05575

0,4302

993,8

0,8253

7,56

8,712

4,257

11

0,05575

0,4715

956,3

0,7875

7,34

7,891

3,857

12

0,05575

0,5102

918,8

0,7496

7,11

7,07

3,457

13

0,05575

0,5464

881,3

0,7118

6,89

6,249

3,056

14

0,05575

0,5803

843,8

0,6739

6,66

5,428

2,656

15

0,05575

0,612

806,3

0,6361

6,44

4,607

2,256

16

0,05575

0,6416

768,8

0,5982

6,21

3,786

1,855

17

0,05575

0,6694

731,3

0,5604

5,99

2,965

1,455

18

0,05575

0,6954

693,8

0,5225

5,76

2,144

1,055

19

0,05575

0,7195

656,3

0,4847

5,54

1,323

0,6542

20

0,05575

0,7421

618,8

0,4468

5,31

0,5021

0,2538

Коэффициент конвективной теплоотдачи от горячих газов к стенке :

;

где - абсолютная температура заторможенного потока (величина известная из теплового расчета двигателя);

- имеет размерность .

Конвективный тепловой поток в стенку КС:

.

Лучистый тепловой поток в стенку КС:

;

где и - тепловые потоки излучаемые газами.

Лучистые тепловые потоки газов:

где - приведенная длина луча на j-ом участке.

Парциальные давления газов и имеют размерность - атм.

Суммарный тепловой поток для j-го участка КС:

.

Площадь боковой поверхности j-го участка:

.

Температура охладителя на выходе из охлаждающего тракта:

.

Давление на выходе из охлаждающего тракта:

где - перепад давлений на форсунках.

Температура кипения охладителя на выходе из охлаждающего тракта .

- компонента достаточно для охлаждения.

Подогрев охладителя на j-ом участке:

.

Температура охладителя на j-ом участке:

.

Результаты расчетов заносим в таблицу №1.12.

Таблица №1.12

№ сеч.

, кВт/м2К

, Вт/м2

, Вт/м2

, Вт/м2

, Вт/м2

, м2

, К

, К

0

1,570

3,616

6,309

9,174

5,164

0,3848

0

313

1

1,597

3,598

5,885

8,895

5,076

0,03829

6,421

319,4

2

1,896

4,083

4,841

8,116

5,379

0,03374

5,995

325,4

3

2,845

5,841

3,618

7,041

6,907

0,0262

5,978

331,4

4

4,498

8,785

2,588

5,985

9,642

0,0198

6,306

337,7

5

4,149

7,973

2,327

5,745

8,781

0,03156

9,156

346,9

6

2,507

4,912

2,593

6,15

5,787

0,04091

7,822

354,7

7

1,660

3,314

2,791

6,462

4,239

0,05041

7,06

361,7

8

1,194

2,429

2,908

6,671

3,387

0,05929

6,634

368,4

9

0,9074

1,88

2,957

6,8

2,856

0,06761

6,378

374,7

10

0,7177

1,514

2,949

6,86

2,495

0,07535

6,21

381

11

0,5842

1,254

2,889

6,86

2,229

0,08259

6,082

387

12

0,4858

1,061

2,783

6,805

2,02

0,08936

5,964

393

13

0,4108

0,9127

2,636

6,695

1,846

0,0957

5,836

398,8

14

0,3519

0,795

2,448

6,53

1,693

0,1016

5,684

404,5

15

0,3044

0,6992

2,223

6,304

1,552

0,1072

5,495

410

16

0,2654

0,6195

1,959

6,009

1,416

0,1124

5,258

415,3

17

0,2326

0,5517

1,656

5,627

1,28

0,1172

4,958

420,2

18

0,2048

0,4933

1,31

5,125

1,137

0,1218

4,574

424,8

19

0,1807

0,4421

0,9103

4,425

0,9756

0,126

4,062

428,9

20

0,1595

0,3964

0,4278

3,264

0,7655

0,13

3,287

432

Коэффициент теплопередачи от жидкой стенки к охладителю:

;

где - средняя площадь охлаждающего тракта на j-ом участке;

- количество ребер на j-ом участке;

- средний шаг ребер на j-ом участке;

- комплекс физических параметров охладителя;

- средний гидравлический диаметр охлаждающего тракта на j-ом участке;

Средняя температура жидкой стенки на j-ом участке:

.

Средняя температура газовой стенки на j-ом участке:

159

.

Средняя температура материала огневой стенки на j-ом участке:

.

Разница между принятой и расчетной температурой «газовой» стенки:

Результат расчета считаем удовлетворительным если разница между принятым значением температуры газовой стенки и расчетным будет составлять менее 5%. Если разница превышает 5% расчет проводим заново приняв за температуру газовой стенки среднюю между принятой и расчетной температурами.

Результаты расчетов заносим в таблицу №1.13.

Таблица №1.13

№ сеч.

, шт.

, м

, м2

, м

, кВт/м2К

, К

, К

, К

%

0

290

0,003792

0,002024

0,002638

6,979

1053

1268

1161

36,9

1

290

0,003693

0,001953

0,002593

7,207

1024

1235

1130

31,1

2

290

0,003254

0,001634

0,002371

8,458

961,3

1185

1073

19,8

3

290

0,002527

0,001107

0,001896

12,08

903,1

1191

1047

11,8

4

290

0,001909

0,000659

0,001334

19,62

829,2

1231

1030

6,57

5

145

0,003904

0,001053

0,002687

11,73

1096

1461

1279

19,1

6

145

0,005061

0,001472

0,003095

8,719

1018

1259

1139

9,18

7

145

0,006236

0,001898

0,003384

6,99

968,3

1145

1057

3,37

8

290

0,003667

0,001934

0,002581

7,27

834,2

975,4

904,8

9,57

9

290

0,004182

0,002307

0,0028

6,211

834,5

953,5

894

8,15

10

290

0,00466

0,002654

0,002971

5,486

835,7

939,6

887,6

5,76

11

290

0,005108

0,002978

0,003108

4,958

836,7

929,5

883,1

2,87

12

290

0,005527

0,003282

0,003221

4,554

836,5

920,7

878,6

0,21

13

290

0,005919

0,003566

0,003315

4,237

834,5

911,4

872,9

3,30

14

290

0,006286

0,003832

0,003395

3,981

829,7

900,2

865

6,27

15

580

0,003315

0,003356

0,002404

4,743

737,2

801,8

769,5

0,54

16

580

0,003475

0,003589

0,002488

4,465

732,5

791,5

762

2,87

17

580

0,003626

0,003808

0,002561

4,234

722,6

775,9

749,2

5,75

18

580

0,003766

0,004011

0,002626

4,041

706,1

753,5

729,8

7,93

19

580

0,003897

0,004201

0,002684

3,877

680,5

721,2

700,8

9,00

20

580

0,00402

0,004379

0,002735

3,737

637

668,9

653

7,49

Как видно из таблицы №1.3, разница между заданной и расчетной температурами газовой стенки значительна. Задаемся новыми значениями температуры и повторяем расчет.

Таблица №1.14

№ сеч.

