بخشی از مقاله
چکیده
درطراحی موتور سوخت مایع به دلیل دمای بالا ی احتراق و نرخ بالای انتقال حرارت از MW/m2 1 - تا حدود - MW/m2 160 از گازهای داغ به دیوار محفظه، خنککاری محفظه رانش از اهمیت بالایی برخوردار است . در طراحی خنک کاری محفظه رانش، انتخاب روش مناسب، طراحی مجاری خنک کاری و مباحث مرتبط با محفظه رانش دو جداره و استفاده از پوششهای حرارتی دارای اهمیت بسیار زیادی است. در دیواره محفظه احتراق و نازل موتور پیشران مایع لازم است یک سیستم خنک کاری به منظور جلوگیری از شکست مقاومت بدنه موتور استفاده شود. در خنک کاری به روش بازیابی سیال مبرد - معمولا سوخت - از میان کانالهایی که برای آن در بدنه موتور تعبیه شده است عبور کرده و دمای بدنه موتور را کاهش میدهد. مدلسازی و تحلیل جریان سیال کانال خنک کننده در موتور پیشران مایع به دلیل شار حرارتی بالا یکی از مهمترین و چالشیترین موضوع در زمینه این نوع موتورها است. به همین دلیل در این مقاله کانال خنک کاری بازیابی یک موتور پیشران مایع شبیه سازی عددی میشود. این موتور با پیشران سرمازا کرایوژنیک تغذیه شده و کرایوژنیک به عنوان سیال خنککننده در نظر گرفته شده است. از بررسی نتایج حاصل از شبیه سازی عددی به این نتیجه می رسیم برای افزایش دما و احتراق بهتر باید مقدار دبی از مقدار مشخصی بیشتر نباشد و از طرفی برای آنکه دمای بدنه از مقدار مشخصی فراتر نرود باید دبی از مقدار مشخصی کمتر نباشد.
-1 مقدمه
در موتورهای موشکی، محصولات احتراق دارای دماهای بالا3500 تا4500 کلوین، فشار 15مگاپاسکال و بالاتر و سرعت حرکت 1000 تا 1300 متر بر ثانیه میباشند. دماهای مذکور بالاتر از نقطه ذوب فلزات، آلیاژها و بسیاری از مواد نسوز است. اختلاف دماها بین سطوح جداره با وجود ضخامت کم آنها میتواند به مقادیر زیادی برسد . بهعنوان مثال، حتی در صورت وجود شار حرارتی ملایم - 10-16 - ×106 وات بر متر مربع با ضخامت جداره یک میلیمتر از جنس فولاد ضدزنگ، اختلاف دماهای 7ZDOO 600-500 c° را به دست میآوریم. دراین صورت بین گاز و جداره، انتقال حرارت شدید به وجود میآید. حفاظت ناکافی میتواند به سرعت دیواره محفظه احتراق را تا دمای نزدیک به دمای گاز، گرم نماید. اگر در نظر بگیریم که اکثریت قریب به اتفاق مواد جداره، گرایشهای خیلی ملایم را تحمل می کنند - حداکثر1300 تا 1500 کلوین - آنگاه پیچیدگی مشکل حفاظت از جداره محفظه احتراق واضح و آشکار میشود.[3]
دیواره موتور موشک بایستی تحمل فشارهای زیاد را داشته باشد. البته، استحکام بیشتر مواد در دماهای بالا و قبل از رسیدن به نقطه ذوب به سرعت کاهش مییابد. سرعت بالای محصولات احتراق همراه با دمای بالای آن موجب فرسایش سریع و شدید دیواره به خصوص ناحیه گلوگاه نازل می گردد . از طرف دیگر میزان تنشهایی که دیواره موتور موشکی میتواند تحمل کند کاملاً به ضخامت آن بستگی دارد. لذا به نظرمیرسد برای تحمل دما و تنشهای بسیار بالا بایستی دیواره موتور را از مواردی با تحمل تنش و نقطه ذوب بالا و ضخامت زیاد طراحی کرد. اما از طرفی دیگر، این موضوع باعث افزایش شدید وزن موتور وموشک میگردد که صنایع هوافضا یک نقص محسوب می شود. از طرف دیگر تاکنون هیچ مادهای یافت نشده که تا دماهای مذکور ذوب نشده و درعین حال تحمل تنشهای بالایی را داشته باشد. تنها راه حل معقول استفاده از موادی باتحمل تنش بسیار بالا و خنککاری دیوارههای موتور موشکی تا دمایی بسیار پایینتر از نقطه ذوب ماده سازنده دیواره می باشد.
