DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . v
DANH MỤC CÁC BẢNG . ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . x
MỞ ĐẦU . 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC
NỐI TIẾP VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU . 7
1.1. Động cơ tên lửa nhiên liệu rắn nhiều chế độ lực đẩy . 7
1.1.1. Ứng dụng động cơ nhiều chế độ lực đẩy trong thực tế . 7
1.1.2. Một số sơ đồ nguyên lý kết cấu động cơ nhiều chế độ lực đẩy và
phạm vi ứng dụng . 10
1.1.3. Đặc điểm của động cơ một buồng đốt nhiều chế độ lực đẩy . 13
1.2. Động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp . 17
1.2.1. Sơ lược về kết cấu . 17
1.2.2. Các chế độ lực đẩy nối tiếp . 18
1.3. Hiện trạng của vấn đề nghiên cứu . 19
1.3.1. Tình hình nghiên cứu của nước ngoài . 19
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước . 20
1.4. Phân tích, lựa chọn mô hình nghiên cứu . 25
1.4.1. Cơ sở lựa chọn mô hình nghiên cứu . 25
1.4.2. Lựa chọn mô hình kết cấu động cơ . 27
1.4.3. Nguyên lý làm việc của động cơ . 29
1.4.4. Các giai đoạn làm việc của động cơ . 31
1.5. Các tham số kết cấu ảnh hưởng đến chế độ làm việc của động cơ
hai buồng đốt làm việc nối tiếp . 36
1.6. Kết luận chương 1 . 38iii
Chương 2 MÔ HÌNH LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA
ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP . 39
2.1. Giả thiết và các quá trình xảy ra trong các buồng đốt . 40
2.1.2. Các giả thiết cơ bản . 40
2.1.3. Quá trình cháy, sinh khí của thuốc mồi và thuốc phóng. . 40
2.1.4. Quá trình trao đổi khí giữa các buồng đốt . 44
2.1.5. Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy tới các bề mặt tiếp xúc 48
2.1.6. Quá trình phụt khí qua loa phụt . 52
2.1.7. Quá trình thay đổi trạng thái và biến đổi năng lượng trong các
buồng đốt. . 53
2.2. Hệ phương trình mô tả quá trình làm việc của các buồng đốt và
động cơ. 57
2.2.1. Các phương trình mô tả các quá trình của từng buồng đốt . 57
2.2.2. Hệ phương trình . 59
2.3. Sơ đồ thuật giải bài toán tổng quát. 65
2.4. Tính toán một số tham số làm việc của các buồng đốt . 67
2.5. Kết luận chương 2 . 74
Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM . 75
3.1. Thử nghiệm buồng giữ chậm . 75
3.1.1. Cấu tạo buồng giữ chậm và động cơ thử nghiệm . 75
3.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ thử nghiệm . 78
3.1.3. Kết quả tính toán và thử nghiệm . 78
3.1.4. Kết quả tính toán và thử nghiệm . 80
3.2. Thử nghiệm trên động cơ mẫu . 84
3.2.1. Kết cấu động cơ mẫu . 84
3.2.2. Tính toán các thông số làm việc của các buồng đốt . 87
3.2.3. Sơ đồ thử nghiệm động cơ mẫu . 88
3.2.4. Kết quả thử nghiệm động cơ mẫu tầng một . 90iv
3.2.5. Kết quả thử nghiệm động cơ mẫu tầng hai . 92
3.2.6. Kết quả thử nghiệm phối hợp trên động cơ mẫu . 93
3.3. Thử nghiệm trên động cơ kéo vũ khí FMV-B1 . 95
3.4. Kết luận chương 3 . 98
Chương 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT
CẦU ĐẾN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT
LÀM VIỆC NỐI TIẾP . 99
4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài liều giữ chậm . 99
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính liều giữ chậm . 104
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính lỗ trích khí . 110
4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng liều mồi 2 . 115
4.5. Kết luận chương 4 . 120
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 121
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 125
PHỤ LỤC . P1
Phụ lục 1: TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG HỌC
THUỐC PHÓNG BẰNG PHẦN MỀM ASTRA . P2
Phụ lục 2: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG LÀM
VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP . P4
Phụ lục 3: SƠ LƯỢC VỀ TÍNH TOÁN KỸ THUẬT QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA KÉO CHUỖI NỔ MỀM . P11
Phụ lục 4: CÁC PHIẾU BÁO KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM . P15
178 trang |
Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 599 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến chế độ làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hai buồng đốt làm việc nối tiếp, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
61
.
gc.
.
;
;
;
1 1 1
1
1 1
gc gc gc
gc gc
2 2 2
2
2 2
k 1dp p dV
Q
dt V V dt
dp p dVk 1
Q
dt V V dt
k 1dp p dV
Q
dt V V dt
.