, К

, кВт/м2К

, Вт/м2

, Вт/м2

, Вт/м2

, Вт/м2

, м2

, К

, К

0

1034

1,435

2,969

6,182

9,057

4,493

0,3848

0

313

1

1042,6

1,487

3,063

5,781

8,794

4,521

0,03829

5,719

318,7

2

1067,7

1,82

3,705

4,781

8,05

4,988

0,03374

5,56

324,3

3

1120,4

2,781

5,514

3,586

6,999

6,572

0,0262

5,688

330

4

1190,4

4,444

8,499

2,573

5,961

9,353

0,0198

6,117

336,1

5

1321,3

3,989

7,108

2,273

5,647

7,9

0,03156

8,238

344,3

6

1201,6

2,464

4,686

2,571

6,114

5,554

0,04091

7,507

351,8

7

1125,5

1,65

3,262

2,784

6,451

4,186

0,05041

6,97

358,8

8

1022

1,213

2,524

2,923

6,695

3,486

0,05929

6,827

365,6

9

992,3

0,9197

1,941

2,97

6,818

2,92

0,06761

6,522

372,1

10

966,6

0,7247

1,548

2,957

6,872

2,531

0,07535

6,3

378,4

11

942,8

0,587

1,268

2,893

6,866

2,244

0,08259

6,122

384,6

12

919,7

0,4856

1,06

2,783

6,805

2,019

0,08936

5,961

390,5

13

896,3

0,4084

0,9012

2,633

6,69

1,833

0,0957

5,797

396,3

14

871,9

0,3478

0,776

2,443

6,522

1,673

0,1016

5,616

401,9

15

804

0,3047

0,7005

2,223

6,305

1,553

0,1072

5,5

407,4

16

780,1

0,264

0,6133

1,958

6,007

1,41

0,1124

5,234

412,7

17

753,5

0,2302

0,5408

1,654

5,623

1,269

0,1172

4,914

417,6

18

723,6

0,2018

0,4801

1,308

5,12

1,123

0,1218

4,518

422,1

19

688,7

0,1777

0,4289

0,909

4,421

0,962

0,126

4,005

426,1

20

643,8

0,1573

0,3869

0,4274

3,262

0,7559

0,13

3,246

429,4

Таблица №1.15

№ сеч.

, шт.

, м

, м2

, м

, кВт/м2К

, К

, К

, К

%

0

290

0,003792

0,002024

0,002638

6,979

956,8

1144

1050

9,612

1

290

0,003693

0,001953

0,002593

7,207

946

1134

1040

8,089

2

290

0,003254

0,001634

0,002371

8,458

914

1122

1018

4,826

3

290

0,002527

0,001107

0,001896

12,08

874

1148

1011

2,387

4

290

0,001909

0,000659

0,001334

19,62

812,8

1202

1008

1

5

145

0,003904

0,001053

0,002687

11,73

1018

1347

1183

1,912

6

145

0,005061

0,001472

0,003095

8,719

988,8

1220

1105

1,529

7

145

0,006236

0,001898

0,003384

6,99

957,6

1132

1045

0,5705

8

290

0,003667

0,001934

0,002581

7,27

845,1

990,3

917,7

3,204

9

290

0,004182

0,002307

0,0028

6,211

842,3

963,9

903,1

2,951

10

290

0,00466

0,002654

0,002971

5,486

839,8

945,2

892,5

2,269

11

290

0,005108

0,002978

0,003108

4,958

837,2

930,7

883,9

1,31

12

290

0,005527

0,003282

0,003221

4,554

833,9

918

875,9

0,1895

13

290

0,005919

0,003566

0,003315

4,237

829

905,4

867,2

1,007

14

290

0,006286

0,003832

0,003395

3,981

822

891,7

856,9

2,212

15

580

0,003315

0,003356

0,002404

4,743

734,9

799,6

767,3

0,5523

16

580

0,003475

0,003589

0,002488

4,465

728,4

787,2

757,8

0,8937

17

580

0,003626

0,003808

0,002561

4,234

717,2

770,1

743,6

2,141

18

580

0,003766

0,004011

0,002626

4,041

700

746,8

723,4

3,102

19

580

0,003897

0,004201

0,002684

3,877

674,2

714,3

694,3

3,584

20

580

0,00402

0,004379

0,002735

3,737

631,6

663,1

647,4

2,91

Как видно из таблицы №1.15, разница между заданной и расчетной температурами газовой стенки на некоторых участках больше 5%. Задаемся новыми значениями температуры и повторяем расчет.

Таблица №1.16

№ сеч.

, К

, кВт/м2К

, Вт/м2

, Вт/м2

, Вт/м2

, Вт/м2

, м2

, К

, К

0

1089

1,409

2,838

6,142

9,018

4,354

0,3848

0

313

1

1088,5

1,465

2,95

5,75

8,761

4,402

0,03829

5,568

318,6

2

1094,7

1,805

3,624

4,765

8,032

4,904

0,03374

5,466

324

3

1134,1

2,769

5,452

3,58

6,99

6,509

0,0262

5,634

329,7

4

1196,4

4,436

8,458

2,571

5,957

9,31

0,0198

6,089

335,8

5

1334,2

3,976

7,033

2,267

5,637

7,823

0,03156

8,157

343,9

6

1210,9

2,458

4,65

2,568

6,108

5,518

0,04091

7,458

351,4

7

1128,8

1,648

3,254

2,783

6,449

4,177

0,05041

6,956

358,3

8

1006,1

1,22

2,557

2,928

6,702

3,52

0,05929

6,895

365,2

9

978,1

0,9243

1,964

2,974

6,825

2,944

0,06761

6,575

371,8

10

955,9

0,7275

1,562

2,96

6,877

2,546

0,07535

6,337

378,1

11

936,7

0,5884

1,275

2,894

6,868

2,251

0,08259

6,141

384,3

12

918,8

0,4858

1,061

2,783

6,805

2,02

0,08936

5,963

390,2

13

900,8

0,4077

0,8977

2,632

6,689

1,83

0,0957

5,785

396

14

881,8

0,3465

0,7696

2,441

6,518

1,666

0,1016

5,592

401,6

15

801,8

0,305

0,7018

2,223

6,305

1,555

0,1072

5,505

407,1

16

783,6

0,2636

0,6114

1,957

6,006

1,408

0,1124

5,226

412,3

17

761,8

0,2293

0,5369

1,653

5,622

1,264

0,1172

4,898

417,2

18

735,2

0,2006

0,4751

1,307

5,119

1,118

0,1218

4,497

421,7

19

701,5

0,1765

0,4239

0,9084

4,42

0,9567

0,126

3,983

425,7

20

653,4

0,1565

0,3834

0,4272

3,261

0,7522

0,13

3,23

429

Таблица №1.17

№ сеч.

, шт.