-2 موتور پیشران مایع
موتور یا سیستم پیشرانش، مهمترین بخش موشک بوده و وظیفه آن تأمین نیروی لازم جهت پیشرانش موشک میباشد.پیشرانش در یک مفهوم وسیع، عمل تغییر حرکت یک جسم است و مکانیزمهای پیشرانشی، نیرویی را اعمال می کند که جسم در حال سکون را به حرکت درآورده و زمانی که به یک جسم که در حال حرکت است سرعت آن را تغییر داده و یا بر نیروی کند کننده حرکت غلبه می نماید.
-1-2 ساختمان موتور موشکی سوخت مایع - زم استیک -
به طورکلی یک موتور موشکی سوخت مایع شامل اجزای زیر می باشد: -مخازن سوخت و اکسید کننده -تزریقگر -توربومپ -محفظه احتراق -نازل طراحی سیستم خنککاری درمجموع به خصوص برای محفظههای پیشران بزرگ خاص است و برای نازل و قسمت محفظه احتراق متفاوت است. بر طبق تغییرات پارامترهای حرارتی جریان گاز، سطح مقطع عبوری جریان سیال خنک کنند میبایست متغیر باشد لذا جهت دسترسی به یک سیستم خنککاری مناسب درک خوبی از انتقال گرما در محفظه پیشران موتور موشک لازم است.
شکل×ٌ-××شماتیک راکت سوخت مایع و اجزای آن[4]
-3 ساختار انتقال حرارت و خنککاری در موتورهای موشکی سوخت مایع
-1-3 روشهای خنک کاری موتورهای سوخت مایع
در طراحی موتور سوخت مایع به علت بالا بودن دمای محفظه احتراق - 4000-6000 - Fو نرخ بالای انتقال حرارت از گازهای داغ به دیواره، خنککاری محفظه احتراق از اهمیت بالای برخوردار است. در موتورهایی که زمان کارکرد کوتاهی در حد چند ثانیه دارند، می توان از محفظههایی بدون خنککاری استفاده کرد. در این محفظه ها، دیواره همانند یک چاه حرارتی گرمای قابل توجهی را به خود جذب می کند . اما موتورهایی با زمان کارکرد زیاد به سیستم های خنککاری نیاز دارند. هدف سیستم خنککاری، تأمین کار مطمئن جداره در مدت طول عمر تعریف شده در کنار حداقل افت های ضربه ویژه و حداقل وزن سازه است. برای جلوگیری از گرمایش بیش از حد دیواره محفظه رانش در موتورهای موشکی سوخت مایع جدید، از روشهای مختلف خنککاری و حفاظت حرارتی استفاده مینماید.
به طورکلی روش های خنککاری در موتورهای موشکی سوخت مایع عبارتند از:
. خنککاری بازیابی
. خنک کاری قشری - لایهای -
. خنک کاری فیلمی
. خنک کاری تراوشی
. خنک کاری دفعی
. خنک کاری فرسودنی - فنایی -
. خنک کاری با استفاده از مواد عایق
. خنک کاری با استفاده از چاه حرارتی
. خنک کاری تشعشعی
-4 نرخ انتقال حرارت در نازل:
