بخشی از مقاله
سیستم خنک کاری بازیابی در نازل موشکهای سوخت مایع
چکیده
روش معرفیشده برای جریانهای نازل یک موتور موشک درواقع معرفی یک سیستم خنک کاری بازیابی میباشد. مسئلهای که با آن روبرو هستیم جریان گاز در یک نازل و جریان خنککننده در کانالهای نفوذکننده اطراف موتور موشک و گرمای هدایتشونده از میان دیواره بین گاز و خنککننده میباشد. جهت شبیهسازی عددی از نرمافزار مهندسی دینامیک سیالات عددی فلوئنت و برای ایجاد شبکه محاسباتی و ساختن مدل از نرمافزار گمبیت استفادهشده است. اساس روش عددی بر مبنای تحلیل جریان با
-1 مقدمه
حفاظت از جدارههای محفظه و نازل موتور موشک سوخت مایع دربر ابرگرمایش بیشازحد، اکسیداسیون و سایش حرارتی، یک از مهمترین و پیچیدهترین مشکلات صنایع موشکی به شمار میرود. حل نسبی این مسئله، امکان ساخت اولین موتورهای موشکی سوخت مایع که دارای اهمیت عملی بودند را فراهم ساخت در موتورهای موشک، محصولات احتراق دارای دماهای بالا 3500 تا 4500 کلوین، فشار 15 مگا پاسکال و بالاتر و سرعت 1000 تا 1300 متر بر ثانیه میباشند، دماهای مذکور بالاتر از نقطه ذوب فلزات، آلیاژها و بسیاری از مواد نسوز میباشند. اختلاف دماهای بین سطوح جداره باوجود ضخامت کم آنها میتواند به مقادیر
روش تکرار و حل عددی ضمنی قوانین بقای جرم، مومنتم و انرژی در حالت پایدار به جهت مطالعه و بهینهسازی پارامترهایی است که توسط آنها، بیشترین درجه حرارت دیواره، افت فشار سیال خنککننده و نرخ جریان عبوری در کانالها به دست میآیند.
کلمات کلیدی
(انتقال حرارت بازیابی، بررسی خنک کاری محفظه احتراق پیشرانهای سوخت مایع، موتور سوخت مایع، تراست.)
زیادی برسد. حفاظت ناکافی میتواند به سرعت دیواره محفظه احتراق را تا دمای نزدیک به دمای گاز، گرم نماید. اگر در نظر بگیریم که اکثریتقریببهاتفاق مواد جداره، گرمایش های خیلی ملایم را تحمل میکنند (حداکثر 1300 تا 1500 کلوین)، آنگاه پیچیدگی مشکل حفاظت از جداره محفظه احتراق واضح و آشکار میشود. دیواره موتور موشک با ستی تحمل فشارهای زیاد را داشته باشد. البته، استحکام بیشتر مواد در دماهای بالا و قبل از رسیدن به نقطه ذوب بهسرعت کاهش مییابد. سرعتبالای محصولات احتراق همراه با دمای بالای آن موجب فرسایش سریع و شدید دیواره بهخصوص ناحیه گلوگاه نازل میگردد. از طرف دیگر میزان تنشهایی که دیواره موتور موشکی میتواند تحمل
کندکاملاً به ضخامت آن بستگی دارد . لذا به نظر میرسد برای تحمل دما و تنشهای بسیار بالا بایستی دیواره موتور را از موادی باتحمل تنش و نقطه ذوب بالا و ضخامت زیاد طراحی کرد؛ اما از طرفی دیگر، این موضوع باعث افزایش شدید وزن موتور و موشک میگردد که در صنایع هوافضا یک نقص محسوب میشود .از طرف دیگر تاکنون هیچ مادهای یافت نشده که تا دماهای مذکور ذوب نشده و درعینحال تحمل تنشهای بالایی را داشته باشد .تنها راهحل معقول استفاده از موادی باتحمل تنش بسیار بالا و خنک کاری دیوارههای موتور موشکی تا دمایی بسیار پایینتر از نقطه ذوب ماده سازنده دیواره میباشد. امروزه استفاده از فشارهای بسیار زیاد در راکتهای مدرن باعث کوچک شدن نسبی موتورهای پیشران شده و بهواسطه ازدیاد سرعت محصولات احتراق و کم شدن سطح انتقال حرارت سرعت جرمی گازهای حاصل انتقال و در پی آن ضریب انتقال حرارت جابجایی به اندازه قابلتوجه ای بیشتر شده است، لذا روش مناسب خنک کاری برحسب امکانات فنی و تجربیات کسبشده است. درجه حرارت بالای محصولات احتراق، لزوم فرایند خنک کاری را بیان میکند. این مشکل خیلی ظریف است و محاسبات دقیق و همچنین بررسی دقیق رژیم تزریق را میطلبد. اساس کاربر مبنای راهحل اپتیمم، مسائل حرارتی، انرژی تیکی و مقاومت مصالح است. معمولاً دمای احتراق پیشران موشکها از نقطه ذوب مواد استفاده
شونده بالاتر است و دیگر اینکه استحکام این مواد در دماهای بالاتر نیز بهشدت کاهش مییابد بنابراین رساندن دمای این مواد به کمتر از نقطه ذوب و دماهای پایینتر امری ضروری است. درواقع کاهش درجه حرارت بالای محصولات احتراق لزوم فرایند خنک کاری را بیان میکند.