, м

, м2

, м

, кВт/м2К

, К

, К

, К

%

0

290

0,003792

0,002024

0,002638

6,979

936,9

1118

1028

2,621

1

290

0,003693

0,001953

0,002593

7,207

929,3

1113

1021

2,174

2

290

0,003254

0,001634

0,002371

8,458

903,8

1108

1006

1,201

3

290

0,002527

0,001107

0,001896

12,08

868,5

1140

1004

0,4892

4

290

0,001909

0,000659

0,001334

19,62

810,3

1198

1004

0,1477

5

145

0,003904

0,001053

0,002687

11,73

1011

1337

1174

0,2028

6

145

0,005061

0,001472

0,003095

8,719

984,2

1214

1099

0,2594

7

145

0,006236

0,001898

0,003384

6,99

955,9

1130

1043

0,09845

8

290

0,003667

0,001934

0,002581

7,27

849,4

996,1

922,8

1,013

9

290

0,004182

0,002307

0,0028

6,211

845,8

968,4

907,1

1,002

10

290

0,00466

0,002654

0,002971

5,486

842,1

948,2

895,2

0,8191

11

290

0,005108

0,002978

0,003108

4,958

838,3

932,1

885,2

0,5064

12

290

0,005527

0,003282

0,003221

4,554

833,7

917,9

875,8

0,1031

13

290

0,005919

0,003566

0,003315

4,237

827,9

904,1

866

0,3563

14

290

0,006286

0,003832

0,003395

3,981

820

889,3

854,6

0,8424

15

580

0,003315

0,003356

0,002404

4,743

734,9

799,7

767,3

0,2713

16

580

0,003475

0,003589

0,002488

4,465

727,6

786,3

757

0,3374

17

580

0,003626

0,003808

0,002561

4,234

715,9

768,6

742,2

0,8763

18

580

0,003766

0,004011

0,002626

4,041

698,3

744,9

721,6

1,302

19

580

0,003897

0,004201

0,002684

3,877

672,5

712,4

692,4

1,523

20

580

0,00402

0,004379

0,002735

3,737

630,3

661,6

645,9

1,229

Погрешность между принятой и расчетной температурами менее 5%, точность расчета считаем удовлетворительной.

Из таблицы №9 видно, что температура жидкой стенки значительно превышает допустимую температуру перегрева охладителя , в связи с чем охлаждение двигателя не будет надежным.

Для уменьшения теплового потока в стенку КС и, как следствие, уменьшения температуры жидкой стенки необходима организация внутреннего охлаждения.

Внутреннее охлаждение организуется созданием пристеночного слоя и позволяет уменьшить тепловой поток на 50-70%. Организовать пристеночный слой возможно двумя способами: периферийными форсунками горючего или с помощью поясов завесы. Первый из способов конструктивно более прост, но менее экономичен, второй наоборот, конструктивно более сложен, но создает равномерный пристеночный слой по длине КС и более экономичен.

Выбираем первый способ для создания пристеночного слоя. Уменьшаем суммарный тепловой поток на 55% и повторяем расчет.

Таблица №1.18

№ сеч.

, Вт/м2

, м2

, К

, К

, кВт/м2К

, К

, К

, К

0

1,959

0,3848

0

313

6,979

593,8

675,4

634,6

1

1,981

0,03829

2,505

315,5

7,207

590,3

672,9

631,6

2

2,207

0,03374

2,46

318

8,458

578,8

670,8

624,8

3

2,929

0,0262

2,535

320,5

12,08

563

685

624

4

4,19

0,0198

2,74

323,2

19,62

536,8

711,4

624,1

5

3,52

0,03156

3,671

326,9

11,73

627,1

773,8

700,4

6

2,483

0,04091

3,356

330,3

8,719

615

718,5

666,8

7

1,879

0,05041

3,13

333,4

6,99

602,3

680,6

641,5

8

1,584

0,05929

3,103

336,5

7,27

554,4

620,4

587,4

9

1,325

0,06761

2,959

339,5

6,211

552,8

608

580,4

10

1,146

0,07535

2,852

342,3

5,486

551,1

598,8

575

11

1,013

0,08259

2,764

345,1

4,958

549,4

591,6

570,5

12

0,909

0,08936

2,683

347,8

4,554

547,3

585,2

566,3

13

0,8234

0,0957

2,603

350,4

4,237

544,7

579

561,8

14

0,7495

0,1016

2,516

352,9

3,981

541,1

572,4

556,7

15

0,6996

0,1072

2,477

355,4

4,743

502,9

532

517,4

16

0,6335

0,1124

2,352

357,7

4,465

499,6

526

512,8

17

0,569

0,1172

2,204

359,9

4,234

494,3

518

506,1

18

0,5029

0,1218

2,024

361,9

4,041

486,4

507,4

496,9

19

0,4305

0,126

1,792

363,7

3,877

474,8

492,7

483,7

20

0,3385

0,13

1,454

365,2

3,737

455,8

469,9

462,8

По результатам расчета, приведенным в таблице №1.18 видно, что температура жидкой стенки не превышает температуру кипения охладителя по всей длине КС. Температура огневой стенки не превышает критическую температуру для материала стенки равную 1073 0К.

Рис.1.19 Изменение суммарного теплового потока, температуры газовой и жидкой стенок по длине КС

Рис.1.20 Изменение термодинамических параметров продуктов сгорания по длине КС

5.5 Расчет периферийных форсунок горючего

Относительный расход газа в пристеночном слое (для камер с тягой кН)

; выбираем

Суммарный расход через периферийные форсунки горючего:

.

Для создания пристеночного слоя используются струйные форсунки установленные по концентрической окружности с шагом t=3…4мм.

Количество периферийных форсунок:

.

Расход через одну форсунку:

.

Потребный диаметр форсунки:

;

где - коэффициент расхода; - перепад давления на форсунках.

Полученные геометрические параметры форсунок пристеночного слоя, удовлетворяют среднестатистическим данным для струйных форсунок и, следовательно, могут быть изготовлены.

6. Описание камеры сгорания и ТНА проектируемого двигателя

Проектируемый двигатель предназначен для использования на второй ступени УБР. Двигатель состоит из камеры, турбонасосного агрегата, газогенератора, работающего на основных компонентах топлива, четырех поворотных сопел системы управления.

Таблица №1.19

Основные параметры двигателя.

Тяга двигателя в пустоте

208 кН

Топливо

окислитель

Азотная кислота

горючее

Керосин

Секундный расход

окислителя

горючего

Весовое соотношение компонентов топлива

Коэффициент избытка окислителя

Давление газов

в камере сгорания

6 Мпа

на срезе сопла

0,02 Мпа

Удельная тяга в пустоте

287,3 с

Удельный импульс двигателя в пустоте

Относительная расходонапряженность по КС

Объем КС (до критического сечения)

Коэффициент полноты давления в камере

Коэффициент сопла

6.1 Газодинамический профиль камеры

Дозвуковая часть сопла выполнена в виде плавных переходов с прямолинейным участком под углом для обеспечения наименьших потерь при течении газа в сужающемся канале.

Сверхзвуковая часть сопла спрофилирована графическим методом. Камера представляет собой паяно-сварную конструкцию, состоящую из форсуночной головки, цилиндрического и докритического участков с закритической частью, и закритической части сопла.

6.2 Форсуночная головка

Форсуночная головка состоит из силового кольца, огневого днища, среднего днища, сферического наружного днища и двухкомпонентных форсунок.

Полость горючего образована наружным сферическим и средним днищами. Полость окислителя - средним и огневым днищами.

Среднее и огневое днища связаны между собой однокомпонентными форсунками посредством развальцовки и пайки кислотостойким припоем, устанавливаемым в местах соединений в виде колец. Пайка производится в вакууме. Всего форсунок 499, из них 409 центробежных и 90 струйных.

Из 409 однокомпонентных центробежных форсунок 325 выполнены с увеличенным расходом и установлены в центре ФГ по сотовой схеме. Вокруг ядра по двум концентрическим окружностям установлены 84 центробежных форсунок окислителя уменьшенного расхода, аналогичных по конструкции форсункам увеличенного расхода. На периферии огневого днища по концентрической окружности установлены 90 форсунок горючего для создания пристеночного слоя. Такое расположение форсунок обеспечивает эшелонированный фронт пламени по длине камеры сгорания, что приводит к устойчивой форме горения, к ликвидации высокочастотных колебаний и создания защитного пристеночного слоя.

