Разработка жидкостного ракетного двигателя первой ступени ракетоносителя

Содержание

Перечень условных обозначений и сокращений

Введение

1. Выбор системы подачи, схемы и основных параметров

1.1 Выбор системы подачи и схемы двигателя

1.2 Выбор величины давления в камере сгорания и в выходном сечении сопла

1.3 Выбор коэффициента избытка окислителя для случая применения плёночного охлаждения

1.4 Выбор и определение коэффициентов, характеризующих совершенство процессов в камере сгорания и сопле

2. Тепловой расчет камеры

3. Определение параметров системы подачи

3.1 Перепад давления в охлаждающем тракте камеры

3.2 Перепад давления на форсунках

3.3 Перепад давления на регуляторе тяги

3.4 Перепад давления на регуляторе соотношения компонентов

3.5 Гидравлическое сопротивление подводящих магистралей с сопротивлением согласующих дроссельных шайб и отсеченных клапанов

3.6 Давление в газогенераторе

3.7 Давление в выхлопной системе на выходе из турбины при реактивном выхлопе

3.8 Давление на входе в насосы

3.9 Выбираем КПД насосов

3.10 Подсчитаем давление подачи компонентов

3.11 Давление подачи горючего по линии камеры  и газогенератора

23.12 Найдем повышение давления в насосах

3.13 Определение удельных работ насосов окислителя, горючего и турбины

3.14 Находится относительный расход генераторного газа

3.15 Определяем удельный импульс генераторного газа

3.16 Вычислим значение коэффициента снижения удельного импульса за счет отбора части топлива для привода насосов

3.17 Определим соотношение компонентов по ДУ (баковое соотношение компонентов)

4. Профилирование внутреннего контура камеры

4.1 Определение объема камеры сгорания и ее основных геометрических размеров

4.2 Профилирование контура сверхзвуковой части сопла

5. Определение подогрева рабочего тела в тракте охлаждения камеры. влияние неадиабатности процесса

5.1 Подогрев рабочего тела в тракте охлаждения

5.2 Влияние неадибатности процесса на

6. Проектирование и расчет смесеобразования ЖРД

6.1 Выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки

6.2 Дополнительные устройства, располагаемые на смесительной головке камеры

6.3 Выбор типа форсунок

6.4 Выбор схем расположения форсунок на смесительной головке

6.5 Массовые расходы компонента

6.6 Расчет двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки

6.6.1 Упрощенный гидравлический расчет наружного контура двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки

6.6.2 Поверочный расчет двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки

7. Функциональное проектирование

7.1 Циклограмма запуска - останова двигателя

7.2 Компоновочная схема двигателя

7.3 Конструкция камеры

7.4 Расчёт теплозащиты элементов камеры

7.4.1 Выбор системы теплозащиты элементов камеры и вида охладителя

7.4.2 Подготовка данных для расчёта системы проточного охлаждения на ЭВМ

7.4.4 Расчет температуры стенки с учетом оребрения

7.4.5 Расчёт входного патрубка и коллектора охладителя

8. Расчет на прочность элементов камеры

8.1 Расчёт прочности смесительной головки

8.1.1 Расчёт на прочность форсуночного блока днищ

8.2 Расчет прочности корпуса

8.2.1 Расчет общей прочности камеры

8.2.2 Расчет на прочность сварного шва

8.2.3 Расчет местной прочности камеры

9. Выбор материалов элементов камеры двигателя

10. Последовательность сборки камеры

11. Разработка конструкции узлов качания камеры

11.1 Разработка узлов качания камеры

11.2 Расчет на прочность цапфы

12. Экономическое обоснование разработки конструкции камеры рулевого агрегата на основе ЖРД 11Д55

12.1 Оценка стоимости и структуры затрат на разработку двигателя

12.1.1 Оценка затрат на этапе создания ЖРД

12.1.2 Определение структуры затрат на разработку ЖРД

12.2 Определение размера экономии на стадии проектирования

12.2.1 Затраты на проектирование без использования информационных технологий

12.2.2 Затраты на проектирование с использованием информационных технологий

12.3 Определение размера экономии на стадии изготовления

12.4 Расчет размера экономии на стадии испытаний

12.5 Определение общего размера экономии от использования информационных технологий

13. Безопасность жизнедеятельности

13.1 Факторы, воздействующие на конструктора при работе за ПЭВМ

13.2 Анализ опасных и вредных факторов, возникающих при работе на компьютере и мероприятия, обеспечивающие снижение их отрицательного влияния

Заключение

Список использованных источников

Перечень условных обозначений и сокращений

Обозначения

А - геометрическая характеристика центробежной форсунки;

D, d - диаметр, м;

F - площадь, м²;

Н - шаг между форсунками, м;

 - удельный импульс, м/с;

K_m, K_m° - массовое и массовое стехиометрическое соотношение компонентов топлива;

L, 1 - длина, м;

n - средний показатель изоэнтропы;

Р - тяга, кН;

р - давление, МПа;

Ro - универсальная газовая постоянная,  W - скорость рабочего тела, м/с;

z - степень укорочения сопла;

а_ок - коэффициент избытка окислителя;

β - расходный комплекс, м/с;

ε - степень расширения газа в сопле;

λ - приведенная скорость;

π - степень расширения газа в турбине;

ρ - плотность,

τ - время, с.

Сокращения

ГГ - газогенератор;

ДУ - двигательная установка;

ЖРД - жидкостный ракетный двигатель;

ЛА - летательный аппарат;

ОС - окружающая среда;

ПДК - предельно допустимая концентрация;

Индексы

а - выходное сечение сопла;

г - горючее;

кс - камера сгорания;

маг - магистраль;

ок - окислитель;

опт - оптимальный;

п - пустотный;

пр - пристеночный;

р - расчетный;

с - вход в сопло;

т - топливо, турбина;

t - теоретический;

ф - форсунка;

я - ядро;

* - критическое сечение.

Введение

В настоящее время ведется интенсивное освоение космического пространства. Это требует разработки новых ракетных двигателей различных типов, как маршевых, так и вспомогательных, в широком диапазоне тяг.

С помощью современных космических аппаратов различного назначения решается комплекс народно-хозяйственных, военных и научно-технических задач. Дальнейшее эффективное освоение космического пространства требует разработки более надежных и экономичных РД с параметрами и характеристиками, позволяющими быть конкурентоспособными на мировом рынке.

Для выполнения основных требований задания, выбирается соответствующая схема двигателя, система подачи и охлаждения, величина давления в выходном сечении сопла, значение коэффициента избытка окислителя, допустимый уровень потерь в камере сгорания, сопле.

Результаты проектных расчетов используются в качестве исходных данных для детального проектирования двигателя, а также отдельных его узлов и систем. Детальное проектирование может потребовать корректировки данных проектного расчета. В этом случае вносятся изменения в значения параметров, принятых предварительно, и расчет уточняется.

1. Выбор системы подачи, схемы и основных параметров

1.1 Выбор системы подачи и схемы двигателя

В ЖРД применяются два вида систем подачи топлива - вытеснительная и насосная. При выполнении расчетов учитываем, что система подачи выбирается из условий получения минимальной массы двигательной установки при заданном давлении в камере сгорания.

В учебном пособии [2] приведены области применения насосных и вытеснительных систем подач в координатах τ-Р. При заданных тяге , времени работы целесообразно использовать насосную систему подачи.

В источнике [3] для вытеснительной системы приведён рекомендованный диапазон изменения , оно не должно превышать 2,5…3,0 МПа, а так как давление в камере сгорания - 7 МПа, то выбираем насосную систему подачи.

ЖРД с насосной системой подачи выполняется по трем схемам: без дожигания, с дожиганием генераторного газа и с испарением компонентов в тракте охлаждения камеры.

Для топлива керосин и О_2ж при давлении в камере сгорания  выбираем, согласно рекомендациям учебного пособия [2], схему двигателя без дожигания генераторного газа типа "жидкость + жидкость" и восстановительным газогенератором.

Окончательно выбираем двигатель с насосной системой подачи топлива, без дожигания генераторного газа типа "жидкость + жидкость" и восстановительным газогенератором.

жидкостный ракетный двигатель сопло

1.2 Выбор величины давления в камере сгорания и в выходном сечении сопла

Давление в камере сгорания не выбирается, т.к. оно указано в задании на проектирование.

Известно, что наибольшую тягу камеры обеспечивает сопло, работающее на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла равно атмосферному р_а = р_н. Поэтому давление в выходном сечении сопла р_а должно быть близким к среднетраекторному значению атмосферного давления р_н. Так как траектория полета ракеты не задана, то определение этого среднетраекторного давления не представляется возможным.

Для ориентировочных расчетов можно применять следующий уровень давления р_а [3]:

для двигателя первых ступеней ракет - 40…80 кПа;

для двигателя вторых ступеней ракет - 10…20 кПа;

для двигателя третьих ступеней ракет и КА - 5…10 кПа.

Проектируемый двигатель предназначен для первой ступени ракеты - носителя, выбираю .

Степень расширения продуктов сгорания в сопле:

,

1.3 Выбор коэффициента избытка окислителя для случая применения плёночного охлаждения

С целью снижения расхода компонентов на создание внутреннего охлаждения применяется плёночное охлаждение.

Коэффициент избытка окислителя  или непосредственно связанное с ним сообщение компонентов K_m выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная эффективность летательного аппарата. Известно, что она может характеризоваться конечной идеальной скоростью полета, рассчитанной по уравнению К.Э. Циолковского.

,

где  - среднее значение удельного импульса на активном участке полета ракеты;

 = m_н/m_к - массовое число ракеты, равное отношению ее начальной и конечной массы.

Согласно [3], максимальная величина V_ид соответствует максимуму произведения .

Для первой ступени С определяется выражением:

,

а для верхних ступеней:

,

где  - масса аппарата, пропорциональная объему топлива.

Для ориентировочных расчетов можно принять: для первых ступеней . Тогда при заданном

В современных ЖРД, помимо наружного регенеративного охлаждения камеры, широко применяется внутреннее охлаждение, реализуемое за счет создания пристеночного слоя с пониженной температурой или организацией пленочных завес.

Выбор  для случая применения плёночного охлаждения

Выберем предварительное значение оптимального коэффициента избытка окислителя в ядре потока по графику , приведенному в справочнике [2].

Для топлива Керосин и О_2ж при  МПа и  находим .

Выберем пять значений α_{ок я}, больших и меньших, чем α’_{ок я опт}:

) ; 2) ; 3) ; 4) ; 5) .

Определяем расход компонента, используемого для плёночного охлаждения.

Для ориентировочных расчетов могут быть приняты следующие значения относительного расхода на плёночное охлаждение  [3]:

для камер с тягой до 300 Кн - ;

для камер с тягой более 300 Кн - .

Выбираю, .

По таблицам справочника [2] для топлива Керосин и О_2ж при  МПа, , для принятых в п.1.3.2 значений  находим плотность топлива  и удельный импульс тяги в пустоте .

Для топлива Керосин и О_2ж при  МПа и , и принятых значений  выписываем из справочника [2] необходимые , интерполяционные коэффициенты и .

) ; м/с; С₁ = 2,535; С₂ = 0,0537; С₃ = 43,69; .

) ; м/с; С₁ = 5,305; С₂ = 0,0434; С₃ = 49,24; .

) ; м/с; С₁ = 1,775; С₂ = 0,0335; С₃ = 26,03; .