.
;11 1 v 1 1 gc m1 1 1
1 1
k 1 TdT
Q c T m m m m
dt p V
.
.
;22 2 v 2 2 gc m2 2 2
2 2
k 1 TdT
Q c T m m m m
dt p V
.
.
;gc gc gc v gc gc 1 gc 2 gc
gc gc
dT k 1 T
Q c T m m m
dt p V
.2 2 2; ; ;gc gc1 m1 1 m
m T m T T
dV mdV m m dV m m
dt dt dt
. . ; . . . ;
. . . ;
. . . ;
. . . . ;
m mm1 m2
1 1m 1 2 3 1m 2
1
l1
6 1 1 T 0 n
1gc
7 1 gc T 0 n
1
l 2
8 5 1 2 T 0 n
de de
u p u p
dt dt
de
u p 1 K T T
dt
de
u p 1 K T T
dt
de
u p 1 K T T
dt
(2.91)
* 2.1 1. . ;1 bdt1 bdt1
dQ
S T T
dt
* 2. . .. . ;gc gc bdt gc gc bdt gc
dQ
S T T
dt
2* 2.2 2 2. . ;bdt bdt2
dQ
S T T
dt
2.1
1
1
2 2.2
2 2
2
;
;
bdt1
bdt1
vl vl K
bdt
bdt
vl vl K
dT
T T
dt c
dT
T T
dt c
2. ,bdtgc gc gc bdtgc
vl vl Kgc
dT
T T
dt c
62
với các phương trình bổ sung:
1 1 2 2 2 2 2.n .cos( ). . .n .cos( ). . ;p1 lp1 th1 p lp thP C F p C F p
*
. . . . . . . . . ;
1
1 m m1 e 1 v 1 1 v gc 1 gc
dQ
Q Q m Q m k c T m k c T m
dt
*
. . . . . . . . . ;
2
2 m m2 e 2 v 2 2 v gc 2 gc
dQ
Q Q m Q m k c T m k c T m
dt
gc*
gc. . . . .( ) ;e gc v gc 1 gc 2 gc
dQ
Q Q m k c T m m
dt
1
3 0 1 1
1
1
2 1
1
1 1
3 1
1 1 1
1
1
3 0
1
1
1
,
2
2 1
,
1 2
1
,
2
k
k
v
gc
gc
k k
k k k
gc gc
v gc
gc
kgc
k
gc v gc
gc
gc
K k p F p k
khi p p vµ
pRT
p pk p p k
F khi p p vµ
k p p pRT
m
K k p F p k
khi p p vµ
pRT
2 1
1
1 1
3 1
1
;
2 1
,
1 2
k k
k k k
gc gc
v gc
gc gc gc
p pk p p k
F khi p p vµ
k p p pRT
,
;
,
k
k 1
4 0 gc gc gc
2gc
2 k 12 gc k
k k k 1
gc gc2 2
4 gc
gc gc 2gc
K k p F p k 1
khi
p 2RT
m
p p2k p p k 1
F khi
k 1 p p p 2RT
2
m1 0 m1 0m1 m1
m1 1 m13
0 m1
dm 3m ( e e )
m . u ;
dt e
2
m2 0 m2 0m2 m2
m2 2 3 m23
m02
dm 3m ( e e )
m . . u ;
dt e
. ( ). ;1 l 1
1 T 1 l1
dm de
m S e
dt dt
63
. ( ). ;2 l 2
2 T 2 l 2
dm de
m S e
dt dt
. ( ). ;gc gc
gc T gc gc
dm de
m S e
dt dt
.
(k)
. ;2 1 o th1 1
1 4
1
K F p
m
RT
.
(k)
. . ;2 2 o th2 2
2 3 5
2
K F p
m
RT
trong đó:
- Các biến điều khiển quá trình mồi trong các buồng đốt:
1 0 11
1 0 1
1
0
m m
m m
khi e e
khi e e
; 2 0 22
2 0 2
1
0
m m
m m
khi e e
khi e e
. (2.92)
- Biến điều khiển quá trình mồi- khởi động BĐ2:
0
3
0
0
1
gc gc
gc gc
khi e e
khi e e
. (2.93)
- Các biến điều khiển quá trình phụt khí qua loa phụt của BĐ1 và BĐ2:
1 1 01
1 1 01
4
1 1 01
1
0 ( *) ( )
1 ( *) ( )
1 ( 5. ) ( )
0 ( 5. )
l
l
n l
n
khi p p vµ e e
khi p p vµ e e
khi p p vµ e e
khi p p
;
2 2 01
2 2 01
5
2 2 01
2
0 ( *) ( )
1 ( *) ( )
1 ( 5. ) ( )
0 ( 5. )
l
l
n l
n
khi p p vµ e e
khi p p vµ e e
khi p p vµ e e
khi p p
, (2.94)
trong đó p*, pn- lần lượt là áp suất mở nắp bịt loa phụt và áp suất môi trường.
- Các biến điều khiển quá trình bắt đầu cháy của các liều nhiên liệu:
1
6 1 01
1 1 01
0
0
1 ( ) ( )
moi
l
moi l
khi p p
khi e e
khi p p vµ e e
; (2.95)
7 0
0
0
0
1 ( ) ( )
gc moi
gc gc
gc moi gc gc
khi p p
khi e e
khi p p vµ e e
; (2.96)
64
2
8 2 02
2 2 02
0
0
1 ( ) ( )
moi
l
moi l
khi p p
khi e e
khi p p vµ e e
, (2.97)
trong đó pmoi là áp suất đảm bảo mồi cháy thuốc phóng.
T1, ε1, T2, ε2, Tgc, εgc – lần lượt là nhiệt độ sản phẩm cháy và hàm nhiệt
độ của SPC trong BĐ1, BĐ2, BGC: ε1=cv.T1, ε2=cv.T2, εgc=cv.Tgc;
Tbdt1, Tbdt2 , Tbdtgc- lần lượt là nhiệt độ bề mặt trong BĐ1, BĐ2, BGC;
p1, V1, p2, V2, pgc, Vgc – lần lượt là áp suất và thể tích tự do của BĐ1,
BĐ2, BGC;
el1, el2 , egc – lần lượt là bề dày của liều phóng đã cháy sau thời gian t
tương ứng với BĐ1, BĐ2, BGC;
em1, em2 – lần lượt là bề dày của hạt thuốc mồi trong BĐ1 và BĐ2 sau ;
Q1*, Q2*, Qgc*- lần lượt là tổn thất nhiệt trong BĐ1, BĐ2 và BGC;
Qm, Qe – lần lượt là nhiệt lượng của thuốc mồi và nhiên liệu;
Q1.,, Q2.,, Qgc., - lần lượt là tổng nhiệt lượng trong BĐ1, BĐ2 và BGC;
1 2, , gcm m m - lần lượt là lưu lượng sinh khí của liều nhiên liệu trong
BĐ1, BĐ2 và BGC;
1 2,m m - lần lượt là lưu lượng phụt khí qua loa phụt của BĐ1 và BĐ2;
1 2,gc gcm m - lần lượt là lưu lượng trao đổi khí giữa BGC và BĐ1, giữa
BGC và BĐ2;
Điều kiện đầu đối với hệ, khi t=0:
1 2 0
1 2 0
1* 2* *
0
1 2
1 2
;
;
0
;
;
0;
0;
,
gc
gc
gc
bdt1 bdt2 bdtgc
l l gc
m m
1 1.0 2 2.0 gc gc.0
p p p p
T T T
Q Q Q
T T T T
e e e
e e
V =V ; V =V ;
T
V =V
(2.98)
65
trong đó:
p0, T0- tương ứng là áp suất và nhiệt độ ban đầu trong không gian buồng
đốt, xem gần đúng bằng áp suất và nhiệt độ môi trường xung quanh pn;
V1.0, V2.0 , Vgc.0 – lần lượt là thể tích tự do ban đầu của BĐ1, BĐ2, BGC.
Để đảm bảo hệ phương trình (2.91) là một hệ kín có lời giải đơn trị với
điều kiện đầu (2.98), cần phải bổ sung các mối quan hệ đối với:
+ Diện tích bề mặt cháy và bề dày cháy: S1(e) , S2(e), Sgc(e). Với liều
nhiên liệu trong BĐ1 và BĐ2 có dạng hình ống một thỏi, S1(e) , S2(e) được
xác định:
1 1 1 1.n t tpS e D d L . (2.99)
2 2 2 2.n t tpS e D d L . (2.100)
Liều giữ chậm dang cháy một mặt đầu, (liều giữ chậm), Sgc(e) có giá trị:
2.
4
gc
gc
D
S e
(2.101)
+ Diện tích bề mặt cháy của liều mồi: Với việc coi thuốc mồi có dạng
hình cầu, kích thước như nhau có thể sử dụng công thức (2.31) để xác định
quy luật thay đổi diện tích bề mặt cháy của liều mồi.
2.3. Sơ đồ thuật giải bài toán tổng quát
Do các buồng đốt vừa làm việc nối tiếp, vừa làm việc song song nên việc
giải hệ phương trình vi phân (2.91) khá phức tạp. Tại thời điểm ban đầu (t=0)
BĐ1 và BGC được khởi động đồng thời, sau khi liều giữ chậm cháy hết bề
dày cháy mới bắt đầu khởi động BĐ2. Tại thời điểm này có thể xảy ra sự làm
việc đồng thời của cả ba buồng đốt, sau đó chỉ còn lại quá trình làm việc của
BĐ2. Ngoài ra, các quá trình sinh khí (của liều mồi, liều nhiên liệu) và quá
trình phụt khí qua loa phụt của các buồng đốt chỉ diễn ra trong một khoảng
thời gian nhất định trong quá trình buồng đốt làm việc. Quá trình trao đổi khí
(sản phẩm cháy) cũng xảy ra phụ thuộc vào sự chênh lệnh áp suất giữa các
buồng đốt. Để giải quyết các vấn đề này, luận án đưa vào các biến điều khiển
66
1 2 8, ,..., . Giá trị của các biến điều khiển được xác định trước mỗi vòng lặp
tính toán.
Hình 2.2. Sơ đồ thuật giải bài toán tổng quát
Bắt đầu
Các thông số kết cấu. Các tham số lý,
hóa, nhiệt của nhiên liệu, thuốc mồi
và vật liệu vỏ buồng đốt
Nhập các điều kiện đầu của
hệ PTVP
i=i+1
t=t+dt
Nhập hệ PTVP, các điều kiện
và các phương trình bổ sung
Xác định lực đẩy (2.90)
Đ
Xuất và lưu kết quả
S
Giải (2.91) bằng phương pháp
Runge- Kutta
67
Theo đó, luận án đã xây dựng sơ đồ thuật giải (hình 2.2) nhằm giải hệ
phương trình (2,91) gồm các bước chính:
a) Nhập thông số kết cấu BĐ1, BGC, BĐ2 và các thông số kết cấu liều
nhiên liệu tương ứng. Nhập các thông số đặc trưng năng lượng, đặc trưng lý,
hóa, nhiệt động của nhiên liệu, của thuốc mồi. Nhập các điều kiện đầu, bước
tích phân, biến đếm và biến thời gian.
b) Nhập các phương trình bổ sung, các biến điều khiển 1 2 8, ,..., và hệ
phương trình. Tiến hành giải hệ phương trình (2.91) bằng phương pháp
Phương pháp Runge-Kutta bậc 4.
c) Xuất kết quả tính toán các thông số làm việc của các buồng đốt và cả
động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp.
2.4. Tính toán một số tham số làm việc của các buồng đốt
Hệ phương trình (2.91) được giải bằng phần mềm MATHLAB R2009b
theo sơ đồ thuật giải hình 2.2 với các biến điều khiển (2.92)÷ (2.97), điều kiện
đầu (2.98) và các tham số đầu vào cho mô hình kết cấu động cơ như sau:
- Các thông số đặc trưng của thuốc mồi (bảng 2.1) lấy theo tài liệu [4],
[9] và theo tiêu chuẩn 06 TCN 839: 2000. Thuốc mồi dạng thuốc đen hạt to số
1 dùng cho cả hai buồng đốt động cơ.
Bảng 2.1. Các thông số đặc trưng của thuốc mồi
TT Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Nhiệt lượng của thuốc mồi Qm 4056 KJ/kg
2 Hệ số tốc độ cháy của thuốc mồi u1m 70*10
-6 m/s
3 Số mũ tốc độ cháy m 0,45
4 Mật độ của thuốc mồi m 1650 kg/m
3
5 Bề dày cháy của thuốc mồi e0m 0,0005 m
- Các thông số đặc trưng của nhiên liệu dùng cho các buồng đốt động
cơ (bảng 2.2), lấy theo tài liệu [4] và tiêu chuẩn 06 TCN 834: 2000. Ngoài ra,
luận án xác định các thông số nhiệt động học của nhiên liệu dựa trên kết quả
phân tích thành phần và giả định điều kiện làm việc bằng phần mềm ASTRA
68
để tính toán [1], [20], [21], [23] Kết quả tính toán các thông số nhiệt động
học được nêu trong phụ lục 1.
Bảng 2.2. Các thông số đặc trưng của nhiên liệu
TT Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Nhiệt lượng Qe 3590 KJ/kg
2 Chỉ số mũ đoạn nhiệt k 1,25
3 Hằng số khí của sản phẩm cháy R 362 J/kg.K
4 Hệ số tốc độ cháy u1 43,44*10
-6 m/s
5 Số mũ tốc độ cháy 0,3456
6 Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ KT 0,0034
7 Mật độ của nhiên liệu T 1600 kg/m
3
- Luận án đề xuất một số thông số kết cấu động cơ nêu trong bảng 2.3.
Các thông số này được lựa chọn theo mô hình kết cấu động cơ đã chọn như
trên hình (1.12) trên cơ sở các thông số kết cấu gần tương tự như động cơ kéo
vũ khí FMV-B1.
Bảng 2.3. Một số thông số kết cấu ĐTRHBN đề xuất
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Thông số chung của buồng đốt thứ nhất và buồng đốt thứ hai
1 Đường kính ngoài liều nhiên liệu Dn 0,1045 m
2 Đường kính trong liều nhiên liệu dt 0,018 m
3 Đường kính trong buồng đốt
k
D 0,113 m
4 Bề dày vỏ buồng đốt
k
0,003 m
Các thông số riêng của buồng đốt thứ nhất
5 Chiều dài liều nhiên liệu Ltp1 0,510 m
6 Chiều dài buồng đốt (tương đương)
1kL 0,660 m
7 Khối lượng mồi mm1 0,036 kg
8 Đường kính tiết diện tới hạn loa phụt dth1 0,0137 m
9 Đường kính cửa ra da1 0,0315 m
10 Số loa phụt Slp1 4
69
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Các thông số riêng của buồng đốt thứ hai
11 Chiều dài liều nhiên liệu Ltp2 0,360 m
12 Chiều dài buồng đốt (tương đương)
k2L 0,430 m
13 Khối lượng mồi mm2 0,023 kg
14 Đường kính tiết diện tới hạn loa phụt dth2 0,0097 m
15 Đường kính cửa ra da2 0,016 m
16 Số loa phụt Slp2 6
- Luận án đề xuất một số thông số kết cấu cụm giữ chậm trên bảng 2.4.
Các thông số này được lựa chọn theo mô hình kết cấu cụm giữ chậm đã chọn
hình (1.13).
Bảng 2.4. Các thông số kết cấu cụm giữ chậm ĐTRHBN đề xuất
TT Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài buồng giữ chậm kgcL 0,040 m
2 Đường kính trong buồng giữ chậm kgcD Dgc m
3 Bề dày buồng giữ chậm (tương đương) kgc 0,018 m
4 Đường kính ngoài liều hình trụ đặc gcD 0,070 m
5 Chiều dài liều giữ chậm gcL 0,025 m
6 Đường kính lỗ trích khí dv1 0,006 m
7 Đường kính lỗ phụt khí dv2 0,004 m
Đưa các thông số trên vào trong chương trình giải hệ phương trình
(2.91) với các điều kiện đầu đối với hệ khi t=0 như (2.98). Chương trình và
kết quả tính toán được nêu trong phụ lục 2 của luận án.
Đồ thị hình 2.3 đến hình 2.10 mô tả một số thông số làm việc (lực đẩy
P; áp suất p1, p2, pgc; lưu lượng sinh khí của các liều nhiên liệu 1m , 2m , gcm ;
lưu lượng trao đổi khí giữa buồng giữ chậm và các buồng đốt 1 gcm , 2 gcm ;
nhiệt độ của sản phẩm cháy T1, T2, Tgc; nhiệt độ thành buồng đốt Tbd1, Tbd2,
Tbgc; thể tích trống các buồng đốt V1, V2, Vgc; bề dày cháy của các liều nhiên
liệu).
70
Hình 2.3. Đồ thị lực đẩy
Hình 2.4. Đồ thị áp suất
Hình 2.5. Đồ thị lưu lượng sinh khí của các liều nhiên liệu
71
Hình 2.6. Đồ trị lưu lượng trao đổi khí BGC-BĐ1 và BGC-BĐ2
Hình 2.7. Nhiệt độ SPC
Hình 2.8. Nhiệt độ thành buồng đốt
72
Hình 2.9. Đồ thị thể tích trống
Hình 2.10. Đồ thị bề dày cháy của các liều nhiên liệu
Nhận xét: Các đồ thị mô tả sự thay đổi giá trị các thông số làm việc
trong các buồng đốt theo thời gian từ khi khởi động cho đến khi BĐ2 kết thúc
làm việc đã phản ánh đúng bản chất vật lý các quá trình xảy ra trong các
buồng đốt như đã nêu. Cụ thể là:
1. Mô hình nghiên cứu cho phép tạo ra được chế độ lực đẩy nối tiếp
gián đoạn như trên hình 2.3 khi sử dụng liều giữ chậm hình trụ có Lgc=25mm
dài hơn bề dày cháy lớn nhất của liều nhiên liệu e01= e02= 21,5mm.
2. Từ đồ thị áp suất (hình 2.4) cho thấy, áp suất trong BGC liên tục tăng
cho đến khi cao hơn giá trị áp suất trong BĐ1. Điều này hoàn toàn phù hợp
với đặc điểm làm việc đã nêu: cửa ra loa phụt của BGC có áp suất bằng áp
suất trong BĐ1. Sau khi BĐ1 kết thúc làm việc và giảm nhanh áp suất, kéo
73
theo áp suất BGC cũng bị giảm nhưng với “tốc độ” chậm hơn. Sau khi thuốc
phóng trong BGC cháy hết, BĐ2 bắt đầu làm việc. Khi áp suất trong BĐ2 lớn
hơn áp suất trong BGC, van một chiều đóng lại, ngăn không cho sự trao đổi
khí giữa hai buồng đốt: BGC và BĐ2. Lúc này chỉ còn quá trình phụt khí tự
do từ BGC sang BĐ1 và thoát ra ngoài qua loa phụt của tầng một.
3. Đồ thị lưu lượng sinh khí của các liều nhiên liệu hình 2.5 và đồ thị
lưu lượng trao đổi khí giữa BGC với BĐ1 và giữa BGC với BĐ2 hình 2.6 cho
thấy ở giai đoạn đầu lưu lượng 1-gcm có giá trị âm, tương ứng với dòng SPC
chảy từ BĐ1 sang BGC. Sau khi áp suất BGC cao hơn áp suất BĐ1, quá trình
trao đổi khí diễn ra theo chiều ngược lại, 1-gcm có giá trị dương. Tùy theo áp
suất và nhiệt độ SPC của BĐ1, giá trị lưu lượng trao đổi khí giữa BGC và
BĐ1 có “tốc độ” khác nhau.
Quá trình trao đổi khí giữa BGC và BĐ2 chỉ xảy ra trong một khoảng
thời gian ngắn, từ khi liều giữ chậm đã cháy hết bề dày cháy cho đến khi áp
suất trong BĐ2 cao hơn áp suất trong BGC.
4. Các đồ thị nhiệt độ SPC trong các buồng đốt hình 2.7, đồ thị nhiệt độ
thành buồng đốt hình 2.8, đồ thị thể tích trống của các buồng đốt và đồ thị bề
dày cháy của các liều nhiên liệu cũng phản ánh tương ứng quá trình làm việc,
quá trình thay đổi diễn ra trong các buồng đốt ở các giai đoạn khác nhau.
74
2.5. Kết luận chương 2
Chương 2 đã thiết lập được mô hình toán, mô tả bản chất vật lý toàn bộ
quá trình làm việc của ĐTRHBN, đồng thời xây dựng sơ đồ thuật giải và giải
bài toán thu được các kết quả. Từ kết quả trên, có thể kết luận như sau:
1. Các quá trình xảy ra trong buồng đốt ĐTR nói chung và trong các
buồng đốt ĐTRHBN nói riêng là rất phức tạp. Việc lựa chọn và đưa ra các giả
thiết cơ bản, phù hợp với đặc thù của bài toán và không ảnh hưởng đến kết
quả tính toán có vai trò quan trọng đối với việc thiết lập mô hình toán.
2. Dựa trên các định luật cơ bản như định luật bảo toàn vật chất, bảo
toàn năng lượng, nhiệt lượng và các bài toán thuật phóng, có thể đã xây dựng
được được các phương trình vi phân mô tả các quá trình lý-hóa-nhiệt xảy ra
trong các buồng đốt. Thiết lập hệ phương trình và các phương trình bổ trợ
theo giản đồ thời gian. Dựa trên mô hình kết cấu để xây dựng điều kiện đầu
và dựa vào thứ tự làm việc để xây dựng điều kiện biên.
3. Các quá trình xảy ra trong các buồng đốt không diễn ra đồng thời, vì
vậy các phương trình vi phân không được giải đồng thời. Bằng việc đưa vào
các biến điều khiển hợp lý, có thể tiến hành giải hệ theo phương pháp thông
thường với các bộ số liệu:
- Các số liệu kết cấu được lựa chọn theo mô hình đã xác định trong
chương 1 trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu đã có.
- Các thông số đặc trưng năng lượng, tốc độ cháy của nhiên liệu và của
thuốc mồi được tính toán và tham khảo các công trình nghiên cứu.
4. Các kết quả tính toán thu được, về mặt định tính, đã phản ánh đúng
bản chất vật lý. Về định lượng, các số liệu thu được đối với từng thông số làm
việc là hợp lý. Tuy nhiên, độ chính xác sẽ được tiếp tục kiểm chứng bằng
thực nghiệm trong chương 3.
75
Chương 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Trước khi ứng dụng mô hình lý thuyết đã được xây dựng để thực hiện
những nghiên cứu định hướng cụ thể, cần phải tiến hành kiểm tra và đánh giá
độ tin cậy của các mô hình tính toán. Luận án đề xuất phương pháp kiểm tra
dựa trên việc so sánh kết quả tính toán lý thuyết theo hệ phương trình (2.91)
với kết quả thực nghiệm qua thông số áp suất.
3.1. Thử nghiệm buồng giữ chậm
Vì điều kiện thực tế, nghiên cứu sinh không thể chế tạo được mô hình
kết cấu như đã trình bày ở phần tính toán. Do các quá trình làm việc của BĐ1
và BGC xảy ra đồng thời và làm việc song song nên để BGC trong thực
nghiệm có môi trường làm việc tương tự như trong mô hình lý thuyết, nghiên
cứu sinh đã thay thế buồng tạo giả (BTG) vào vị trí của BĐ1. Cụ thể là áp
suất và thời gian duy trì áp suất của BTG tương tự như BĐ1.
3.1.1. Cấu tạo buồng giữ chậm và động cơ thử nghiệm
Theo nguyên lý kết cấu nêu trong chương 2, buồng giữ chậm có kết cấu
dạng một động cơ nhiên liệu rắn được mô tả chi tiết trên hình 3.1. Buồng giữ
chậm được lắp vào nắp sau của BTG (chi tiết 1). Buồng giữ chậm gồm có loa
phụt (2); liều giữ chậm (4); vỏ buồng giữ chậm (5); ống lót (6) và nắp sau
buồng giữ chậm (7). Gá đo áp suất (3) dùng để lắp đầu đo áp suất trong buồng
giữ chậm.
Lỗ trích khí (2) có vai trò như loa phụt động cơ đảm bảo cho liều giữ
chậm cháy ổn định khi áp suất bên ngoài lỗ trích khí (áp suất BTG) nằm trong
khoảng 0,1MPa đến 8 MPa.
Liều giữ chậm (4) được bọc chống cháy toàn bộ mặt trụ. Mặt đáy liều
giữ chậm được bịt chống cháy một phần. Liều giữ chậm chỉ cháy trên mặt
đầu, bề dày cháy của liều là toàn bộ chiều dài thỏi thuốc.
76
Hình 3.1. Buồng giữ chậm lắp và nắp sau của buồng tạo giả
1. Nắp sau BTG; 2. Lỗ trích khí; 3. Gá đo áp suất; 4 Liều giữ chậm;
5. Vỏ buồng giữ chậm; 6. Ống lót; 7. Nắp sau buồng giữ chậm.
Các thông số đặc trưng năng lượng, tốc độ cháy của nhiên liệu đã nêu
trong bảng 2.2. Các thông số kết cấu liều giữ chậm và thông số kết cấu buồng
giữ chậm được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các thông số kết cấu buồng giữ chậm và liều giữ chậm
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1
Chiều dài buồng giữ chậm (tương
đương) kgc
L 0,040 m
2 Đường kính trong buồng đốt kgcD 0,032 m
3 Bề dày buồng giữ chậm kgc 0,005 m
4 Đường kính ngoài liều hình trụ đặc gcD 0,030 m
5 Chiều dài liều giữ chậm gcL
0,0225
0,0300
m
6 Đường kính lỗ trích khí dv1 0,002 m
Buồng giữ chậm được liên kết với nắp của buồng tạo giả, kết hợp với
các chi tiết, thiết bị bổ trợ tạo thành động cơ thử nghiệm. Cấu tạo động cơ thử
nghiệm được mô tả như trên hình 3.2.
1 2 3 4 5 6 7
77
Hình 3.2. Cấu tạo động cơ thử nghiệm
1. Cụm bảo hiểm; 2. Buồng tạo giả; 3. Nắp sau; 4. Cụm mồi; 5. Lỗ trích khí;
6. Buồng giữ chậm; 7. Đầu đo áp suất; 8. Van xả.
BTG chứa cụm mồi (chi tiết 4 hình 3.2) nhằm tạo áp suất ban đầu (các
đặc trưng năng lượng và tốc độ cháy của thuốc mồi như trong bảng 2.1). Nắp
sau (3) của BTG có lỗ trích khí (5) đóng vai trò như loa phụt của động cơ.
Ngoài ra, BTG liên thông và liên kết ren với cụm bảo hiểm (1), van xả (8)-
thời gian mở van xả được tính toán để bằng thời gian làm việc của BĐ1, đầu
đo áp suất (7) và buồng giữ chậm (6). Các thông số kết cấu buồng tạo giả
được nêu trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Các thông số kết cấu buồng tạo giả
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài (tương đương)
1kL 53 mm
2 Đường kính trong
1kD 107 mm
3 Bề dày thành BTG
k 1
8 mm
4 Đường kính tiết diện tới hạn loa phụt dth 0,5 mm
5 Khối lượng mồi mm 13 g
1
6
2 3
7
4
8
5
78
3.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ thử nghiệm
Nguyên lý làm việc của động cơ thử nghiệm theo sơ đồ hình (3.1) như
sau: sau khi điểm hỏa, cụm mồi cháy tạo ra áp suất ban đầu trong BTG đồng
thời mồi cháy liều giữ chậm và liều nhiên liệu của cụm van xả. Lượng khí từ
BGC bổ sung vào BTG cân bằng với lượng khí phụt ra ngoài qua lỗ trích khí
nhằm duy trì áp suất ổn định. Sau khi liều nhiên liệu trong van xả cháy hết,
sản phẩm cháy trong BTG phụt qua lỗ thoát khí van xả làm giảm nhanh áp
suất trong BTG (gần giống với giai đoạn phụt khí tự do của động cơ). Sau khi
áp suất trong BTG giảm về gần với áp suất môi trường, liều giữ chậm vẫn tiếp
tục cháy, phụt khí sang BTG cho đến khi liều giữ chậm cháy hết bề dày cháy
và phụt khí ra ngoài qua lỗ thoát khí phía sau liều.
Do không có liều nhiên liệu trong buồng tạo giả, các quá trình chủ yếu
xảy ra trong buồng này bao gồm:
- Quá trình cháy và sinh khí của thuốc mồi;
- Quá trình cháy sinh khí của liều nhiên liệu van xả;
- Quá trình chuyển động của sản phẩm cháy trong buồng giữ chậm;
- Quá trình tiêu hao sản phẩm cháy (phụt khí) qua loa phụt;
- Quá trình trao đổi khí giữa buồng giữ chậm sang buồng tạo giả;
- Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy tới các bề mặt tiếp xúc với
sản phẩm cháy;
- Quá trình thay đổi trạng thái và biến đổi năng lượng của sản phẩm
cháy.
3.1.3. Kết quả tính toán và thử nghiệm
Sơ đồ động cơ thử nghiệm được mô tả như trên hình 3.3. BTG đóng vai
trò như BĐ1 của động cơ nhằm tạo ra áp suất ban đầu và duy trì áp suất trong
suốt quá trình làm việc của buồng giữ chậm. Cụm mồi dùng để mồi cháy cho
liều giữ chậm (trong BGC), mồi cháy cho cụm van xả và tạo áp suất trong
79
BTG (trong BTG không chứa thuốc phóng). Sau khi BGC làm việc sẽ bổ
sung khí thuốc cho BTG. Khi áp suất trong BTG đạt đến giá trị tính toán, SPC
thoát ra ngoài qua lỗ trích khí. Do lượng khí sinh ra ở BGC bằng với lượng
khí thoát ra từ BTG nên áp suất trong BTG không thay đổi.
Hình 3.3. Sơ đồ động cơ thử nghiệm
Ngoài kết cấu vỏ, nắp và lỗ trích khí, BTG còn có thêm các thành phần
bổ trợ sau:
- Đầu đo áp suất: Dùng để đo xác định đồ thị áp suất p1(t) của BTG và
áp suất pgc(t) của BGC;
- Cụm bảo hiểm an toàn: Bảo đảm an toàn cho thử nghiệm;
- Van xả: Để xả khí trong buồng tạo giả sau một khoảng thời gian nhất
định, tương ứng với thời gian cháy của liều nhiên liệu BĐ1. Van xả chứa liều
nhiên liệu cháy từ mặt đầu và lỗ thoát khí đặt phía sau liều. Sau khi liều nhiên
liệu này cháy hết, toàn bộ sản phẩm cháy trong BTG sẽ được xả qua lỗ thoát
khí nhằm giảm áp suất trong . Khi đó đồ thị áp suất trong BTG có dạng gần
tương tự đồ thị p1(t) của BĐ1.
Buồng giữ chậm có dạng buồng đốt động cơ chứa liều giữ chậm và loa
phụt (dạng lỗ trích khí). Toàn bộ sản phẩm cháy của buồng giữ chậm được
phụt qua lỗ trích khí đưa sang BTG. Ngoài kết cấu trên, buồng giữ chậm còn
có vị trí lắp đầu đo áp suất nhằm thu được đồ thị áp suất so sánh, kiểm chứng
kết quả tính toán.
Buồng tạo giả buồng đốt thứ nhất Buồng giữ chậm
Đầu
đo áp
suất
Cụm
bảo
hiểm
Cụm
mồi
Van xả
Đầu
đo áp
suất
80
3.1.4. Kết quả tính toán và thử nghiệm
Đưa các thông số vào giải hệ phương trình (2.91) bao gồm: Nhiệt độ
ban đầu T0=298 K; các đặc trưng năng lượng, tốc độ cháy của thuốc mồi (cho
buồng tạo giả) và của nhiên liệu (tính cho liều giữ chậm) đã nêu trong bảng
2.1, bảng 2.2; các thông số kết cấu buồng tạo giả nêu trong bảng 3.1; các
thông số kết cấu buồng giữ chậm và liều giữ chậm nêu trong
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- luan_an_nghien_cuu_anh_huong_cua_mot_so_tham_so_ket_cau_den.pdf