В центре огневого днища приварен стакан с 6 антидетонационными ребрами, которые дополнительно привариваются к огневому днищу прерывистым швом с двух сторон и к силовому кольцу по внутренней его поверхности. В силовом кольце для подвода компонентов к форсункам окислителя и горючего просверлено по 45 отверстий во взаимно перпендикулярных плоскостях. Между сферическим днищем и средним установлены два перфорированных стакана для придания жесткости блоку плоских днищ. К силовому кольцу приварен коллектор горючего с двумя патрубками с двумя трубопроводами, к которым приварен наконечник с дроссельной шайбой. К наконечнику приварен штуцер для отвода горючего к стабилизатору соотношения компонентов.

Кроме того, на головке камеры приварены штуцер для замера давления окислителя в полости перед форсунками, штуцер для замера давления перед форсунками горючего и три кронштейна для крепления к раме ракеты. Все детали головки, кроме форсунок соединены между собой аргонно-дуговой сваркой.

6.3 Цилиндрический и докритический участки камеры с частью закритического участка сопла

Цилиндрический участок камеры выполнен из двух оболочек, связанных между собой с помощью ребер при помощи пайки кислотостойким припоем.

Докритический участок сопла с частью закритического участка выполнен также из двух оболочек, связанных между собой кислотостойким припоем. Внутренняя оболочка выполнена из легированной стали. Каналы для охлаждения указанной части сопла на внутренней оболочке выполнены фрезерованием. Закритический участок внутренней оболочки из первоначальной цилиндрической доводится до заданного профиля после сборки с внешней оболочкой путем обкатки роликом. Наружная оболочка также выполнена стальной. К внутренней оболочке цилиндрической части камеры сгорания с двух сторон приварены кольца большей толщины для обеспечения более качественной сварки оболочки с силовым кольцом головки, с одной стороны, и для осуществления сварки внутренней стальной цилиндрической оболочки с внутренней оболочкой докритической части сопла с другой стороны. На цилиндрической части камеры сгорания установлено два штуцера для замера давления в ней.

6.4 Закритическая часть сопла

Указанная часть сопла аналогична по конструкции цилиндрической части камеры. Выполнена она из двух стальных конических оболочек, соединенных между собой ребрами при помощи кислотостойкого припоя. Каналы ребер выполнены вдоль образующей сопла.

Коллектор с двумя трубопроводами, переходящими в патрубок с наконечником и дроссельной шайбой, служит для подвода горючего в межрубашечное пространство. К наконечнику приварен штуцер для отбора окислителя к стабилизатору соотношения компонентов. Сопло заканчивается кольцом жесткости, к которому приварены обе оболочки. В кольце жесткости для образования поворотной полости коллектора, выполнена кольцевая проточка.

6.5 Соединение узлов камеры сгорания

Цилиндрический участок камеры соединяется с головкой при помощи сварки: внутренняя оболочка с силовым кольцом - через кольцо большей толщины, чем сама оболочка, а внешняя оболочка с силовым кольцом - через переходное кольцо.

Цилиндрический участок соединяется с докритическим участком также при помощи сварки: внутренние оболочки, стальная цилиндрическая и стальная докритическая - через кольцо из пластичной нержавеющей стали, а внешние оболочки через переходное разрезное кольцо.

Закритическая часть сопла присоединяется также сваркой: по внутренним оболочкам через переходное кольцо из пластичной стали, а по внешним оболочкам - через переходное разрезное кольцо, имеющее продольный шов. Вокруг критического сечения приварено кольцо с кронштейнами. К кронштейну крепится турбонасосный агрегат, регулятор и шар-баллон. Кроме того, к кронштейну крепится сигнализатор давления.

6.6 Система охлаждения

Охлаждение двигателя наружное и внутреннее. Наружное охлаждение осуществляется горючим, идущим по межрубашечному зазору со стороны среза сопла. Внутреннее охлаждение осуществляется при помощи пристеночного слоя создаваемого рядом периферийных струйных форсунок. Внутренние оболочки цилиндра и сопла выполнены толщиной 0,8 мм, высота межрубашечного зазора постоянная - 2,5 мм. Ребра выполнены фрезерованием толщиной 1 мм. Внутренняя оболочка входа докритической части сопла покрыта блестящим хромом толщиной 40-60 микрон.

Таблица №1.20

Материалы, примененные в конструкции прототипа

Внутренние оболочки цилиндра и сопла, гофр, огневое днище, среднее днище, все корпуса форсунок, сетки фильтров.

Ст.12Х18Н10Т

Наружное сферическое днище, силовое кольцо, коллекторы, наружная оболочка цилиндрической части, докритической и закритической части сопла, соединительное кольцо цилиндрической и докритической частей камеры.

Ст.1Х17Н5М8

Переходные кольца внутренней оболочки

Ст. 1Х21Н5Т

Припой

Г40НХ

6.7 Описание насоса окислителя

Таблица №1.21

Основные параметры проектируемого насоса

Тип рабочего колеса

Центробежное закрытое с осевым преднасосом

Расход

Давление

на входе

на выходе

Мощность потребляемая

Коэффициент полезного действия

6.8 Корпус

Корпус насоса изготовлен из алюминиевого сплава совместно с улиткой. На наружной поверхности корпус насоса усилен семью ребрами жесткости. В корпусе насоса в полости импеллера выполнено отверстие диаметром 10 мм для образования перепускной магистрали из полости подшипника на вход в насос. Эта полость с входом в насос соединена внешним трубопроводом. Фланец трубопровода крепится к корпусу насоса двумя шпильками.

Входной патрубок насоса окислителя выполнен стальным за одно целое с развитым фасонным фланцем. На входе в патрубок установлена конусная втулка на трех пилонах под передний подшипник вала ротора насоса окислителя.

По наружной поверхности входного патрубка приварен коллектор для приема компонента из импеллерной полости. Трубопровод приваривается к этому коллектору. Под коллектором в корпусе входного патрубка выполнено 36 отверстий диаметром 2 мм под углом 450 к оси патрубка.

Улитка спрофилирована переменным радиусом при постоянной ширине канала. Диффузор выполнен за одно целое с улиткой. Входная его часть имеет прямоугольную форму. Заканчивается диффузор фасонным фланцем с шестью шпильками М8.

6.9 Рабочее колесо

Рабочее колесо представляет собой единый узел, состоящий из центробежного колеса и осевого шнекового преднасоса. Центробежное колесо насоса выполнено из алюминиевого сплава. Крыльчатка имеет 7 фрезерованных лопаток. Закрытые каналы колеса образованы при помощи пайки к лопаткам крыльчатки двух крышек.

На ступицы крышек насоса напрессованы стальные втулки для образования плавающих уплотнений.

Стальной шнек двухзаходный, с правым направлением винтовой линии постоянного шага. Цапфа шнека запрессована в вал ротора насоса. При запрессовке вал нагревается до температуры 1500 С.