در طراحی پیشرانهای فضایی سوخت مایع به علت بالا بودن دمای محافظه احتراق و نرخ بالای انتقال حرارت از گازهای داغ به دیواره محفظه، خنک کاری محافظه احتراق از اهمیت بالایی
برخوردار است. در طراحی سازوکار خنک کاری محفظه احتراق انتخاب روش، طراحی کانال خنک کاری و دیگر مباحث مرتبط با محفظه احتراق دوجداره، همچنین عایقهای حرارتی و انتخاب مناسب آنها ازجمله الزامات مهم در این فرایند تلقی میشود. خنک کاری در موشکهامعمولاً به دو روش اصلی و کمکی انجام میشود. روش اصلی گذراندن سوخت یا اکسیدکننده از لولههای اطراف و یا بیرون دیوار اتاق احتراق (خنک کاری بازیابی) و انتشار گرما از سطح خارجی دیواره محفظه احتراق به محیط (خنک کاری تشعشعی) و خنک کاریهای کمکی که شامل خنک کاری فیلم با استفاده از الگوی پاششی سوخت در نزدیکی دیوارهها و ایجاد لایه گازنسبتاً خنک، خنک کاری تعریقی که بهوسیله تبخیر یا تصعید مواد از سطح درونی دیوار اتاق یا از خود دیواره به شکل پاشش مایعات یا گازها از میان دیوارههای متخلخل، استفاده از موادی که گرمای سطح داغ را جذب میکند و دیگری استفاده از مواد مقاوم در مقابل حرارت بالا که بهتدریج نیز از بین میروند که به آن خنک کاری فنایی نیز میگویند همگی ازجمله خنک کاریهای کمکی محسوب میشوند.
-2 مواد و روش کار
خنک کاری بازیابی بدین معنی است که مقدار حرارت اصلی منتقلشده به دیواره ناشی از گازهای داغ بهوسیله یکی از عناصر اصلی (سوخت یا اکسیدکننده) گرفته میشود. بدینجهت محفظه احتراق از دوپوسته ساخته میشود و عنصر خنککننده بهطور مستقیم به صفحه انژکتور وارد نمیشود بلکه ابتدا به کلکتور نازل وارد میشود و ازآنجا در جهت خلاف جریان به انژکتور هدایت میشود که مقدار لازم حرارت را از دیواره داخلی جذب میکند (شکل .(1
-1 صفحه انژکتورها -2 مخلوط سوخت و اکسیدکننده -3 پوسته داخلی و خارجی محفظه احتراق -4 گلوگاه -5 انژکتور سوخت (B) و اکسیدکننده
(A)
شکل :1 نمونهای از خنک کاری بازیابی
برای اتصال پوستهها به یکدیگر از روشهای متعددی استفاده میشود که متداولترین آنها عبارتاند از:
درروش اول اتصال پوستهها به یکدیگر به کمک یک ورق نازک صورت میگیرد. روش دوم بدینصورت است که پوسته داخلی که با گاز در تماس است از یک ورق نازک با پرههای طولی فرز شده ساخته میشود. سومین روش به نحوی است که ناحیه محفظه احتراق از مجموعهای با لولههای نازک به شکل خاص فرم دادهشده تشکیلشده است. در همه این طرحها ضخامت المانهای مقاوم حرارتی خیلی زیاد نیست و در حد چند دهم میلیمتر است و فاصله آزاد عبور یا همان گام جریان که تحت اثر فشار خارجی است در حد سه الی چهار میلیمتر انتخاب میشود. جنس پوسته داخلی از مس یا برنز و جنس پوسته خارجی از نیکل و یا فولاد ساخته میشود. در پوسته خارجی نازل برای تحمل بارهای نیرویی رینگهایی (حلقههایی) برای محکم شدن نصب میشود.
چون ضخامت دیوارههای خنک شونده خیلی زیاد نیست و جنس آن از سری مواد هادی حرارت است مقاومت حرارتی دیواره خیلی کم است بنابراین حرارت تا نقطه ذوب بالا نمیرود و سیستم خنک کاری حتی با چنین فلز سبکی مانند مس بهخوبی و کاملاً مناسب کار میکند. برای اتصال پوستهها و شبکهها به یکدیگر از فویلهای به نسبت کنترل دقیق و فیکسچرهای خاصی
استفاده میشود (شکل .(2