) ; м/с; С₁=2,955; С₂=0,0313; С₃= 29,22;

.

) ; м/с, С₁=2,330; С₂ =0,0350; С₃ =27,82; .

Если значения ,  и  не совпадают, то по данным в таблице значениям , находим методом интерполяции значения  по формуле:

 

, (1)

где  - энтальпия топлива,

 - коэффициенты экстраполяции из справочника [2].

Энтальпия топлива находится по формуле:

 - энтальпия топлива,

где  - энтальпия горючего и окислителя соответственно из справочника [2].

Для проектируемого двигателя  и  совпадают с табличными значениями  и , а  не совпадает с , то выражение (1) упрощается.

 

.

Определим  для всех принятых значений :

)        ; ;

2)      ; ;

3)      ; ;

4)      ; ;

5)      ; .

Рассчитаем среднюю плотность топлива в камере:

.

Для соответствующих  получим:

) ;

) ;

) ;

) ;

) .

Определим средние теоретические значения удельного импульса тяги камеры в пустоте:

.

Определим значения комплекса :

Построим график зависимости  (рисунок 1).

Рисунок 1 - График зависимости

По графику (рисунок 1) находим .

Определим значение удельного импульса тяги, по приведенному выше соотношению. В данном случае  не совпадает с табличным значением, поэтому необходимо учесть изменение энтальпии топлива.

По справочнику [2]   при ,  МПа и .

Определим энтальпию топлива при :

Определим удельный импульс тяги:

.

Определим среднее теоретическое значение удельного импульса тяги камеры в пустоте.

Из справочника [2] для топлива Керосина и О_2Ж выписываем значение массового стехиометрического соотношения компонентов при : .

Соотношение компонентов в ядре потока:

Относительный расход окислителя через ядро потока:

Относительный расход горючего через ядерные форсунки:

Относительный расход горючего через камеру сгорания:

Среднее массовое соотношение компонентов по камере сгорания:

;

.

Среднее значение коэффициента избытка окислителя:

;

.

1.4 Выбор и определение коэффициентов, характеризующих совершенство процессов в камере сгорания и сопле

При работе двигателя (в реальных условиях) имеют место потери удельного импульса тяги, вследствие несовершенства процесса горения, неравномерности течения газа, трения и других причин. Существует ряд коэффициентов, позволяющих учесть степень снижения . Выберем коэффициент , учитывающий потери импульса из-за несовершенства рабочего процесса непосредственно в камере сгорания. Он зависит, главным образом, от качества организации процессов смесеобразования в камере. Для современных камер сгорания величина  колеблется в пределах 0,96…0,99.

Для проектируемого двигателя тягой 75 кН выберем =0,99.

Определим теоретическое значение геометрической степени расширения сопла для ядра потока :

, (2)

С помощью таблиц справочника /2/ для топлива Керосина и О_2ж определяем "опорные" значения , , а также коэффициенты экстраполяции  при МПа, :

;  = - 29,01; ; ,

.

Так как для ядра потока табличные данные по давлению в камере сгорания  и коэффициенту избытка окислителя  не совпадают с заданными  и , то выражение (2) примет вид:

;

;

.

Определяем значение геометрической степени расширения сопла для камеры:

;

.

Для определения оптимальной степени укорочения сопла зададимся несколькими её значениями:

Рассчитаем безразмерные радиусы:

Определим потери на рассеяние при различных степенях укорочения сопла:

;

где ;

.

Рассчитаем значения параметров  и .

Показатель изоэнтропы n возьмём из справочника [2] для своего для ядра потока: n = 1,123.

;

.

Тогда из уравнения для :

;

Определим потери на трение при различных z:

.

В учебном пособии [3] предлагается .

Выбираем , тогда

Определим потери из-за химической неравновесности:

.

Диаметр критического сечения в первом приближении найдём по опорным данным  для ядра потока:

По графикам из справочника [2] найдём:

; .

Определяем значение оптимальной степени укорочения сопла z.

Для этого находим  и строим график зависимости  (рисунок 2):

)        ;

2)      ;

3)      ;

4)      ;

5)      ;

)        .

По графику находим минимальное значение потерь .

Оптимальное значение выбираем при несколько более высоком  в области меньших z, что позволяет значительно уменьшить длину сопла:

;

тогда .

Определим значение  из зависимости:

; .

Рисунок 2 - График зависимости

2. Тепловой расчет камеры

Изобразим расчетную схему камеры. Укажем основные сечения (рисунок 3).

Рисунок 3 - Расчетная схема камеры ракетного двигателя

С учетом принятых значений коэффициентов избытка окислителя в ядре потока, при известном , определим значение расходного комплекса. Для этого используем данные из [2], а для их уточнения интерполяционное соотношение:

;

Для ядра потока:

, , , , ;

;

.

Теоретическое значение расходного комплекса в камере сгорания:

;

.

Действительное значение расходного комплекса в камере сгорания:

;

 м/с.

Относительная площадь камеры сгорания:

;

.

Определим коэффициент скорости  на входе в сопло.

В первом приближении  берём из учебного пособия [3], определяем предварительное значение и уточняем его по следующей формуле:

.

Здесь  - средний показатель изоэнтропы расширения в интервале от  до , для условий течения в ядре потока. Определим его по справочнику [2] для критического сечения.

В этом выражении λ_к задано в неявном виде. В первом приближении λ_к = 1,3 берем из [3] для .

Вычисление  произведено с помощью оператора "root” математического пакета MathCad.

Получим окончательно =0,127.

Коэффициент восстановления давления торможения:

;

.

Коэффициент снижения удельного импульса из-за неизобаричности камеры сгорания

,

где n = 1,144 - средний показатель изоэнтропы расширения в интервале от p_со до p_а для ядра потока, определяется для соответствующей степени расширения ε = 2000.

;

 МПа.

Тогда:

.

Действительная геометрическая степень расширения сопла:

Удельная площадь критического сечения:

;

Удельная площадь выходного сечения:

;

Определим температуру на входе в сопло  при известном . По справочнику [2] находим ближайшие теоретические значения расходного комплекса  для ядра потока, а также коэффициенты экстраполяции  при МПа, . Используя последнее находим  для камеры двигателя с помощью соотношения:

 

,

где =3773K, =35,74, , ,

.

Действительное значение удельного импульса в пустоте:

.

Из предыдущих расчетов:

; ;

.

Среднее значение скорости в выходном сечении сопла:

Определим газовую постоянную для условий течений в выходном сечении сопла:

,

где R₀ - универсальная газовая постоянная,

Определим среднюю температуру газа в выходном сечении сопла:

;.

Определим массовый расход топлива через камеру сгорания:

.

Для схемы с дожиганием генераторного газа = 0, значит:

 кг/с.

Определим расход окислителя через камеру сгорания:

;

 кг/с.

Определим расход горючего через камеру сгорания:

;

 кг/с.

Определим расход топлива через форсунки:

;

 кг/c.

Определим расход окислителя через форсунки:

;

 кг/с.

Определим расход горючего через форсунки:

; кг/c.

Определим площадь критического сечения камеры сгорания:

;

=34,81.

Определим площадь выходного сечения сопла:

;

=5362.

Определим площадь цилиндрической части камеры сгорания:

;

=179,1.

Определим диаметр критического сечения камеры сгорания:

;

м =66,58мм.

Определим диаметр выходного сечения сопла:

; м =826,3 мм.

Определим диаметр цилиндрической части:

;м=151мм.

3. Определение параметров системы подачи

Окончательно выбираем схему ЖРД с насосной системой подачи топлива, без дожигания генераторного газа, приведенного на рис.4, с двухкомпонентн-м газогенератором, работающим на компонентах топлива основного топлива. Охладителем является горючее, т. к оно имеет меньшую коррозионную активность, зазор охлаждающего тракта получается меньшим и, следовательно, более технологичным. Кроме того, оно обеспечивает существенно большую надежность двигателя.

Рисунок 4 - Структурная схема проектируемого двигателя.

Регулятор соотношения компонентов для камеры сгорания (регулируемый дроссель) поставим на линию горючего, т. к расход на ней меньшей габариты и регулятора получаются более приемлемыми, а достижение заданного перепада давления на регуляторе сопровождается меньшей потерей мощности насоса. Кроме того, горючее обычно менее агрессивно.

Регулятор тяги ставиться на линии питания газогенератора. При восстановительном газогенераторе регулятор устанавливают на линии окислителя, так как расход окислителя меньше и размеры регулятора будут меньше. Для стабилизации соотношения компонентов газогенератора ставят корректор  на линии горючего.

3.1 Перепад давления в охлаждающем тракте камеры

.

.

3.2 Перепад давления на форсунках

.

Принимаем

3.3 Перепад давления на регуляторе тяги

.

3.4 Перепад давления на регуляторе соотношения компонентов

.

3.5 Гидравлическое сопротивление подводящих магистралей с сопротивлением согласующих дроссельных шайб и отсеченных клапанов

.

3.6 Давление в газогенераторе

.

3.7 Давление в выхлопной системе на выходе из турбины при реактивном выхлопе

Выбираем

3.8 Давление на входе в насосы

3.9 Выбираем КПД насосов

КПД насоса окислителя  [2]

Принимаем

КПД насоса горючего  [2]

Принимаем

КПД насоса турбины  [2]

Принимаем

3.10 Подсчитаем давление подачи компонентов

Для этого по структурной схеме (рис.4) вычисляется сумма гидравлических сопротивлений. Давление подачи окислителя по линии камеры  и газогенератора :

Выбираем большее

3.11 Давление подачи горючего по линии камеры  и газогенератора

Выбираем большее

3.12 Найдем повышение давления в насосах

;

.

3.13 Определение удельных работ насосов окислителя, горючего и турбины

; ; ,

где  - давление на входе в сопловой аппарат турбины,

,  - соответствующие плотности окислителя и горючего,

 - массовое соотношение компонентов,

 - газовая постоянная,

 - показатель изоэнтропы расширения продуктов сгорания.

По справочнику [1] для топлива аэрозин 50 и АТ

 

Давление на входе в сопловой аппарат турбины принимается

.

Значения R_гг, T_гг, n определяются по приложению 1 методических указаний [2].

Температура газа на входе в турбину ТНА двигателей без дожигания генераторного газа обычно лежит в пределах , то с целью ее получения в топливе, подаваемом в газогенератор, создают существенный избыток горючего или окислителя.

Выберем температуру генераторного газа на номинальном режиме . Определим:

Определяем удельные работы

3.14 Находится относительный расход генераторного газа

,

3.15 Определяем удельный импульс генераторного газа

Эффективность утилизационного сопла количественно оценивается по величине удельного импульса тяги, развиваемого выхлопным соплом, с помощью соотношения

,

где К_{р. гг} - коэффициент тяги.

Генераторный газ, проходя через турбину, часть своей энергии "срабатывает" и расходный комплекс генераторного газа уменьшается в соответствии с коэффициентом полезного действия турбины:

,

где

,  - значения расходного комплекса генераторного газа перед турбиной и в реактивном сопле соответственно;  - эффективный КПД турбины,

,

где  - КПД турбины, включающий лопаточный и механический КПД.

Значения  и К_{р. гг} определяются с помощью выражений:

,

,

где р_{а. т} - давление на выходе из реактивного сопла.

Рассчитаем все значения для определения удельного импульса генераторного газа

;

3.16 Вычислим значение коэффициента снижения удельного импульса за счет отбора части топлива для привода насосов

.

.

3.17 Определим соотношение компонентов по ДУ (баковое соотношение компонентов)

.

.

4. Профилирование внутреннего контура камеры

4.1 Определение объема камеры сгорания и ее основных геометрических размеров

Ввиду сложности рабочего процесса, происходящего в КС, еще не создано последовательного теоретического метода расчета потребного объема V_к обеспечивающего полное сгорание топлива, поэтому для его определения воспользуемся эмпирической зависимостью.

,

где  - характерное время пребывания продуктов сгорания в камере;

 - плотность продуктов сгорания (по ядру потока).

Значение τ_п, обеспечивающее высокую полноту сгорания, зависит от системы смесеобразования, природы топлива и параметров рабочего процесса в камере, ее размеров. Определяется экспериментально и находиться в пределах τ_п = 0,0015.0,005 с (большим  соответствуют меньшие τ_п) [1]. Для данного топлива возьмём τ_п = 0,0013 с.

Определим плотность продуктов сгорания на входе в сопло:

,

 кг/кмоль - берется из справочника [1]. Получаем:

;

Для камер сгорания цилиндрической формы относительная площадь , в зависимости от относительной расходонапряженности  и расходного комплекса , определяется при проведении термогазодинамических расчетов (значения F_к и D_к=D_гол, могут корректироваться в незначительных пределах при проектировании смесеобразования). При известной величине F_{к -} длина цилиндрической части L_ц определяется по ее объему

V_ц: ,

 

где V_сж - объем сужающейся дозвуковой части сопла.

Значение V_сж подсчитывается, исходя из геометрических соотношений по выбранному профилю сужающейся части сопла Лаваля:

,

где  - угол раствора.

Примем .

м³;

 м³.

Определим длину цилиндрической части камеры сгорания по объему и площади сечения:

Отношение длины цилиндрической части к её диаметру:

.

Радиус скругления профиля критической области сопла:

.

Исходя из условий сопряжения для придания соплу плавных очертаний выбираем:

;

м=66,58мм.

Входной канал сопла целесообразно очерчивать плавно сопряженными кривыми с радиусом на входе . Из условий сопряжения выбираем:

=;

=1,0×0,07550 = 0,07550 м=75,5мм.

4.2 Профилирование контура сверхзвуковой части сопла

Для построения контура расширяющейся сверхзвуковой части сопла используем приближенный метод, основанный на результатах решения вариационной задачи о нахождении оптимального контура сопла [2]. Безразмерную длину сверхзвуковой части сопла определим с помощью выражения:

;

где

 

Тогда:

.

Длину сверхзвуковой части сопла определим с помощью выражения:

По зависимости из методических указаний [3], для рассчитанных  и определим углы наклона контура на входе в закритическую часть сопла и на срезе сопла

По полученным геометрическим характеристикам, используя указания [3], построим профиль камеры двигателя (рисунок 6).

5. Определение подогрева рабочего тела в тракте охлаждения камеры. влияние неадиабатности процесса

5.1 Подогрев рабочего тела в тракте охлаждения

В качестве охладителя будем использовать горючее - жидкий водород. Это обусловлено высокой газовой постоянной данного компонента.

Определим по чертежу (рисунок 6) эффективные углы наклона дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла  и :

Количество тепла, отводимого от 1 кг продуктов сгорания на цилиндрическом участке камеры:

,

где  - относительная длина камеры сгорания;

;

 - плотность теплового потока в области критического сечения.

Для данного топлива, используя приложение 2 из [3], определим .

Тогда:

.

Количество тепла, отводимого от 1 кг продуктов сгорания на участке сопла:

Жидкий водород - криогенное горючее, поступающее в тракт охлаждения при Т_кип = 20 К. В тракте охлаждения все тепло идет на фазовый переход жидкого водорода в газообразный водород и нагрев части водорода. Поэтому температура компонента на выходе из тракта охлаждения при наличии фазового перехода:

,

где  - подогрев компонента при фазовом переходе,

;

 - теплота парообразования,

 - температура кипения компонента,

 - изобарная теплоемкость компонента,

 - количество компонента в тракте охлаждения на 1 кг продуктов сгорания.

Выпишем из [4] необходимые параметры жидкого водорода:

Тогда:

 К.

5.2 Влияние неадибатности процесса на

Теплоотвод на участке сопла (обусловленный охлаждением) приводит к потерям . Коэффициент потерь может быть определен по зависимости:

;

где изменение энтальпии на выходе из сопла, обусловленное отводом тепла, определяется по выражению:

Тогда:

;

.

6. Проектирование и расчет смесеобразования ЖРД

6.1 Выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки

В начале дипломного проекта была окончательно выбрана схема ЖРД с насосной системой подачи топлива, без дожигания генераторного газа и c восстановительным газогенератором. Поэтому выбираем плоскую смесительную головку с двойным дном, так как в нашем случае двигатель без дожигания генераторного газа. Окислитель О_2ж поступает в камеру в жидком газообразном виде, а горючее Керосин в газообразном.

Такая головка имеет простую конструкцию и позволяет достаточно хорошо обеспечить однородность поля скоростей и концентраций топлива по поперечному сечению камеры сгорания.

6.2 Дополнительные устройства, располагаемые на смесительной головке камеры

Поскольку компоненты топлива Керосин и  несамовоспламеняющиеся, то на смесительной головке камеры необходимо установить воспламенительное устройство, обеспечивающее воспламенение топливной смеси в камере в момент запуска двигателя.

Установим два воспламенительных устройства на смесительной головке камеры сгорания.

Так же будет установлен отсечной клапан окислителя.

Другие устройства на смесительной головке располагать не предусматривается.

6.3 Выбор типа форсунок

Двухкомпонентная форсунка является элементарным смесителем и обеспечивает смешение компонентов в требуемом соотношении.

Выбираем для ядра потока двухкомпонентную центробежно-центробежную форсунку с тангенциальным способом получения закрутки потока компонента, с внутренним смешением, так как компоненты топлива Керосин и  - несамовоспламеняющиеся.

6.4 Выбор схем расположения форсунок на смесительной головке

Выбираем схему расположения двухкомпонентных форсунок по концентрическим окружностям, так как она является наиболее простой и технологичной. Шаг между ядерными двухкомпонентными центробежно-центробежными форсунками Н связан с диаметром плоской головки камеры сгорания  соотношением:

.

Для цилиндрической камеры сгорания  равен диаметру камеры сгорания , который был определен ранее, .

Тогда шаг между осями форсунок:

,

Внешний диаметр форсунки  определяется следующим выражением.

,

.

Окончательно принимаем ,.

На рисунке 7 изобразим схему расположения форсунок с полученными размерами.

Рисунок 7 - Схема расположения форсунок

По этому рисунку определяем число двухкомпонентных форсунок: .

6.5 Массовые расходы компонента

Зная число форсунок в ядре головки , а также массовые расходы компонентов, можно определить расходы этих компонентов через одну форсунку: массовый расход через одну двухкомпонентную форсунку генераторного газа:

,

где  - массовый расход генераторного газа через форсунки.

;

массовый расход окислителя через одну двухкомпонентную форсунку:

,

где  - массовый расход окислителя через форсунки.

.

6.6 Расчет двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки

6.6.1 Упрощенный гидравлический расчет наружного контура двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки

Наружный контур двухкомпонентной струйно-центробежной форсунки представляет собой центробежную жидкостную форсунку. Определим диаметр камеры закручивания , приняв толщину стенки форсунки :

Зададим число входных отверстий  и их диаметр .

По рисунку 8 из учебного пособия [3] определим длину входного отверстия .

Отношение  находится в пределах, рекомендованных в [3].

Радиус, на котором расположена ось входного отверстия:

В целях упрощения конструкции выберем форсунку открытого типа. Для такой форсунки диаметр сопла .

Oпределим геометрическую характеристику форсунки;

По полученному коэффициенту А, используя график  из учебного пособия [3], определим значения коэффициента расхода форсунки  и угла распыла жидкости .

Зная расход окислителя, определим потребный перепад давления на форсунке:

,

где  - плотность окислителя перед форсункой,  - площадь сопла форсунки.

Плотность окислителя перед форсункой:

.

Площадь сопла форсунки:

.

Перепад давления на форсунке:

.

Полученный перепад давления на форсунке соответствует выбранному ранее перепаду давления =1 МПа.

6.6.2 Поверочный расчет двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки

Для более точного определения коэффициента расхода форсунки необходимо учесть некоторые дополнительные параметры ее конструкции. Для учета влияния параметра , определим по графику  из [3], коэффициент . С помощью этого коэффициента сделаем поправку геометрической характеристики А:

.

По графику, представленному на рисунке 6.13 [3], в зависимости от значений , уточняем соответствующее значение коэффициента расхода :

;

;

.

Влияние степени раскрытия форсунки на коэффициент расхода форсунки и угол распыла:

;

.

По графику  определим поправочный коэффициент .

Влияние относительной длины сопла на коэффициент расхода форсунки и угол распыла:

, где ,

.

По графику  определим поправочный коэффициент .

Влияние относительной длины входных отверстий на коэффициент расхода форсунки и угол распыла:

.

По графику  определим поправочный коэффициент .

Погрешность расходного комплекса:

;

.

Уточнение не требуется, так как погрешность составляет допустимые 3%. Начертим продольное и поперечное сечения форсунки в масштабе 10: 1 (рисунок 8).

Рисунок 8 - Схема двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки

Оценим проведенные расчеты:

;

;

Видно, что полученная погрешность Δ = 0% < 3%, т.е. расчеты можно считать хорошими.

7. Функциональное проектирование

На рисунке 9 изображена пневмогидравлическая схема ДУ ЖРД 1-й ступени, работающего на керосине и кислороде. На схеме линиями изображены трубопроводы, двойными линиями - механические связи. К схеме прилагается перечень агрегатов (таблица 1).

Рисунок 9 - Пневмогидралическая схема ДУ

Таблица 1 - Перечень агрегатов к схеме ПГС ДУ.

№	Наименование	Кол-во	Тип
1	Теплообменник	1
2	Обратный клапан	2
3	Регулятор расхода	1
4	Главный клапан горючего	1	пироклапан
5	Клапан окислителя	1	пироклапан
6	Регулятор системы СОБ	1
7	Насос окислителя	1
8	Насос горючего	1
9	Турбина ТНА	1
10	Главный клапан окислителя ЖГГ	1
11	Пирозапал ЖГГ	1
12	ЖГГ	1	восстановительный
13	Пороховой стартер турбины ТНА	1
14	Стабилизатор соотношения компонентов	1
15	Клапан горючего ГГ	1
16	Блок продувки	1
17	Камера	4	Отсечной клапан окислителя	4
19	Обратный клапан продувки	8
20	Датчик давления	4
21	Пневмореле	4
22	Пирозапал камеры	8
23	Датчики уровня СОБ	1
24	Бак горючего	1
25	Бак окислителя	1

По команде "запуск" и срабатывании пневмореле 21, контролирующих давление в баках:

подаётся команда на включение продувки полостей камер 17 и ГГ 12 гелием, поступающим из ГАД через обратные клапаны. Магистраль керосина продувается для вытеснения воздуха. Полости О₂ камеры и ГГ продувается в связи с тем, что окислитель является запаздывающим компонентом.

компоненты заливают насосы 7 и 8 до клапанов 5, 4 и начинается захолаживание насоса, при котором пары компонентов вытесняются в баки.

Через 0,3 с после команды "запуск" при повышении давления вследствии продувки и срабатывании пневмореле подаётся команда "зажигание" и электрический ток поджигает пирозапалы 11 и 22. Через 0,3 с после команды "зажигание" подаётся команда на открытие клапанов 4 и 5, компоненты поступают в камеры, где и начинается горение, клапан блока продувки 16 закрывается.

Керосин под давлением наддува последовательно проходит через охлаждающие тракты камеры и ЖГГ, головку ЖГГ, турбину, головку камеры. Часть выбрасывается через камеру в окружающее пространство, захолаживая агрегаты двигателя, а другая идёт на наддув бака горючего.

В ГГ происходит воспламенение компонентов и турбина переходит на питание генераторным газом, а обратные клапаны закрываются. При этом генераторный газ из-за турбины 9 выбрасывается в окружающее пространство с помощью верьерных сопел.

При повышении давления в камере срабатывает пневмореле 21, по команде системы управления производится перестройка регулятора расхода 3 и двигатель с промежуточной ступени тяги плавно выходит на главную.

Для обеспечения обратной связи между камерой и регулятором 3 служит датчик давления 20.

Наддув баков при работе на режиме главной ступени осуществляется подачей генераторного газа в бак горючего и подачей окислителя, газифицируемого в испарители 1, в бак окислителя.

Регулирование одновременного опорожнения баков осуществляется с помощью дроссельного регулируемого устройства 6. Выключение двигателя производится в следующем порядке:

по команде "выключение" закрываются клапаны 10 и 15 и горение в ЖГГ прекращается.

через 0,3 с закрываются клапаны 4, 5, 21 и после испарения остатков окислителя в полости головки горение в камере также прекращается.

7.1 Циклограмма запуска - останова двигателя

На ПГС состояние агрегатов изображают в момент времени, предшествующий предпусковой подготовке. Включение агрегатов и характер их срабатывания указаны на циклограмме. Она представляет собой график, по оси абсцисс которого откладываются интервалы времени с начала запуска или останова до момента срабатывания того или иного агрегата автоматики, а по оси ординат изменение давления газа в камере. Циклограмма работы ДУ изображена на рисунке 10. Знак " + ” включение агрегата в работу, " - ” выключение. Под осью абсцисс проставлены номера позиций агрегатов, указанные на ПГС.

Рисунок 10 - Циклограмма работы ДУ

7.2 Компоновочная схема двигателя

Компоновочная схема двигателя показывает взаиморасположение агрегатов двигательной установки и камеры друг относительно друга.

На рисунке 11 представлены камеры в сборе с турбонасосным агрегатом, трубопроводами подачи топлива и элементы крепления камер.

Рисунок 11 - Компоновочная схема двигателя

 

7.3 Конструкция камеры

Паяно-сварная камера двигателя изготовлена из стали Х18Н9Т и бронзы БрХ08. Она состоит из смесительной головки и корпуса. Смесительная головка служит для приготовления топливной смеси, а корпус образует газовый тракт камеры.

Смесительная головка состоит из корпуса, трех днищ и двухкомпонентных струйно-центробежных форсунок. Внутреннее и среднее днища соединены вместе форсунками горючего пайкой для обеспечения герметичности полостей. Блок днища состоит из корпуса, в котором просверлены отверстия под струйно-центробежные форсунки. Внутреннее днище сварено встык со стенкой корпуса камеры, а корпус головки через соединительное кольцо с рубашкой корпуса камеры. На корпусе камеры расположены два коллектора. Один служит для отвода охладителя (горючего) из рубашки охлаждения, другой - для его подвода, и находиться около среза сопла. Также существует третий коллектор для подвода окислителя. Он расположен на головке камеры. Наружное днище тороидальной формы и служит для подвода горючего. Выбрано днище именно тороидальной формы, исходя из компоновки двигателя. В центре наружного днища установлен искровой воспламенитель для воспламенения основной смеси.

Корпус камеры состоит из двух оболочек: внутренней (стенки) и наружной (рубашки). Оболочки соединены между собой рёбрами с помощью пайки. В конце расширяющейся части сопла установлен коллектор - кольцевой трубопровод для ввода охладителя (горючего) в тракт охлаждения. Коллектор состоит из распределительного кольца и обечайки. В кольце имеются отверстия, через которые охладитель поступает в каналы между рёбер.

 

7.4 Расчёт теплозащиты элементов камеры

7.4.1 Выбор системы теплозащиты элементов камеры и вида охладителя

Выбор охладителя. В качестве охладителя обычно используется тот компонент, который обладает слабым коррозионным воздействием на конструкционные материалы, большей теплопроводностью, лучшей охлаждающей способностью. В данном случае этим компонентом является керосин.

Был проведён расчёт проточного охлаждения. Охладитель, протекая по тракту охлаждения, образованному стенкой, рубашкой корпуса, внутренним и средним днищами головки камеры, поглощает всё тепло, передаваемое стенке и днищу.

Проточное охлаждение может быть регенеративным и автономным. Выбираем регенеративное охлаждение. При таком охлаждении тепло от газа передаётся компоненту топлива и вновь возвращается в камеру. При регенеративном охлаждении потери удельного импульса камеры практически отсутствуют.

Схема течения охладителя противоточная, то есть охладитель сначала подаётся во входной коллектор на срезе сопла, а затем течёт по тракту охлаждения и выходит из него через выходной коллектор горючего. При этом охладитель равномерно распределяется по проточным сечениям.

Проточное охлаждение обеспечивает надёжную теплозащиту элементов камеры.

Расчётный режим - основной режим работы двигателя. Тепловой поток от газа в стенку и площадь охлаждаемой поверхности по длине сопла являются переменными величинами, поэтому расчёт охлаждения можно производить только по участкам камеры.

 

7.4.2 Подготовка данных для расчёта системы проточного охлаждения на ЭВМ

Выбираем материал стенки камеры - БрХ08.

Исходные данные включают в себя геометрические размеры газового тракта камеры, параметры газа на входе в сопло, параметры и теплофизические свойства охладителей, свойства материала стенки, её толщину и допустимые температуры системы регенеративного охлаждения. Геометрические размеры сняты с контура камеры.

Продольные размеры ,,,,, отсчитываются по оси сопла от его среза. Поперечные размеры ,,, отсчитывают по оси сопла. Также выписываем радиусы скругления профиля сопла ,, и углы  и . Затем выбираем число участков N, на которое следует разбить контур сопла поперечными сечениями.

Для расчёта плотности конвективного теплового потока необходимы следующие данные:

n = k - показатель изоэнтропы расширения газа в сопле

 - температура горячей поверхности стенки, К

 - температура газа в пристеночном слое, К

 - равновесная массовая теплоёмкость газа в пристеночном слое при постоянном давлении,

 динамическая вязкость газа, .

Расчёт плотности лучистого теплового потока ведут с использованием следующих данных:

 - температура газа в ядре потока, К,

степень черноты стенки

 - давление газа в камере сгорания, МПа.

Для определения теплофизических свойств охладителя необходимо указать вид охладителя и его параметры:

 - температура охладителя на входе в тракт охлаждения, К

 - допустимая температура жидкости на выходе из тракта

охлаждения, К.

Расчёт зазора в кольцевом тракте охлаждения:

 - толщина стенки, м

 - коэффициент теплопроводности материала стенки при средней

температуре,

 - максимальная скорость течения охладителя в тракте, м/с

 - предельная температура холодной поверхности стенки, К

 - предельная температура горячей поверхности стенки, К.

Все приведённые выше данные загружаются в компьютер, который выдаёт расчёт. Во всех сечениях температура горячей стенки не выходит за рамки допустимой, поэтому дополнительных мероприятий для обеспечения надежности теплозащиты проводить не требуется.

7.4.3 Проектирование оребрения стенки камеры и определение коэффициента эффективности оребрения

Оребрение выполняет следующие функции:

обеспечивает прочность стенки, нагруженной перепадом давления , и нагретой до высокой температуры;

улучшает теплоотвод от стенки в охладитель.

Необходимо выбрать параметры оребрения так, чтобы обеспечить прочность стенки,  и минимальные потери давления охладителя в тракте. Расчёт ведётся для ряда сечений и полученные размеры каналов согласуют между участками стенки.

Толщину рёбер  и их высоту  по длине тракта охлаждения оставляют постоянными, а ширина канала b будет изменяться при изменении радиусов поперечного сечения камеры.

При выборе числа рёбер i необходимо учитывать условие:

,

где  - максимальная ширина канала

,

где σ_Т - предел текучести материала,

=1,5 - коэффициент запаса по текучести,

 - перепад давления на стенке.

Оребрение в критическом сечении:

Рисунок 12 - Схема оребрения

;

;

.

Определяем шаг рёбер и ориентировочное число рёбер в критическом сечении:

;

Принимаем .

Теперь уточним S_p и b_кр:

;

.

Найдем зазор между стенками (высоту ребра):

Оребрение в расширяющейся части сопла:

;

;

Находим приблизительный радиус сечения №1:

м.

Найдем радиус сечения №2:

 

 

 

Найдем радиус сечения №3:

₄ = 696;

Рассмотрим сечение на срезе сопла:

 i_а = i₄ = 696;

Оребрение на цилиндрическом участке корпуса:

,

где , ;

 

  i_с =i_кр.

Рассчитываем коэффициент эффективности  в критическом сечении:

. Принимаем , .

Тогда,,

,

Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчёта оребрения стенки

Сечения	Δp, МПа	TS, K	σт, МПа	bрmax, мм	iсл	bр, мм	δр, мм	Kэф
С	1,726	531,8	200	13	112	4,8	1,7	1,39
К	12,715	866,55	120	3,55	100	1,8	-	-
А	27,462	83,05	220	3,3	239	2,9	-	-
1-2	-	-	-	-	90/180	4/1,5	-	-
2-а	-	-	-	-	180/239	3/1,7	-	-

 

7.4.4 Расчет температуры стенки с учетом оребрения

Определяем температуру холодной стороны стенки с оребрением:

где TL - температура охладителя в данном сечении;

 - температура газа в пристеночном слое;

 - плотность лучистого теплового потока;

ALG - коэффициент конвективной теплоотдачи от газа в стенку.

Величина

где  - коэффициент эффективности оребрения.

Величина

где HS - толщина стенки;

U - коэффициент теплоотдачи;

Отношение эквивалентных диаметров

 - эквивалентный диаметр щелевого охлаждающего тракта, м;

,

где t - высота щелевого тракта;

 - эквивалентный диаметр оребренного охлаждающего тракта.

,

где  - расстояние между ребрами;

 - высота оребренного тракта.

Находим плотность теплового потока при оребренном тракте:

Находим температуру горячей стороны стенки с оребрением:

Проверяем выполнение условий при К_э=1,5>1;

_P=552,78К < TC=716,7К;

q_p=103463 кВт/м² > qs1=89920,3 кВт/м²;

ТH_P=898 К < t_Н=1016,4 К.

Использование теплоизоляционного покрытия не требуется.

 

7.4.5 Расчёт входного патрубка и коллектора охладителя

Определяем диаметр входного патрубка охладителя:

где  - секундный расход охладителя через камеру сгорания;

V_тр - скорость движения охладителя по тракту;

плотность охладителя;

n - количество патрубков.

Определяем радиус коллектора охладителя:

Исходные данные для расчета:

, . Принимаем V_тр=40м/с.

Отсюда получаем:

.

8. Расчет на прочность элементов камеры

Для определения конструкционной прочности проводятся расчёты элементов конструкции, которые включают в себя определение их статической и динамической прочности, жёсткости, а также устойчивости формы.

Проведём прочностной расчёт по следующей схеме:

·        Анализ условий работы элементов конструкции и выбор расчётного режима, то есть такого, при котором данный элемент будет наиболее нагружен.

·        Анализ конструкции элемента, определение вида его нагружения и выбор расчётной схемы.

·        Определение характера изменения нагрузок по длине элемента и выбор расчётного сечения.

·        Выбор исходных данных для расчёта (геометрических размеров, материала для изготовления элемента и температуры, при которой он работает).

·        Определение величины нагрузки, напряжения или деформации в расчётном сечении.

·        Определение предельных значений этих величин для данного материала при соответствующей температуре.

·        Определение коэффициентов запаса прочности или устойчивости формы элемента.

·        Сравнение полученных коэффициентов запаса с нормативными и формулировка заключения по расчёту.

 

8.1 Расчёт прочности смесительной головки

8.1.1 Расчёт на прочность форсуночного блока днищ

1. Расчётные режимы:

а) режим запуска в момент воспламенения топлива в КС

б) основной режим работы двигателя

. Вид нагружения - изгиб.

3. Расчётная схема - тонкая круглая пластина, защемлённая со скольжением по контуру, находящаяся под действием перепада давления .

Рисунок 13 - Расчётная схема при определении прочности блока днищ

. Математическая модель.

При составлении математической модели расчёта блока днищ приняты допущения:

снижение изгибной жёсткости днищ из-за наличия в них отверстий под форсунки компенсируется соединением днищ форсунками

температура внутреннего и среднего днищ по их радиусу к толщине постоянна и равна их средней температуре

температурные напряжения в днищах не учитываются

из-за большого числа силовых форсунок в блоке эквивалентная пластина является однородной в радиальном и окружном направлении.

Основной режим

а) Определяется предельный продольный погонный изгибающий момент

,

где  и  - пределы текучести материала внутреннего и среднего днищ при рабочих температурах;

 и  - толщины внутреннего и среднего днищ

 - величина смещения нейтральной линии сечения от внутренней поверхности среднего днища

 - расстояние между средним и внутреннем днищами.

б) Определяется предельный перепад давления на форсуночном днище:

 - радиус блока днищ.

в) Определяется перепад давления на форсуночном блоке днищ:

г) Определяется запас прочности:

 при 700К (БрХ08) - внутреннее днище

 при 495К (ст.12Х18Н9Т) - среднее днище

Режим запуска:

,

Прочность форсуночного блока днищ обеспечена на основном режиме  и при запуске, . Полученные запасы прочности превышают максимально допустимые запасы прочности, но, исходя из условий пайки, уменьшать толщину днищ нецелесообразно.

 

8.2 Расчет прочности корпуса

 

8.2.1 Расчет общей прочности камеры

1. Расчётный режим - основной режим работы двигателя.

. Вид нагружения - растяжение.

Расчётная схема - цилиндрическая оболочка, нагруженная внутренним и внешним усилием (рисунок 14).

Рисунок 14 - К расчёту общей прочности камеры:

а - характер деформирования двустенной оболочки на рабочем режиме;

б - окружные внутренние силы, возникающие в материале корпуса

Данный расчёт проведён на ЭВМ по программе COPLOC. Результаты расчёта приведены в приложении.

Расчет проведен для материалов:

·        Стенка - БрХ0,8 ()

·        Рубашка - Х18Н9Т ()

На основании расчёта принята толщина рубашки на КС до разъёма в критическом сечении h^II=4 мм, за критическим сечением h^I=1 мм.

 

8.2.2 Расчет на прочность сварного шва

Рассчитывается на прочность сварной шов в месте приваривания смесительной головки и наружного днища.

. Вид нагружения - растяжение.

. Расчетный режим - основной режим работы двигателя. Расчетная схема - кольцо, нагруженное перепадом давления и осевой силой.

Рисунок 15 - К расчету прочности сварного шва.

. Математическая модель. Расчет сводится к определению толщины сварного шва.

Определяется погонная сила в оболочке:

,

где , .

Определяется толщина сварного шва, причём должно выполняться условие: запас прочности по шву должен быть выше запаса прочности по основному материалу.

,

где  - предел прочности шва для сварки стыковым швом;

 - погонная сила в рубашке;

 - предел выносливости материала рубашки;

 - толщина сварного шва, при коэффициенте запаса прочности .

 

Принимаем .

 

8.2.3 Расчет местной прочности камеры

Расчёт обечайки коллектора на прочность

. Расчётный режим - основной режим работы двигателя.

. Расчётная схема - ассиметричная тороидальная оболочка, нагруженная перепадом давления (рисунок 16). Расчётное сечение а-а.

Рисунок 16 - Расчётная схема по определению прочности обечайки коллектора

. а) Определяется меридиальное напряжение в наиболее нагружённом сечении а-а.

,

где Р - давление охладителя в коллекторе

r - радиус продольного сечения коллектора

R - средний радиус оболочки

φ - угол наклона сечение а-а по отношению к нормали.

б) Рассчитывается окружное напряжение:

в) Определяется эквивалентное напряжение:

г) Определяется запас прочности

.

. Исходные данные:

. Расчёт:

, что удовлетворяет требованиям прочности

Расчет прочности распределительного кольца

Режим работы двигателя - основной.

Вид нагружения - изгиб.

Расчетная схема - балка единичной ширины защемленная по концам и нагруженная по длине b перепадом давления ∆p=p_охл-p_г,

Рисунок 17 - Расчетная схема для определения прочности распределительного кольца

Определяется предельный погонный момент М^*_т.п. = s_т × h² / 4;

Определяется предельный перепад давления Dр^* = 16 × M^*_т.п. / b²;

Определяется коэффициент запаса прочности n_T = Dp^*/ Dp,

где  - предел текучести материала распределительного кольца;

h - толщина распределительного кольца;

b - длина участка, нагруженного перепадом давления;

 - перепад давления, действующий на распределительное кольцо.

Допущения: уменьшение жесткости кольца из-за наличия отверстия компенсируется подкрепляющим действием соединенных с ним продольных связей и стенки. При этом распределительное кольцо можно рассматривать как балку единичной ширины, защемленную по концам и нагруженную по длине с перепадом давления ∆p.

Исходные данные:

Материал - 12Х18Н9Т.

= 0,005 м, σ_т = 650 МПа, b = 0,034 м, ∆p = 27,3 МПа.

Расчет:

Прочность распределительного кольца обеспечивается.

9. Выбор материалов элементов камеры двигателя

Таблица 3 - Сводка материалов

Название элемента камеры	Марка материала
Внутреннее днище	12Х18Н9Т
Среднее днище	12Х18Н9Т
Наружное днище	12Х18Н9Т
Коллектор горючего	12Х18Н10Т
Стенка корпуса	12Х18Н9Т
Рубашка	12Х18Н10Т
Область критического сечения	БрХ08
Соединительные кольца	1Х21Н5Т

10. Последовательность сборки камеры

План сборки:

.        Сборка корпуса.

2.       Сборка головки.

.        Присоединение головки к корпусу.

1. Сборка на разжимной оправке средней части и сопла, прихват и сварка по внутренней стенке. Проточка рубашки под кольцо. Установка и сварка полуколец между собой и рубашкой. Приварка коллектора подвода горючего и его патрубков.

. Сборка головки КС: сборка среднего днища с внутренним, совместное сверление по кондуктору отверстий в огневом и среднем днище под форсунками, сборка огневого днища с форсунками в среднем днище, пайка, продувка форсунок после пайки, испытание на герметичность, сварка с газоводом, приварка штуцеров. Приварка коллектора отвода горючего и его патрубка.

. Установка на оправку корпуса и головки. Окончательная токарная обработка торцов и поясков у торцов. Сварка корпуса смесительной головки с рубашкой.

. Приварка опор. Соблюдение соосности цапф. При необходимости обработка поверхностей цапф на которые будут установлены подшипники.

Заканчивается процесс сборки испытаниями на прочность - гидропрессовкой, на герметичность - полировкой и пневмоиспытаниями. Затем двигатель передается на контрольно-технологические испытания.

11. Разработка конструкции узлов качания камеры

11.1 Разработка узлов качания камеры

Компоновка ДУ представлена на чертеже. В центре установлен двигатель большой тяги (НК-33 - 150 т). Вокруг него расположены рулевые камеры. Питание камер обеспечивается собственной системой подачи топлива (насосы, ЖГГ.).

Для управления вектором тяги камеры могут качаться. Для этого разработаны бандаж сферической формы, состоящий из двух полуколец, с приваренными к нему цапфами. По каталогу подбираются роликовые сферические двухрядные подшипники для того чтобы избежать заклинивания от воздействия больших нагрузок.

Для решения проблемы подвода компонентов к качающимся камерам предлагается подводить компоненты с помощью гибких шлангов: так для подвода горючего (Керосин) можно использовать резиновый шланг, а для подвода окислителя (О_2ж) шланг сильфонового типа в оплётке.

Рисунок 18 - Схема подвода компонентов

Максимальные углы отклонения камер  (суммарно ). Для того чтобы обеспечить такие отклонения камер можно было бы использовать цапфы качания, но их обычно используют при малых тягах (менее 3т), поэтому удобнее использовать гибкие шланги. Расположить шланги надо вдоль оси камеры, чтобы места перегиба шлангов совпадали с осью цапф. Длина шлангов обусловлена большими углами качания.

 

11.2 Расчет на прочность цапфы

Камера двигателя крепится к корпусу ЛА с помощью цапф, расположенных на бандаже, приваренном к корпусу камеры в области критического сечения (рисунок 19).

Крепления камеры - цапфы, присоединяются к камере сваркой. Будем проверять на прочность данные сварные швы. Для приварки используется угловой шов.

Рисунок 19 - Расчет цапфы на прочность

Обозначим усилие на цапфу , тогда получим:

;

Напряжения изгиба , где  - момент сопротивления изгибу.

;

Тогда напряжение изгиба:

.

Запас прочности:

,

где  - прочность сварного шва  - прочность стали Х18Н9Т.

.

Прочность сварных цапф обеспечена.

12. Экономическое обоснование разработки конструкции камеры рулевого агрегата на основе ЖРД 11Д55

Разработка и совершенствование ракетных двигателей и их систем требует больших материальных и трудовых затрат.

В связи с существующей тенденцией роста расходов на создание и эксплуатацию летательных аппаратов и их систем широкое распространение получают методы проектирования под заданную стоимость. Развитие концепции проектирования под заданную стоимость требует установления зависимости между техническими характеристиками систем и необходимыми для достижения трудовыми и стоимостными показателями. Речь идет о соотношениях между массой конструкции и стоимости ее изготовления, между надежностью систем и затратами, необходимыми для обеспечения требуемой надежности. Цель концепции проектирования под заданную стоимость - создание систем с оптимальными техническими и экономическими показателями. Условием решения поставленной задачи является анализ и оптимизация затрат в течение всех стадий "жизненного цикла" системы. От замысла на создание до снятия с эксплуатации жизненный цикл включает несколько этапов. Основными этапами жизненного цикла системы летательных аппаратов являются:

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР);

Технологическая подготовка производства;

Серийное производство;

Испытание;

Эксплуатация.

При такой оценке проектов предпочтение отдается системе, требующей минимальных затрат на разработку, создание и эксплуатацию при обеспечении в заданных пределах всех технических показателях.

12.1 Оценка стоимости и структуры затрат на разработку двигателя

12.1.1 Оценка затрат на этапе создания ЖРД

Определим массу двигателя. Известно, что соотношение массы РД к его тяге составляет:

.

Так как одним из главных требований к ЖРД является минимальная масса, то из конструктивных соображений принимается:

.

Тогда при тяге двигателя :

Стоимость изготовления РД составляет:

.

Тогда стоимость изготовления первого серийного образца составит:

;

Создание первого серийного образца подразумевает создание экспериментальных образцов. По рекомендациям

Принимаем

Стоимость изготовления экспериментальных образцов составляет:

.

Тогда суммарная стоимость изготовления экспериментальных образцов составит:

;

Стоимость создания двигателя с учетом экспериментальной доводки составит:

;

12.1.2 Определение структуры затрат на разработку ЖРД

Для определения структуры затрат используем метод экспертной оценки. Упрощенно структура затрат на разработку представлена в таблице 4.

Таблица 4 - Распределение затрат между стадиями разработки РД

Стадии создания РД	Доля затрат по основным стадиям разработки РД (в % от стоимости создания двигателя)	Сумма затрат (млн. руб.)
Проектирование	7	33,75
Изготовление	23	110,88
Испытания	70	337,45
Итого	100	482,08

12.2 Определение размера экономии на стадии проектирования

12.2.1 Затраты на проектирование без использования информационных технологий

Затраты на проектирование составляют

Большую часть затрат на проектирование составляют заработная плата (80%)

;

.

Из этих денег 26% приходится на социальные отчисления. Тогда чистая заработная плата составляет:

; .

Примем, что среднемесячная зарплата ИТР составляет З.П. =10400р/мес.

При восьмичасовом рабочем дне, плановый фонд времени за месяц составит: Т=168 (час).

Рассчитаем стоимость одного часа работы:

; .

При этом премия составляет 10-40% от и доплаты 10%:

.

Трудоемкость проектирования РД составляет:

;

.

12.2.2 Затраты на проектирование с использованием информационных технологий

Для нахождения затрат на проектирование с использованием информационных технологий разобьем процесс проектирования на этапы (рисунок 23). Каждому этапу соответствует определенный объем работ, доля которого в % от общей трудоемкости проектирования отражена на рисунке 21.

Рисунок 20 - Структура распределения объема работ по этапам проектирования

Определим стоимость каждого этапа проектирования. Расчеты представлены в таблице 5.

При использовании информационных технологий, трудоемкость проектирования значительно сокращается. Процентное снижение трудоемкости по каждому этапу проектирования представлено в таблице 6.

Таблица 5 - Стоимость этапов проектирования РД без использования информационных технологий

Этапы проектирования	Структура объема работ по этапам проектирования, %	Трудоемкость выполнения этапа проектирования, час	Стоимость этапа проектирования, млн. руб.
Проектирование системы хранения топлива	5	11239,9	1,6875
Проектирование системы подачи	30	67439,4	10,125
Проектирование камеры сгорания	30	67439,4	10,125
Проектирование сопла	15	33719,7	5,0625
Проектирование САУ	20	44959,6	6,75
Итого	100	224798	33,75

Таблица 6 - Стоимость проектирования РД с использованием информационных технологий

Этапы проектиро-вания	Трудоемкость проектирования (без инф. технологий), час	Сокра-щение трудоем- кости в %	Трудоемкость проектирования (с использованием инф. технологий), час	Стоимость проектирования с использованием инф. технологий, млн. руб.
Проектирование системы хранения топлива	11239,9	50	5619,95	0,844
Проектирование системы подачи	67439,4	70	47207,58	7,087
Проектирование камеры сгорания	67439,4	60	40463,64	6,075
Проектирование сопла	33719,7	70	23603,79	3,544
Проектирование САУ	44959,6	80	35967,68	5,4
Итого	224798		152862,64	22,95

Размер экономии денежных средств от использования информационных технологий на стадии проектирования РД составит:

Э = 33,75 - 22,95=10,8млн. руб.

 

12.3 Определение размера экономии на стадии изготовления

Затраты на изготовление составляют .

Структура объема работ на стадии изготовления представлена на рисунке 22.

Рисунок 21 - Структура распределения объема работ по этапам изготовления РД

Аналогичным образом находится размер экономии от использования информационных технологий на стадии изготовления. Результаты представлены в таблице 7.

Размер экономии денежных средств от использования информационных технологий на стадии изготовления РД составит:

Таблица 7 - Сравнительная характеристика стоимости изготовления РД без использования и с использованием информационных технологий

Этапы проектиро-вания	Трудоемкость,%	Стоимость этапа проектирования, млн. руб	Сокращение трудоемкости в %	Стоимость проектирования с использованием инф. технологий, млн. руб.
Изготовление системы хранения топлива	5	5,544	40	2,2176
Изготовление системы подачи	30	33,264	50	16,632
Изготовление камеры сгорания	30	33,264	55	18,2952
Изготовление сопла	15	16,632	60	9,9792
Сборка	20	22,176	75	16,632
Итого	100	110,88		63,756

12.4 Расчет размера экономии на стадии испытаний

Затраты на испытания составляют

Проведение виртуальных испытаний позволяет значительно сократить их трудоемкость. Boeing сократила свои затраты на проведение испытаний посредством применения информационных технологий в пять раз.

Предположим, что сокращение трудоемкости работ на стадии проведения испытаний составит 50%.

Тогда размер экономии денежных средств на этой стадии:

;

 

12.5 Определение общего размера экономии от использования информационных технологий

Общий размер экономии составит:

Стоимость создания ЖРД, как было определено в п.12.1.1, составляет

Размер экономии на 1 руб. инвестиций составит:

Размер инвестиций на всех стадиях создания ЖРД сокращается почти в два раза. Таким образом, из приведенных выше расчетов видно экономическое преимущество применения информационных технологий при разработке ЖРД.

13. Безопасность жизнедеятельности

13.1 Факторы, воздействующие на конструктора при работе за ПЭВМ

Работа за ПЭВМ относится к категории работ, связанных с опасными и вредными условиями труда. В процессе труда за ПЭВМ оказывают действие следующие опасные и вредные производственные факторы:

физические:

· повышенные уровни электромагнитного излучения;

· повышенные уровни рентгеновского излучения;

· повышенные уровни ультрафиолетового излучения;

· повышенный уровень инфракрасного излучения;

· повышенный уровень статического электричества;

· повышенные уровни запыленности воздуха рабочей зоны;

· повышенное содержание положительных аэроионов в воздухе рабочей зоны;

пониженное содержание отрицательных аэроионов в воздухе рабочей зоны;

· пониженная или повышенная влажность воздуха рабочей зоны;

· пониженная или повышенная подвижность воздуха рабочей зоны;

· повышенный уровень шума;

· повышенный или пониженный уровень освещенности;

· повышенный уровень прямой блесткости;

· повышенный уровень ослепления;

· неравномерность распределения яркости в поле зрения;

· повышенная яркость светового изображения;

· повышенный уровень пульсации светового потока;

химические:

повышенное содержание в воздухе рабочей зоны двуокиси углерода, озона, аммиака, фенола, формальдегида и полихлорированных бифенилов;

психофизиологические:

· напряжение зрения;

· напряжение внимания;

· интеллектуальные нагрузки;

· эмоциональные нагрузки;

· длительные статические нагрузки;

· монотонность труда;

· большой объем информации, обрабатываемой в единицу времени;

· нерациональная организация рабочего места;

13.2 Анализ опасных и вредных факторов, возникающих при работе на компьютере и мероприятия, обеспечивающие снижение их отрицательного влияния

Любой производственный процесс, в том числе и работа с вычислительной техникой, сопряжен с появлением опасных и вредных факторов. К таким факторам необходимо отнести:

. Электрический ток

Данный фактор оказывает термическое (ожоги отдельных участков тела; нагрев до высокой температуры внутренних органов, вызывая в них значительные функциональные изменения), электролитическое (разложение органической жидкости и нарушение ее физико-химического состава), механическое (расслоение и разрыв тканей организма) и биологическое (раздражение и возбуждение живых тканей организма, нарушение внутренних биологических процессов) воздействия.

Опасность поражения человека электрическим током относят к наиболее опасным факторам, возникающим при эксплуатации компьютера или его обслуживании. Оборудование подключается к сети 220 В, 50 Гц, при этом электрический ток, воздействуя на человека, приводит к травмам.

Общие травмы:

·        судорожное сокращение мышц, без потери сознания;

·        судорожное сокращение мышц, с потерей сознания;

·        потеря сознания с нарушением работы органов дыхания и кровообращения;

·        состояние клинической смерти.

Местные травмы:

·        электрические ожоги;

·        электрический знак;

·        электроавтольмия.

Тяжесть поражения электрическим током зависит от:

·        величины тока;

·        времени протекания;

·        пути протекания;

·        рода и частоты тока;

·        сопротивления человека;

·        окружающей среды;

·        состояния человека;

·        пола и возраста человека.

Наиболее опасным переменным током является ток 20 - 100 Гц. Так как компьютер питается от сети переменного тока частотой 50 Гц, то этот ток является опасным для человека.

. Электромагнитные излучения

Электромагнитные волны обладают необычным свойством: опасность их воздействия при снижении интенсивности не уменьшается, мало того, некоторые поля действуют на клетки тела только при малых интенсивностях или на конкретных частотах. Оказывается переменное электромагнитное поле, совершающее колебания с частотой порядка 60 Гц, вовлекает в аналогичные колебания молекулы любого типа, независимо от того, находятся они в мозге человека или в его теле. Результатом этого является изменение активности ферментов и клеточного иммунитета, причем сходные процессы наблюдаются в организмах при возникновении опухолей.

. Статическое электричество

Результаты медицинских исследований показывают, что электризованная пыль вызывает воспаление кожи, приводит к появлению угрей и даже портит контактные линзы. Кожные заболевания лица связаны с тем, что наэлектризованный экран дисплея притягивает частицы из взвешенной в воздухе пыли, так, что вблизи него "качество" воздуха ухудшается и человек вынужден работать в более запыленной атмосфере. Таким же воздухом он и дышит.

Особенно стабильно электростатический эффект наблюдается у компьютеров, которые находятся в помещении с полами, покрытыми синтетическими коврами.

При повышении напряженности поля Е > 15 кВ/м, статическое электричество выводит из строя компьютер.

Возможно возникновение у рабочего физических перегрузок как статических, так и динамических. К возможным нервно-психическим перегрузкам, можно отнести: монотонность труда, эмоциональные перегрузки.

Вопросы электробезопасности можно решить следующим образом:

Согласно классификации правил эксплуатации электроустановок, помещение соответствует первому классу: сухое, с влажностью, не превышающей 75%, температурой воздуха не более 35^оС, изолированными полами, с отсутствием токопроводящей пыли и нет возможности одновременного прикосновения человека к корпусам электрического оборудования и металлическим конструкциям зданий, технологическому оборудованию и т.п.

Электропитание ЭВМ осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

Перед подключением ЭВМ к сети обеспечивается либо наличие провода защитного заземления в розетке подключения ЭВМ. Максимальное сопротивление цепи заземления 4 Ом.

Кроме того, токопроводящие части (провода, кабели) изолируются, приборы заземляются.

При работе аппаратуры:

·        не проверяются на ощупь наличие напряжения токоведущих частей аппаратуры;

·        не применяется для соединения блоков и приборов провода с поврежденной изоляцией;

·        не производят работу и монтаж в аппаратуре, находящейся под напряжением;

·        не подключают блоки и приборы к работающей аппаратуре.

Безопасность при работе с электроустановками регламентирует ГОСТ 12.1.038-82 [9].

. Пожарная безопасность

Профилактикой пожара является изготовление конструкций из негорючих материалов: бетон, стекло, металл. Однако дерево также применяется, хотя его количество ограничивается. Проводится регулярный контроль состояния электрической проводки и электроприборов. Курение осуществляется в другом помещении.

Для обеспечения современных мер по обнаружению и локализации пожара, эвакуации рабочего персонала, а также для уменьшения материальных потерь выполняются следующие условия:

·        наличие системы автоматической пожарной сигнализации (система охранно-пожарной сигнализации);

·        наличие эвакуационных путей и выходов (запасные);

·        наличие первичных средств тушения пожаров: огнетушители ОУ-1, а также здание оснащено водопроводом с пожарными шкафами ШПК-315Н, укомплектованными кранами, рукавами пожарными напорными с внутренней гидроизоляционной камерой и стволами РС-50.

5. Воздушная среда

Микроклимат воздушной среды в рабочей зоне определяется сочетанием температуры, влажности, скорости движения воздуха и температурой окружающих поверхностей.

Неблагоприятные микроклиматические условия (повышенная или пониженная температура воздуха, повышенная влажность воздуха, повышенная подвижность воздуха) на рабочем месте приводит к снижению работоспособности, быстрой утомляемости, что становится причиной получения производственных травм.

Для обеспечения благоприятных микроклиматических условий используются отопительные установки (в зимнее время) и системы кондиционирования (в летнее).

В соответствии с [13], содержание вредных химических веществ в производственных помещениях, в которых работа с использованием ПЭВМ является основной, не должно превышать предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест в соответствии с действующими гигиеническими нормативами [8].

Работы, выполняемые в помещении, по интенсивности энергозатрат относятся к категории Iб - работы с интенсивностью энерготрат 121-150 ккал/ч (140-174 Вт), производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением (ряд профессий в полиграфической промышленности, на предприятиях связи, контролеры, мастера в различных видах производства и т.п.). [15]

Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений приведены ниже.

В холодное время года: оптимальная температура воздуха в рабочей зоне составляет 21-23^оС; допустимая температура 19 ^оС (нижняя граница) и 24^оС (верхняя граница; относительная влажность оптимальная 60-40%, а допустимая 15-75%; скорость движения оптимальная не более 0,1 м/с, а допустимая не более 0,2 м/с.

В теплое время года: оптимальная температура воздуха в рабочей зоне составляет 22-24^оС; допустимая температура 20^оС (нижняя граница) и 28^оС (верхняя граница; относительная влажность оптимальная 60-40%, а допустимая 15-75% (при 27^оС); скорость движения оптимальная не более 0,1 м/с, а допустимая 0-0,3 м/с.

В помещении используется система водяного отопления, так как данная система наиболее благоприятна в санитарно-гигиеническом отношении. Рекомендуется поставить кондиционер для создания более благоприятных условий.

Условия труда относятся к допустимым.

Источниками примесей воздуха в рассматриваемом помещении являются:

а) внутренние источники - книжные стеллажи, принтер и копировальный аппарат, места хранения бумажных документов на рабочих столах. При истирании бумажных листов образуется нетоксичная пыль, содержащая волокна целлюлозы ПДК_. =0,15 мг/м³. А также при работе с ксероксом и принтером выделяются: окись азота ПДК=5 мг/м³, окись углерода ПДК=20 мг/м³, озон ПДК=0,1 мг/м³, аммиак ПДК=20 мг/м³, ацетон ПДК=200 мг/м³, винилбензол ПДК=5 мг/м³, сероводород ПДК=15 мг/м³, эпихлоргидрин ПДК=1 мг/м³ [10].

б) внешние источники - пыль попадает из смежных помещений и с улицы на обуви и одежде людей. Это может быть как нетоксичная пыль, образующаяся посредством истирания одежды, так и пыль растительного и животного происхождения с примесью двуокиси кремния. ПДК=2 мг/м³. А также вредные и опасные вещества попадают в помещение с улицы при проветривании. К ним относятся: углекислый газ ПДК=30 мг/м³, сернистый ангидрид ПДК=10 мг/м³, углеводороды ПДК=300 мг/м³, окислы азота ПДК=5 мг/м³, сажа ПДК=10 мг/м³. [10]

Для снижения концентрации пыли в помещении предусмотрены: коврики для очистки подошв обуви при входе в здание, регулярно производится влажная уборка, а так же функционирует система вытяжной вентиляции.

Условия труда относятся к допустимым.

. Освещение

Недостаточность его вызывает перенапряжение зрения, а, как следствие, повышены утомляемость и производственный травматизм. Отсутствие и недостаток естественного света в темное время суток и при повышенной облачности приводит к неправильной цветопередачи, утомляемости.

Освещение рабочего места достаточное, равномерное, устойчивое, без резких теней и блеклости в поле зрения, соответствующей цветности. Освещение рабочего места соответствует СанПиН 2.2.1 /2.1.1.1278-03 и не является источником дополнительных вредных и опасных факторов.

Помещение имеет естественное и искусственное освещение, которое нормируются СНиП 23-05-95. Естественное освещение осуществляется через наружные боковые светопроемы, ориентированные на запад.

Естественное освещение

Коэффициент естественной освещенности <#"584256.files/image747.gif"> - значение КЕО, .

H - высота помещения; h - высота подвеса светильника над рабочей поверхностью; h_свеса - размер свеса светильника (толщина подвесного потолка); h_n - уровень рабочей поверхности.

Рисунок 20 - Разрез помещения

Определим, достаточна ли площадь окна в помещении для обеспечения нормативного значения КЕО.

h - высота помещения; h_O - высота окна.

Рисунок 21 - Разрез помещения

При выбранном светопроеме действительные значения коэффициента естественного освещения для различных точек помещения рассчитывают с использованием графоаналитического метода Данилюка по СНиП 23-05-95 и СП 23-102-2003 "Естественное освещение жилых и общественных зданий":

а) по строительным чертежам находим площадь светового проема (в свету) А_{с. о} = 3,0·1,3 = 3,9 м², освещаемую площадь пола помещения А_п = 14 м² и определим отношение ;

б) определим глубину помещения d_п = 4 м, высоту верхней грани световых проемов над уровнем условной рабочей поверхности h_О1 = 1,3 м и отношение ;

в) с учетом типа помещения выберем соответствующий график в [4];

г) по значениям  и  на графике найдем точку с соответствующим значением КЕО. Получим е_факт = 0,5%.

Условия труда относятся к допустимым.

Полученное значение е_факт < е_н, поэтому в помещении необходимо использовать искусственное освещение.

Искусственное освещение

Искусственное освещение применяется в темное время суток. Источниками искусственного освещения являются лампы накаливания и газоразрядные лампы. Выбор искусственных источников света производят по СанПиН 2.2.1 /2.1.1.1278-03 в зависимости от характера зрительных работ по цветоразличению.

Наименьший объект различения составляет 0,3 мм - толщина линии знака препинания на бумаге. При данных условиях необходимая минимальная общая освещенность составляет 200 лк; высота рабочей поверхности от пола - 0,7 м.

Оценим искусственную освещенность исследуемого помещения по формуле:

где N - количество установленных ламп; S - площадь освещаемого помещения; Z - коэффициент минимальной освещенности; к - коэффициент запаса лампы, необходимый для компенсации потерь освещенности из-за ее запыленности; F - световой поток одной лампы, находим по ГОСТ 6815-74;  - коэффициент использования светового потока (зависит от типа лампы, типа светильника, коэффициента отражения потолка и стен ρ, высоты подвеса светильников и индекса помещения i).

Характеристики элементов системы общего освещения:

. Тип светильника - Б (БК) ГОСТ 2239-79.

. Способ установки - потолочный.

. Назначение светильника - для общего освещения.

. Мощность источника, Вт - 100.

. Тип источника света - лампы накаливания.

. Световой поток, лм - 1400.

. Количество источников света - 7.

Индекс помещения определяется по формуле:

.

Для i=1,145, при коэффициентах отражения поверхностей: потолка ρ_пот = 0,7; стен ρ_с = 0,55; пола ρ_п = 0,30, коэффициент использования

 

.

Рассчитанное значение находится в пределах нормы (требуемое значение 200 лк).

Условия труда относятся к допустимым.

. Шум

Шум - это беспорядочное сочетание звуков различной частоты, интенсивности, возникающих при механических колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах. Шум отрицательно влияет на организм человека, и в первую очередь на его центральную нервную и сердечнососудистую систему. Длительное воздействие шума снижает остроту слуха и зрения, повышает кровяное давление, утомляет центральную нервную систему, в результате чего ослабляется внимание, увеличивается количество ошибок в действиях работающего, снижается производительность труда.

При выполнении основной работы на ПЭВМ уровень шума на рабочем месте не превышает 60 дБА.

Контроль за характеристикой, уровнями звука, длительностью воздействия шума осуществляется в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96.

В помещениях с низким уровнем общего шума, каким является помещение, где работает конструктор, источниками шумовых помех становятся вентиляционные установки, кондиционеры или периферийное оборудование для ЭВМ (плоттеры, принтеры и др.). Длительное воздействие этих шумов отрицательно сказываются на эмоциональном состоянии человека.

Контроль за характеристикой, уровнями звука, длительностью воздействия шума осуществляется в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96.

Для решения вопросов о необходимости и целесообразности снижения шума необходимо знать уровни шума на рабочем месте. Оценим уровень шума одного рабочего места.

Источники шума делятся на внешние и внутренние. К внутренним относятся шумы от компьютера, холодильника, ламп и других устройств, находящихся внутри помещения. К внешним источникам относятся шумы от транспорта на дороге, грома, из соседних комнат и др. Внешние источники шума учитываться не будут, т.к. стеклопакет пластиковый который не пропускает большую часть шумов внутрь помещения. Лишь во время проветривания комнаты, когда открывается форточка, данные источники шума оказывают воздействие. Однако на время проветривания людей в комнате нет. Оценим прогнозируемый уровень шума в помещении (таблица 1). Шум в системном блоке компьютера создают движущиеся части. Шумят вентиляторы и комплектующие со встроенными вентиляторами (блок питания, видеокарта, корпус компьютера), а также все компоненты с движущимися частями - оптические приводы, жёсткие диски, дисковод и т.п. Шум в компьютере создают также электрические устройства: конденсаторы, трансформаторы, магнитные считывающие устройства и т.п.

Источники внутреннего шума в помещении сведем в таблицу 1.

Таблица 8 - Уровни шума от различных источников

Источник шума	Уровень шума, дБА	Количество источников шума в помещении
Системный блок	40	2
Монитор	-	2
Клавиатура	5	2
Принтер (HP Laser Jet 1320)	48*	1

* Указан максимальный уровень шума при работе. В режиме ожидания не превышает 5-10 дБА.

Уровень шума, возникающий от нескольких источников, работающих одновременно, подсчитывается на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников по формуле:

,

где L_{i -} уровень звукового давления i-го источника шума, дБА;

n - количество источников шума.

Подставив значения уровня звукового давления для каждого вида оборудования в формулу, получим суммарное значение уровня звукового давления:

.

Полученное значение уровня шума не превышает допустимого.

Кроме внутреннего шума, на проектировщика действует внешний шум: из соседних помещений и с улицы. Окно на улицу выходит во двор, где интенсивность движения транспорта невысока. Поэтому долю внешнего шума можно не учитывать вследствие его малости.

У полученного значения (54,2 дБА) достаточный запас, поэтому дополнительных мер по снижению шума не требуется.

Внутренние источники вибрации в помещении отсутствуют. Внешняя вибрация (трамвайной линии) рассеивается в конструктивных элементах помещения - стенах, фермах, фундаменте.

Условия труда относятся к допустимым.

. Тяжесть трудового процесса

По методике [13] тяжесть трудового процесса оценивают по ряду показателей, характеризующих трудовой процесс, независимо от индивидуальных особенностей человека, участвующего в этом процессе.

Проектировщику приходится периодически перемещаться из своей комнаты в другие по лестнице, но при непосредственной работе с ПЭВМ, занимающей значительную часть рабочего времени, рабочая поза может быть неудобной.

Класс тяжести работы проектировщика:

-       по физической динамической нагрузке - оптимальный (легкая физическая нагрузка);

-       по массе поднимаемого и перемещаемого груза вручную - оптимальный (легкая физическая нагрузка);

-       по стереотипным рабочим движениям - оптимальный (легкая физическая нагрузка);

-       статическая нагрузка отсутствует;

-       рабочая поза свободная, имеется возможность смены рабочего положения тела. Нахождение в позе стоя до 40% времени работы - оптимальный (легкая физическая нагрузка);

-       вынужденные наклоны корпуса отсутствуют;

-       по перемещениям в пространстве - допустимый (средняя физическая нагрузка).

Окончательная оценка тяжести труда устанавливается по наиболее чувствительному показателю, получившему наиболее высокую степень тяжести [13]. Исходя из этого, по тяжести трудового процесса работу проектировщика можно отнести к классу допустимого (средняя физическая нагрузка).

. Напряженность труда

Определим напряженность труда (таблица 9).

Таблица 9 - Классы условий труда по показателям напряженности трудового процесса

Показатели напряженности трудового процесса	Содержание	Класс условий труда
1	2	3
1. Интеллектуальные нагрузки
1.1 Содержание работы	Решение сложных задач с выбором по известным алгоритмам (работа по серии инструкций)	Вредный (Напряженный труд) 1 степени
1.2 Восприятие сигналов (информации) и их оценка	Восприятие сигналов с последующей комплексной оценкой связанных параметров. Комплексная оценка всей производственной деятельности	Вредный (Напряженный труд) 2 степени
1.3 Распределение функций по степени сложности задания	Контроль и предварительная работа по распределению заданий другим лицам.	Вредный (Напряженный труд) 2 степени
1.4 Характер выполняемой работы	Работа в условиях дефицита времени и информации с повышенной ответственностью за конечный результат	Вредный (Напряженный труд) 2 степени
2. Сенсорные нагрузки
2.1 Длительность сосредоточенного наблюдения (% времени смены)	до 25	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
2.2 Плотность сигналов (световых, звуковых) и сообщений в среднем за 1 час работы	до 75	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
2.3 Число производственных объектов одновременного наблюдения	6 - 10	Допустимый (Напряженность труда средней степени)
2.4 Размер объекта различения (при расстоянии от глаз работающего до объекта различения не более 0,5 м) в мм при длительности сосредоточенного наблюдения (% времени смены)	1-0,3 мм - более 50 %; менее 0,3 мм - 26 - 50 %	Вредный (Напряженный труд) 1 степени
2.5 Работа с оптическими приборами (микроскопы, лупы и т.п.) при длительности сосредоточенного наблюдения (% времени смены)	отсутствует	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
2.6 Наблюдение за экранами видеотерминалов (часов в смену): при буквенно-цифровом типе отображения информации: при графическом типе отображения информации:	до 4 до 6	Вредный (Напряженный труд) 1 степени
2.7 Нагрузка на слуховой анализатор (при необходимости восприятия речи или дифференцированных сигналов)	Разборчивость слов и сигналов от 90 до 70 %. Имеются помехи, на фоне которых речь слышна на расстоянии до 3,5 м	Допустимый (Напряженность труда средней степени)
2.8 Нагрузка на голосовой аппарат (суммарное количество часов, наговариваемое в неделю)	более 10	Допустимый (Напряженность труда средней степени)
3. Эмоциональные нагрузки
З.1. Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки	Несет ответственность за функциональное качество основной работы (задания). Влечет за собой исправления за счет дополнительных усилий всего коллектива (группы, бригады и т.п.)	Вредный (Напряженный труд) 1 степени
3.2 Степень риска для собственной жизни	Исключена	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
3.3 Степень ответственности за безопасность других лиц	Исключена	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
3.4 Количество конфликтных ситуаций за день	нет	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
4. Монотонность нагрузок
4.1 Число элементов (приемов), необходимых для реализации простого задания или в многократно повторяющихся операциях	более 10	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
4.2 Продолжительность (в сек) выполнения простых заданий или повторяющихся операций	100 - 25	Допустимый (Напряженность труда средней степени)
4.3 Время активных действий (в % к продолжительности рабочего дня). В остальное время - наблюдение за ходом рабочего процесса	20 и более	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
4.4 Монотонность производственной обстановки (время пассивного наблюдения за ходом техпроцесса в % от времени смены)	менее 75	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
5. Режим работы
5.1 Фактическая продолжительность рабочего дня	3-5 ч	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
5.2 Сменность работы	Односменная работа (без ночной смены)	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)
5.3 Наличие регламентированных перерывов и их продолжительность	Перерывы регламентированы, достаточной продолжительности: 7 % и более рабочего времени	Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)

Итого:

Оптимальный (Напряженность труда легкой степени)	-	12
Допустимый (Напряженность труда средней степени)	-	4
Вредный (Напряженный труд) 1 степени	-	4
Вредный (Напряженный труд) 2 степени	-	3

Оценка напряженности труда осуществляется в соответствии с "Методикой оценки напряженности трудового процесса". Наивысшая степень напряженности труда соответствует классу 3.3.

Согласно [13], труд проектировщика ЖРД относится к классу 3.1 - вредный (напряженный) 1 степени.

Таблица 10 - Итоговая таблица по оценки условий труда работника по степени вредности и опасности

Факторы		Класс условий труда
		опти- маль- ный	допус- тимый	вредный				опасный (экстре- мальный)
		1	2	3.1	3.2	3.3	3.4	4
Химический			+
Биологический		+
Аэрозоли ПФД			+
Акустические	Шум		+
	Инфразвук	+
	Ультразвук воздушный	+
Вибрация общая		+	+
Вибрация локальная		+	+
Ультразвук контактный		+
Неионизирующие излучения			+
Ионизирующие излучения		+
Микроклимат			++	+
Освещение			++	+
Тяжесть труда		+	+
Напряженность труда			+	++
Общая оценка условий труда				++			+

Таким образом, из-за напряженности трудового процесса условия труда в данном помещении относятся к классу 3.1.

В данной главе были выявлены санитарно-гигиенические, электро - и пожароопасные факторы в рассмотренном помещении; произведена оценка искусственного освещения помещения; оценены меры по обеспечению безопасных условий труда. Произведена оценка мероприятия по уменьшению вредного воздействия.

Таким образом, делая вывод об общей оценке условий труда в рассматриваемом помещении, можно сказать, что условия труда являются вредными (3 класс 1 степень), так как нарушают установленные санитарно - гигиенические нормативы и оказывают неблагоприятное действие на организм работника и/или его потомство. Воздействие вредных факторов уменьшается проведением дополнительных перерывов по 15 мин через каждые 2 часа.

Заключение

В данном дипломном проекте был разработан жидкостный ракетный двигатель первой ступени ракетоносителя, работающего на топливе Керосин и О_2ж.

В результате проведенного анализа, была разработана пневмогидравлическая схема двигателя и выбрана компоновочная схема двигательной установки.

Для проектируемого двигателя был проведен термогазодинамический расчет, в котором получены основные параметры двигателя: расход горючего, расход окислителя, удельный импульс в пустоте, удельный импульс у Земли, давление газа на срезе сопла. В ходе этого расчета также были получены основные параметры системы топливоподачи двигателя, спрофилирован внутренний контур камеры, спроектирована и рассчитана системы смесеобразования камеры.

Произведен расчет проточного охлаждения камеры. В качестве охладителя был выбран керосин. Были рассчитаны параметры системы охлаждения, рассчитано оребрение охлаждающего тракта, обеспечивающее прочность стенки камеры и улучшающее теплоотвод от стенки в охладитель. Расчеты показали, что керосин обеспечивает хороший теплоотвод от стенки обеспечивая ее защиту.

Далее, опираясь на разработанную конструктивную схему двигателя и проведенные расчеты, была проведена конструктивная разработка основных сборочных единиц камеры - смесительной головки, средней части сопла, а также их деталей. Одновременно с конструированием сборочных единиц камеры и деталей были выбраны материалы для их изготовления и рассчитана их прочность.

Особое внимание в дипломном проекте было уделено созданию надежного теплосъема камеры посредством регенеративного охлаждения, поясов завесы.

В проекте была рассчитана себестоимость изготовления двигателя и двигательной установки, а также различные затраты, связанные с изготовлением. Были описаны условия труда при проектной деятельности.

Список использованных источников

Книги

          Алемасов, В.Е. Теория ракетных двигателей [Текст] /В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин. - М.: Машиностроение, 1980.

2        Глушко В.П. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания (том 2) [Текст] /В.П. Глушко. АН СССР, 1971.

         Дубинкин Ю.М. Тепловой расчет и проектирование камеры ЖРД [Текст]: Методические указания/Ю.М. Дубинкин, В.С. Кондрусев, А.С. Фрейдин. - Куйбышев: КуАИ, 1974.

         Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей [Текст] /М. С Штехер. - М.: Машиностроение, 1976.

         Кудрявцева В.М. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей [Текст] /В.М. Кудрявцева. - М.: Высшая школа, 1983.

         Борисов В.А. Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов [Текст]: учебное пособие/В.А. Борисов, Д.Ф. Пичугин. - Самара: СГАУ, 1993. - 95с.

         Пичугин Д.Ф. Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов [Текст]: учебное пособие /Д.Ф. Пичугин. - Куйбышев: КуАИ, 1990. - 224с.

         Пичугин Д.Ф. Проектирование двигателей летательных аппаратов [Текст]: учебное пособие/Д.Ф. Пичугин. - Куйбышев: КуАИ, 1985. - 92с.

         Выбор материалов для деталей ДЛА [Текст]: Метод. указания к курс. и дипл. проектированию (с приложением). - Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1984.

         Донченко В.К. Экологическая экспертиза [Текст]: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/В.К. Донченко, В.М. Питулько, В.В. Растоскуев и др. - М.: Издателький центр "Академия”, 2004. - 480 с.

         Гардинер У. Химия горения [Текст] /У. Гардинер. - М.: Мир, 1988. - 464 с.

Стандарты, сборники стандартов

1.       ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.

2.       ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

.        СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

.        СанПиН 2.2.1/2.1.1.12 78-03 Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению общественных и жилых зданий.