Фиксация шнека относительно вала ротора насоса осуществлена радиальным штифтом, который закрыт дистанционным кольцом, установленным между ступицей колеса и внутренней обоймой фиксирующего подшипника. Крутящий момент от вала передается на вал насоса через рессору. Вал насоса воспринимает крутящий момент через шлицы, нарезанные на его внутреннем диаметре, а передает к насосу через шлицы, нарезанные по наружному диаметру вала. Для устранения осевых перемещений рессоры в процессе работы ТНА рессора со стороны насоса окислителя прижата к диску турбины пружиной, вставленной в цилиндрическую проточку цапфы шнека.

6.10 Уплотнения

Для уменьшения перетекания компонента из полостей высокого давления насоса в полости пониженных давлений на колесе выполнены узлы плавающих уплотнений. Плавающее уплотнение, установленное со стороны входа, имеет внутреннее плавающее кольцо. Уплотнение по валу насоса окислителя осуществлено аналогично уплотнению насоса горючего манжетным узлом и импеллером. Просочившийся через манжетное уплотнение окислитель по кольцевому каналу между внутренним диаметром трубки разделительного корпуса уплотнения и рессорой отводится к диску турбины и через отверстие в валу ротора выбрасывается в полость турбины.

На рабочем режиме насосная полость уплотняется импеллером, установленным на резьбовой части вала окислителя. Импеллер относительно вала фиксирован пластинчатым замком по пазу на валу.

Окислитель, просочившийся через плавающее уплотнение на ступице центробежного колеса, проходит через подшипник в импеллерную полость, осуществляя смазку и охлаждение подшипника, и отводится на вход насоса. Окислитель, просочившийся через плавающее уплотнение передней крышки колеса, сразу попадает на вход в колесо насоса.

6.11 Описание турбины ТНА

Таблица №1.22

Параметры проектируемой турбины

Тип турбины

Осевая, активная, одноступенчатая

Частота вращения

Окружная скорость на среднем диаметре лопаток

Расход газа

Давление

на входе

на выходе

Мощность

Коэффициент полезного действия

6.12 Описание конструктивного прототипа турбины

Одноступенчатая, активная турбина состоит из корпуса с сопловым и выхлопным аппаратами и рабочего колеса с валом.

6.13 Корпус

Корпус турбины выполнен из жаропрочной стали в виде фасонной цилиндрической втулки. К левому торцу корпуса турбины приварен корпус выхлопного аппарата. К правому торцу по наружной поверхности его, приварен сопловой аппарат турбины.

Сопловой аппарат выполнен в форме венца с семью фрезерованными рабочими соплами и одним пусковым соплом.

К пусковому соплу приваривается корпус пиростартера, а к корпусу соплового венца - входной газовый коллектор переменной площади сечения. К цилиндрической части входного газового коллектора приварен фланец, к которому, в свою очередь приваривается газогенератор. Сопловой венец выполнен из поковки (может выполняться и из штамповки) с последующей механической обработкой (точением и фрезерованием).

Входной газовый коллектор выполнен в виде патрубка из двух штампованных секторов, сваренных между собой. Двумя конусными диафрагмами сопловой аппарат приварен к стальному фасонному корпусу подшипника. В наружной конусной диафрагме выполнено семь окон для возможности крепления при помощи шпилек насоса горючего. Наружная диафрагма усилена семью ребрами жесткости. Жесткость внутренней конической диафрагмы повышена двенадцатью радиальными выштамповками. На корпусе соплового аппарата приварен штуцер для замера давления газа перед турбиной.

Выхлопной аппарат состоит из выхлопного коллектора с двумя выхлопными патрубками. Для увеличения жесткости выхлопного аппарата к нему приварены четыре ребра, цилиндрическая втулка и точеное кольцо Г- образного профиля, которое используется для крепления ТНА к раме двигателя.

Выхлопные патрубки установлены в двух диаметрально противоположных плоскостях. Они имеют коническую форму и состоят из трех штампованных секторов, сваренных между собой. Патрубки заканчиваются цилиндрическими участками, к которым привариваются фланцы для стыковки их с выхлопными трубами.

6.14 Рабочее колесо с валом

Ротор турбины состоит из диска и вала. Лопатки (96 шт.) выполнены электроэрозионным способом зацело с диском. Крепление бандажа к лопаткам диска осуществляется пайкой.

В диске турбины выполнена проточка для напрессовки его на вал. Фиксация диска относительно вала осуществлена шестью штифтами (диаметром 8 мм). Штифты от выпадения защищены кольцом, которое, в свою очередь, зафиксировано от осевых перемещений двумя штифтами (диаметром 3 мм). Штифты после запрессовки заварены по наружной поверхности, места сварки зачищены.

Внутри вала выполнены эвольвентные шлицы для передачи через рессору крутящего момента к насосу окислителя. В валу выполнено шесть отверстий диаметром 4мм для отвода в полость турбины компонентов, просочившихся из насосов сквозь манжетные уплотнения. Кроме того, на внешнем диаметре вала просверлено одно глубокое отверстие диаметром 3мм под штифт для передачи крутящего момента от вала к коллектору. На внешнем диаметре вала выполнены эвольвентные шлицы для передачи крутящего момента колесу насоса горючего.

7. Расчет элементов конструкции второй ступени

7.1 Выбор конструктивно-силовой схемы корпуса хвостового отсека

Сухие отсеки - это приборные, межбаковые, хвостовые отсеки, различного рода обтекатели. Сухие отсеки стрингерной и лонжеронной конструкции в связи с их легкостью, прочностью, простотой и технологичностью нашли наиболее широкое применение на ракетах большой дальности. С расширением возможностей технологий все чаще используют монолитные, гофрированные и многослойные обечайки.

159

Рис.2.1 Классификация сухих отсеков

При выборе материала необходимо учитывать множество требований, которые очень сложно оптимально сочетать в одном материале. Поэтому, в зависимости от конструктивного применения материала выделяют определяющие требования. Как правило, определяющим является требование минимальной массы при условии неразрушаемости конструкции. Наиболее эффективными являются конструкционные материалы с большой удельной жесткостью . Это отношение позволяет выбрать оптимальный материал не только по жесткости, но также и по массе. По этому показателю используемые для сухих отсеков материалы располагаются в следующем порядке: бериллиевые сплавы (5,24); магниевые сплавы (МА8-3,64); алюминиевые сплавы (Д16Т-3,16); стали (Х18Н9Т-1,72).

Выбираем для обшивки и силовых элементов сплав Амг6, руководствуясь его хорошей свариваемостью и большим модулем упругости. Этот материал широко распространен в ракетостроении, недорог и обладает хорошими прочностными показателями.

Характерным воздействием для сухих отсеков ракеты является сжатие этих отсеков. Поэтому разрушающим усилием будет являться усилие, приводящее к потере устойчивости. Потеря устойчивости может привести к разрушению всей системы, в то время как, например, явление текучести в растянутом элементе не всегда опасно для конструкции.

В приведенных ниже расчетах рассмотрены гладкая, стрингерная и вафельная конструктивно-силовые схемы хвостового отсека с определением массы каждой из схем. Расчет приводится для случая максимального нагружения хвостового отсека второй ступени, которое он испытывает в конце активного участка траектории первой ступени.

Для определения параметров конца активного участка траектории первой ступени воспользуемся программой Полет R.

Рис.2.2 Фрагмент отчета программы Полет R.

Исходные данные:

Перегрузка в конце АУТ первой ступени.

Скоростной напор.

Масса второй ступени и полезной нагрузки.

Коэффициент безопасности.

Длина хвостового отсека.

Материал обшивки хвостового отсекаАмг6.

Плотность материала

Предел прочности (при )

Предел текучести (при ).

Модуль упругости (при ).

Коэффициент Пуассона.

Сжимающая расчётная сила:

;

где

ускорение свободного падения в расчетной точке.

Расчет хвостового отсека с неподкрепленной, «гладкой» оболочкой

Толщина обшивки хвостового отсека:

.

где - коэффициент устойчивости.

Масса хвостового отсека с неподкрепленной обечайкой:

.

Расчет хвостового отсека подкрепленного стрингерами

Принимаем разрушающее напряжение для отсека из условия:

.

Шаг стрингеров из условия местной устойчивости обшивки:

;

где - толщина обшивки хвостового отсека.

Определяем число стрингеров:

.

Принимаем .

Сжимающее усилие, действующее на один стрингер:

.

Площадь поперечного сечения стрингера:

.

Рис.2.3 Расчётная схема стрингерного отсека

В качестве стрингера выбираем равнобокий уголок 410078 по ГОСТ 13737-90.

Таблица №2.1

Параметры профиля

Высота полки

Толщина полки

Радиус скругления

Радиус скругления

Площадь сечения

Момент инерции сечения

Координата центра тяжести

Ширина присоединенной обшивки:

.

Площадь присоединенной обшивки:

.

Определяем совместную площадь стрингера и присоединённой обшивки:

.

Вычисляем момент инерции стрингера с присоединённой обшивкой относительно наружной поверхности обшивки:

момент инерции присоединённой обшивки относительно собственной центральной оси:

;

координата центра тяжести присоединённой обшивки относительно наружной поверхности обшивки:

;

координата центра тяжести совместного сечения присоединённой обшивки и стрингера относительно наружной поверхности обшивки:

.

момент инерции стрингера с присоединённой обшивкой относительно центральной оси совместного сечения стрингера и обшивки:

.

Общая устойчивость стрингерного отсека

Критическое напряжение потери общей устойчивости отсека:

;

где - коэффициент, зависящий от характера закрепления концов стрингера.

- гибкость стрингера;

где

- радиус инерции сечения.

Условие общей устойчивости хвостового отсека:

- условие не выполняется.

Разделим хвостовой отсек по длине на несколько участков при помощи промежуточных шпангоутов:

- общее число шпангоутов отсека:

- число панелей по длине отсека:

- длина отдельной панели хвостового отсека:

Проводим повторные вычисления гибкости стрингера и критического напряжения потери общей устойчивости хвостового отсека.

Гибкость стрингера:

.

Критическое напряжение потери общей устойчивости отсека:

;

Условие общей устойчивости хвостового отсека:

- условие выполняется.

Коэффициент запаса общей устойчивости отсека:

.

Местная устойчивость стрингера

Критическое напряжение потери устойчивости ребра панельного отсека:

.

где - коэффициент устойчивости полки стрингера.

Коэффициент запаса устойчивости стрингера:

.

Местная устойчивость обшивки между соседними стрингерами

Критическое напряжение потери устойчивости обшивки:

Коэффициент запаса устойчивости обшивки:

.

Масса отсека стрингерной конструкции

Масса обшивки хвостового отсека:

.

Масса стрингеров:

Масса отсека:

.

Расчет хвостового отсека вафельной конструкции

Вафельные оболочки являются предельной формой стрингерно-шпангоутного силового набора. Вафельные оболочки изготавливают фрезерованием толстых листов, методом электрохимического фрезерования и др. При химическом травлении радиус сопряжения между ребром и обшивкой равен высоте ребра. В настоящее время такие оболочки практически не применяются, поскольку, из-за нерациональной формы ребер, они проигрывают в массе механически фрезерованным оболочкам.

По типу расположения ребер, вафельные оболочки различают на оболочки с продольно кольцевым, с перекрестным и с перекрестно кольцевым расположением ребер.

Для проектируемого хвостового отсека выбираем оболочку с перекрестно кольцевым расположением ребер.

Рис.2.4 Расчетная схема вафельной оболочки

Толщина стенки панельной оболочки:

.

где - безразмерный коэффициент, определяющий отношение толщины исходного листа к толщине стенки вафельной оболочки. Выбирается из диапазона .

- безразмерный коэффициент, определяющий отношение шага ребер к их толщине.

- коэффициент устойчивости вафельной оболочки. Выбирается из диапазона .

.

Толщина исходного листа:

.

Принимаем соотношение коэффициентов подкрепления в осевом и продольном направлении , так как оболочка нагружена осевой силой.

Шаг ячейки:

.

где

.

- безразмерный коэффициент. Выбирается из диапазона .

Толщина ребра в поперечном направлении:

.

Толщина ребра в кольцевом направлении:

.

Местная устойчивость обшивки

Критическое усилие потери местнойустойчивости оболочки:

.

Запас прочности:

.

Местная устойчивость продольных ребер

Критическое усилие потери устойчивости продольного ребра:

.

Запас прочности:

.

Масса отсека вафельной конструкции

Масса обшивки хвостового отсека:

.

Масса силового набора:

где

- площадь ребер в поперечном и кольцевом направлении.

- количество ребер в поперечном направлении.

- количество ребер в кольцевом направлении.

Масса отсека:

.

По результатам проведенных расчетов наименьшую массу имеет отсек вафельной конструкции.

Если определяющим критерием выбора конструктивно-силовой схемы отсека _ей_яется минимальная масса, то предпочтительнее использовать вафельную оболочку. Но если выбор вести и по критерию стоимости изготовления то предпочтительнее использовать оболочку, подкрепленную стрингерами, так как ее стоимость значительно ниже.

7.2 Расчет фермы полезной нагрузки

Рамные конструкции применяются в ЛА для крепления полезной нагрузки в герметичных контейнерах, приборов и аппаратуры, а также для установки двигателей в отсеках в отсеках больших габаритных размеров.

Конструктивные схемы рам определяются требуемой жесткостью конструкции. При выборе конструктивно-силовой схемы фермы учитывается назначение конструкции и требуется в основном определить необходимое число стержневых элементов, их взаимное расположение и число шпангоутов по заданным параметрам прочности и жесткости. При этом требуется обеспечить геометрическую неизменяемость системы, для чего фермы должны быть осесимметричными.

Силовая ферменная конструкция состоит из труб, штампованных фитингов с трубчатыми отростками для соединения сваркой с трубчатыми стержнями и из опор, с помощью которых ферма крепится к стыковочному шпангоуту.

Стержни, как правило, выполняются из труб, а при значительных нагрузках - из прессованных профилей: двутавров, швеллеров и т. д.

Фитинги ферменной конструкции обеспечивают не только жесткую механическую связь, но и также более равномерное распределение и передачу нагрузок.

Исходные данные:

Перегрузка в конце АУТ второй ступени.

Масса полезной нагрузки.

Радиус нижнего основания фермы.

Радиус верхнего основания фермы.

Высота фермы.

Число узлов фермы на меньшем основании.

Число стержней фермы.

Температура рабочей среды.

Марка материала фермыАмг6.

Предел прочности

Предел текучести .

Модуль упругости.

Рис.2.5 Расчетная схема фермы ПН

Расчетное усилие, действующее на ферму

Вес полезной нагрузки:

,

Осевая сила:

где - коэффициент динамичности ().

Перерезывающая сила:

.

где - коэффициент поперечной перегрузки ().

Изгибающий момент относительно меньшего основания фермы:

.

где - расстояние от центра тяжести ПН до верхнего основания фермы.

Расстояние между узлами по меньшему диаметру фермы:

.

Длина стержней:

Наибольшее касательное усилие на узел фермы в сечении :

;

;

.

Принимаем: .

Наибольшая осевая нагрузка на узел с угловой координатой (точка а):

.

Наибольшая осевая нагрузка на узел угловой координатой (точка b):

;

;

;

;

Принимаем за наибольшее расчетное усилие в стержне .

Расчет стержня фермы трубчатого сечения

Предельная гибкость стержня:

где - коэффициент заделки стержня, учитывающий жесткость закрепления стержня на опоре .

Потребная площадь поперечного сечения стержня:

.

Потребный момент инерции стержня трубчатого сечения:

.

По сортаменту стандартного проката подбираем трубу с максимально близкими значениями площади и момента инерции .

Для изготовления стержня фермы принимаем трубу Амг6 18х1,5 ГОСТ 18482-79, имеющую площадь сечения , момент инерции .

Действительные напряжения сжатия в стержне:

.

Действительная гибкость стержня:

.

Критическое напряжение при условии :

.

Условие устойчивости выполняется.

Коэффициент запаса устойчивости:

;

Коэффициент запаса находится в допустимых пределах .

7.3 Компенсация отверстий в баке окислителя второй ступени

При наличии отверстий в оболочках, сопротивляемость неподкреплённых стенок значительно снижается, поэтому возникает необходимость компенсировать это ослабление. Как показывают эксперименты, вблизи неподкреплённых отверстий имеет место значительная концентрация напряжений, причём местные напряжения имеют быстро затухающий характер.

Для компенсации ослабления и уменьшения концентрации напряжений, отверстие окантовывается добавочным материалом. Частично или полностью ослабление компенсируется также за счёт увеличения толщины оболочки. Однако увеличение толщины всей оболочки нерационально, так как приводит к излишней затрате материала и увеличению массы конструкции, поэтому увеличивают толщину оболочки только в некоторой зоне вблизи отверстия.

В баке окислителя второй ступени можно выделить следующие отверстия, выполненные в оболочке: боковой вырез под люк лаз, выполненный в верхнем днище и центральный вырез в нижнем днище под топливную магистраль.

Определение меридиональных и кольцевых погонных усилий в днищах бака окислителя будем проводить по безмоментной теории оболочек. Неточности вызванные допущениями при расчетах, компенсируются коэффициентом безопасности.

Исходные данные:

Радиус сферического днища бака.

Высота сферического днища.

Коэффициент безопасности.

Материал днищаАмг6.

Предел прочности материала днища.

Усиление отверстия под топливную магистраль

Так как нижнее днище бака окислителя нагружается гидростатическим давлением столба жидкости (давление наддува не учитывается, так как днище совмещенное, а давления наддува в баках горючего и окислителя равны), то наибольшие погонные усилия, _ействующие в оболочке, возникают в момент, когда достигает своего максимума произведение . Гидростатическое давление достигает своего максимума в конце активного участка траектории первой ступени и равняется .

Рис.2.6 Изменение произведения по времени полета.

Диаметр отверстия под ЗУ окислителя.

Диаметр соединения ЗУ и нижнего днища.

Наружный диаметр накладки.

Толщина нижнего днища.

Толщина накладки.

Рис.2.7 Геометрические параметры трубопровода окислителя

Общая площадь усиливающего элемента (кривизной фигур пренебрегаем):

.

Угол широты на границе отверстия:

;

где

.

Меридиональные погонные усилия на границе отверстия:

.

Нормальная растягивающая сила, действующая в кольце:

.

Напряжение, возникающее в кольце:

.

Максимальная расчетная нагрузка для материала накладки:

.

Условие прочности:

- не выполняется. Необходимо увеличить толщину накладки.

Принимаем новую толщину накладки .

Увеличенная площадь усиливающего элемента:

.

Напряжение, возникающее в кольце:

.

Условие прочности:

-выполняется.

Усиление отверстия под люк-лаз

Люк-лаз выполнен в верхнем днище бака окислителя, и расположен в стороне от оси симметрии днища. Такое отверстие подвержено комбинированному воздействию меридиональных и кольцевых усилий. При этом усиление такого отверстия будет воспринимать, наряду с растягивающими нагрузками и изгибающие моменты.

Рис.2.8 Верхнее днище и поперечное сечение фланца люка-лаза

Крышки люков-лазов должны герметично закрывать люк. Простейшая герметизация с помощью плоской прокладки не дает надежного уплотнения, поэтому герметизацию осуществляют установкой прокладки в замкнутом объеме и с применением выступов, врезающихся в прокладку.

Фланцы люков необходимы для размещения крепежных шпилек и для восприятия усилий от давления наддува. Минимальное сечение фланца определяется путем вычерчивания в натуральную величину, с учетом крепежных элементов и уплотнений, расположенных в нем. Далее определяем интересующие нас параметры сечения:

- - момент инерции относительно оси Х (ось перпендикулярна плоскости люка);

- - площадь эффективного (с учетом места под резьбу и пазов под уплотнения) сечения фланца.

Площадь образующего прямоугольника:

Площадь поперечного сечения резьбовой части:

.

Площадь выреза под уплотнение:

.

Площадь эффективного сечения фланца:

.

Рис.2.9 Расчетное сечение люка лаза

Момент инерции образующего прямоугольника:

.

Момент инерции сечения резьбовой части:

.

Момент инерции выреза под уплотнение:

Момент инерции сечения фланца относительно оси х:

.

Определим нормальные и касательные напряжения, действующие в сечениях фланца. Для этого построим эпюры изгибающих моментов, нормальных и перерезывающих сил на основании следующих зависимостей:

;

;

.

где - погонная нагрузка, вызванная действием меридиональных, кольцевых усилий. Определяется как среднее арифметическое погонных меридиональных (кольцевых) усилий, действующих на длине диаметра рассматриваемого выреза.

- диаметр средней линии фланца;

- диаметр проходного сечения.

- ширина фланца.

- угол в плоскости выреза, однозначно определяющий положение рассматриваемого сечения.

Таблица №2.2.

Распределение изгибающих моментов, нормальных и перерезывающих сил

0

0

0

6250

0

0

-1333

0

0

4917

10

-2922

16572

5873

623

-3534

-1252

-2298

13037

4620

20

-11336

31145

4788

2417

-6643

-1021

-8918

24502

3766

30

-24227

41962

3125

5167

-8950

-666

-19059

33012

2458

40

-40040

47718

1085

8540

-10177

-231

-31500

37540

853

50

-56868

47718

-1085

12129

-10177

231

-44738

37540

-853

60

-72681

41962

-3125

15502

-8950

666

-57179

33012

-2458

70

-85572

31145

-4788

18251

-6643

1021

-67320

24502

-3766

80

-93986

16572

-5873

20046

-3534

1252

-73940

13037

-4620

90

-96908

0

-6250

20669

0

1333

-76239

0

-4917

Наиболее нагруженное сечение (характеризуется максимальными изгибающим моментом и нормальной силой ):

Напряжение от действия момента :

.

Напряжения от действия растягивающей силы:

.

Напряжение от перерезывающей силы:

.

Эквивалентное нормальное напряжение:

.

Максимальная нагрузка для материала фланца:

.

Условие прочности:

- не выполняется. Необходимо изменить геометрические параметры фланца (целесообразнее изменять ширину фланца). При условие прочности выполняется .

Рис 2.10 Эпюры сил и моментов действующих в вырезе под люк-лаз: а) нормальная сила; б) перерезывающая сила; в) изгибающий момент

8. Технологический процесс сборки фермы крепления ПН

Анализ служебного назначения и технологичности изделия

Ферма предназначена для крепления под оболочкой головного обтекателя полезного груза, а также передачи и равномерного распределения усилий от его веса по несущей оболочке ракеты через верхний шпангоут бака окислителя.

Так как рамы являются сильно нагруженными конструкциями, основным материалом для них является высокопрочная конструкционная сталь. Алюминиевые и магниевые сплавы применяются значительно реже. Применение титановых сплавов и композитов связано со значительными конструктивными и технологическими трудностями, хотя они и дают значительный выигрыш в весе.

Рамы представляют собой пространственную трубчатую конструкцию, работающую в основном на сжатие. Их основной конструктивный элемент -- силовой треугольник из труб, связанных между собой в узлах специальными деталями, такими, как пяты и опоры.

Рис.3.1 Схема односекционной цельносварной рамы: 1- пята; 2- опора; 3- коническая законцовка трубы; 4- раскосы.

Рамы бывают цельные и секционные, что определяется особенностями сборки и их габаритными размерами. Секционные рамы не имеют силовой связи между секциями до полной сборки.

В большинстве своем рамы - это сварные конструкции. Пяты и опоры, как правило, литые или штампованные (с механически обработанными стыковочными элементами).

Основные требования, предъявляемые к рамам:

- высокая жесткость конструкции, то есть обеспечение минимальных упругих деформаций;

- высокая прочность - способность противостоять значительным статическим и динамическим (вибрация) силовым воздействиям;

- обеспечение собираемости с изделием; стыковочные геометрические параметры должны лежать в строго определенных пределах (например, непараллельность поверхности пят относительно их общей поверхности не более 0,2 мм и др.).

Технологический процесс изготовления сварных рам включает в себя:

- обработку деталей (заготовка труб, разделка концов, обработка опор, кронштейнов, косынок и др.);

- сборку и сварку узлов;

- общую сборку и сварку рамы;

- механическую обработку стыковочных мест;

- контроль геометрических параметров и испытания.

Опоры обычно выполняются из стального литья с последующей механической обработкой стыковочных мест (расточка патрубков). Часто используется сталь 08Х14Н7МЛ. Пяты чаще всего являются штампованными деталями, прошедшими механическую обработку из стали 12Х2НВ. Стальное литье проверяется рентгенографированием, штамповка проверяется магнитной порошковой дефектоскопией.

Особо ответственными элементами рамы являются трубы. Заготовки из труб подвергаются 100%-ному контролю. Трубы подвергаются термо- , пескоструйной и механической обработкам и подаются па сборку. Конические заготовки, которые нельзя сделать непосредственно из трубы, штампуются из круга и привариваются к трубе. Трубы и конусы часто изготавливаются из стали 12Х2НВФА.

Сборка является ответственным технологическим процессом, который во многом определяет геометрическую точность размеров рамы. Сборка осложняется тем, что рама является пространственной стержневой конструкцией с большим количеством сварных швов, что приводит к значительным сварочным деформациям.

Сварка рамы производится в специальном приспособлении, предназначенном для закрепления и ориентации узловых деталей, пят и опор. После их установки в приспособление проводится примерка труб, вставляемых между узлами. Трубы обрабатываются до необходимого размера и ввариваются между пятой и опорой (или между опорами); первыми выполняются кольцевые швы. Сваренную раму вынимают из приспособления; при этом неизбежно возникают сварочные деформации, исправляемые механической обработкой опор и пят в специальных приспособлениях. Пяты подвергаются обычно токарной обработке. Если рама секционная, обрабатывают одновременно все секции, используя специальное приспособление, обеспечивающее единство их баз. Опоры, как правило, фрезеруют; при этом для увеличения точности обработки увеличивают жесткость рамы, добавляя в конструкцию рамы специальные трубы-стяжки, крепящиеся на трубах рамы хомутами. При сверлении отверстий в опорах используются кондукторы, базирующиеся по предварительно фрезерованным поверхностям, а при получении отверстий в пятах кондукторы имитаторы стыковочной плоскости изделия (отсека).

Дополнительно для снятия внутренних напряжений в раме после сварки применяется термическая обработка в приспособлении для сборки.

Послесварочные деформации рамы не позволяют выдержать необходимую точность положения мест стыкования рамы с корпусом ракеты и мест присоединения камер сгорания. Поэтому в конструкции двигателя предусматривают устройства для регулирования положения опор. Если таких устройств нет, то стыковочные места механически обрабатываю с целью достижения заданной точности.

Выбор способа обработки опор зависит от величины послесварочных деформаций. Если они небольшие, то можно применить шлифование. При больших деформациях перед шлифованием целесообразно ввести операцию фрезерования. Соответствующий припуск на механическую обработку опор предусматривается при изготовлении опор, подставляемых на сборку и сварку рамы. Приспособление для фрезерования и шлифования опор может быть одно. Установка рамы на опоры может оказаться недостаточно жесткой, вследствие чего при обработке могут возникнуть нежелательные вибрации стоек. В этих случаях следует установить в приспособлении подводимые опоры к стойкам. При этом нужно следить, чтобы эти подводимые опоры не влияли при установке на основные опоры и не деформировали стойки.

После сборки раму обмеряют, проверяют на собираемость при входном контроле (при этом допускается определенный натяг).

Все рамы в цеховых условиях проходят проверку на укомплектованность, осматриваются, проверяется качество сборки и сварки. В доступных местах все швы проверяют рентгеноконтролем, а в недоступных капиллярной дефектоскопией. Одна рама из 10... 20 штук подвергается разрезке на металлографию сварных швов.

Не реже чем раз в год одна рама из партии проходит статические испытания на специальном стенде с имитаторами изделия. Нагрузки прикладываются ступенчато до момента разрушения рамы. Рама должна разрушаться при нагрузке, значительно больше рабочей. После разрушения рамы производят выборочное металлографическое исследование сварных швов и мест разрушения.

Динамическим испытаниям рама подвергается только в период ее доводки.

Маршрутно-технологический процесс сборки фермы полезной нагрузки

№ операции

Наименование операции

Содержание операции

Tопер, мин.

001

Подготовка узлов.

1. Провести визуальный осмотр на предмет отсутствия механических повреждений.

2. Свариваемые кромки деталей зачистить механическим способом (металлической щеткой, шабером, фрезой).

3. Произвести химическую обработку (травление, промывка, сушка, пассивация).

20

60

120

005

Сборка опор и конических законцовок.

1. Закрепить детали в приспособлении согласно операционной карте.

2. Проверить смещение свариваемых кромок.

10

5

010

Сварка опор и конических законцовок.

1. Установить параметры сварки согласно операционной карте.

2. Сварить опору и коническую заготовку в среде защитных газов.

3

8

015

Контроль качества сварных швов

1. Произвести визуальный контроль качества сварного шва.

2. Зачистить сварной шов.

3. Провести рентгенконтроль сварных швов.

8

45

60

020

Сборка опор и раскосов

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены