Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 31-43
Приближенный анализ нагружения внутренней стенки биметаллической оболочки камеры многоразового ЖРД
https://doi.org/10.7463/aersp.0516.0848243Аннотация
В различных технических устройствах в качестве конструктивных элементов достаточно широко используют биметаллические оболочки. Характерным примером применения биметаллических оболочек является конструкция камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). В процессе работы ЖРД оболочка камеры сгорания подвержена интенсивным тепловым и механическим воздействиям, что приводит к необходимости ее охлаждения. Охлаждающий тракт оболочки образован зазором между ее внутренней и наружной стенками, скрепленными между собой гофрированными проставками или фрезерованными ребрами. Наружная стенка выполняет роль силового элемента оболочки, а внутренняя стенка непосредственно контактирует с высокотемпературными продуктами сгорания и подвержена интенсивному нагреву. Различие функций стенок оболочки вызывает необходимость их изготовления из разных материалов с различающимися теплофизическими и механическими характеристиками.
Взаимодействие стенок оболочки из разных материалов при нагревании и охлаждении приводит к возникновению в стенках различных по величине температурных деформаций. Материал внутренней стенки по механическим характеристикам, как правило, уступает материалу силовой наружной стенки, для которой одной из применяемых является высокопрочная нержавеющая сталь 12Х21Н5Т, а внутреннюю стенку обычно изготавливают из высокотеплопроводных сплавов на основе меди (например, из хромистой бронзы БрХ0,8). Поэтому следствием возникающей в стенках разности температурных деформаций является неупругое неизотермическое деформирование материала внутренней стенки при (как правило) упругом поведении материала наружной стенки.
Для ЖРД многоразового действия циклическая последовательность этапов нагружения внутренней стенки может привести к накоплению повреждений в ее материале, связанных с малоцикловой усталостью, и вызвать разрушение этой стенки или утрату герметичности охлаждающего тракта. Основным параметром, определяющим уровень малоцикловой усталости, является абсолютное значение накопленной неупругой деформации (как пластической, так и развивающейся во времени деформации ползучести). Количественная оценка этого параметра связана с анализом нагружения внутренней стенки при многократных пусках и выключениях ЖРД. В данной работе с использованием подходов, характерных для математического моделирования термонапряженных конструкций, представлен приближенный анализ такого нагружения при определенных упрощающих допущениях.
Список литературы
1. Феодосьев В.И. Основы техники ракетного полета. 2-е изд. М.: Наука, 1981. 496 с.
2. Моисеев В.А., Тарасов В.А., Колмыков В.А., Филимонов А.С. Технология производства жидкостных ракетных двигателей / Под ред. В.А. Моисеева, В.А. Тарасова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 381 с.
3. Воробей В.В., Логинов В.Е. Технология производства жидкостных ракетных двигателей. М.: Изд-во МАИ, 2001. 496 с.
4. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели: Основы проектирования / Под ред. Д.А. Ягодникова. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 488 с.
5. Балабух Л.И., Колесников К.С., Зарубин В.С., Алфутов Н.А., Усюкин В.И., Чижов В.Ф. Основы строительной механики ракет. М.: Высшая школа, 1969. 496 с.
6. Гусенков А.П., Котов П.И. Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении. М.: Машиностроение, 1983. 240 с.
7. Александров Д.А., Зарубин В.С. О критериях разрушения материала теплонапряженных конструкций // Машиностроение: Энциклопедия. Раздел I: Инженерные методы расчетов. Т. I-3. Кн.1: Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1994. C. 176-180.
8. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математическое моделирование термомеханических процессов при интенсивном тепловом воздействии // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41. № 2. С. 300-309.
9. Зарубин В.С. Моделирование: учеб.пособие. М.: Академия, 2013. 336 с.
10. Малинин Н.Н. Прикладная теории пластичности и ползучести. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.
11. Феодосьев В.И. Прочность теплонапряженных узлов жидкостных ракетных двигателей. М.: Оборонгиз, 1963. 210 с.
12. Зарубин В.С., Станкевич И.В. Расчет теплонапряженных конструкций. М.: Машиностроение, 2005. 352 с.
13. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математические модели механики и электродинамики сплошной среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 512 с.
14. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Пугачев О.В. Механическое взаимодействие стенок биметаллической оболочки камеры жидкостного ракетного двигателя при диффузионной пайке // Аэрокосмический научный журнал. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 4. С. 51-63. DOI: 10.7463/aersp.0415.0800092
15. Справочник по цветным металлам. Хромовая бронза: сайт. Режим доступа http://libmetal.ru/bronze/chrombronze.htm (Дата обращения 11.10.2016).
16. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с.
17. Работнов Ю.Н., Милейко С.Т. Кратковременная ползучесть. М.: Наука, 1970. 224 с.
Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 31-43
An Approximate Analysis of the Inner Wall Loading of a Bimetallic Camera Shell of Reusable Rocket Engine
https://doi.org/10.7463/aersp.0516.0848243Abstract
Various technical devices quite widely use bimetallic shells as the structural elements. A chamber combustion design of the liquid rocket engine (LRE) is a typical use of the bimetallic shells.
In LRE operation a combustion chamber shell is subject to intense thermal and mechanical effects, which necessitates cooling. A cooling shell path is formed by a gap between its inner and outer walls connected to each other by milled or grooved spacer ribs. The outer wall of the shell serves as a load-bearing element, the inner wall is in direct contact with high-temperature combustion products and exposed to intense heat. The difference in functions of shell walls calls for their manufacturing from different materials with different thermophysical and mechanical properties.
Interaction between the shell walls of different materials in heating and cooling leads to emerging thermal strains of various values in the walls. In terms of mechanical properties the inner wall material, usually ranks below the outer wall material strength, which uses the high strength stainless steel 12Х21Н5Т. The inner wall is typically made from copper-based highly heat-conductive alloys. (eg.: chromium bronze). Therefore, the result of the difference in temperature deformations, arising in the walls, is inelastic nonisothermal strain of the inner wall material with (usually) elastic behavior of the outer wall material.
For reusable LRE, a cyclic sequence of the loading steps of the inner wall can lead to accumulating damages in its material because of the low-cycle fatigue and cause destruction of the wall or the loss of the cooling tract tightness. The main parameter that determines the level of low-cycle fatigue, is an absolute value of the accumulated inelastic strain (both plastic and evolving over time creep deformation). Quantitative evaluation of this parameter involves analysis of the inner wall loading with multiple starts and shutdowns of LRE. The paper represents an approximate analysis of such loading under certain simplifying assumptions using the approaches typical for mathematical modeling of structures under thermal stress.
References
1. Feodos'ev V.I. Osnovy tekhniki raketnogo poleta. 2-e izd. M.: Nauka, 1981. 496 s.
2. Moiseev V.A., Tarasov V.A., Kolmykov V.A., Filimonov A.S. Tekhnologiya proizvodstva zhidkostnykh raketnykh dvigatelei / Pod red. V.A. Moiseeva, V.A. Tarasova. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2008. 381 s.
3. Vorobei V.V., Loginov V.E. Tekhnologiya proizvodstva zhidkostnykh raketnykh dvigatelei. M.: Izd-vo MAI, 2001. 496 s.
4. Dobrovol'skii M.V. Zhidkostnye raketnye dvigateli: Osnovy proektirovaniya / Pod red. D.A. Yagodnikova. 2-e izd. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2005. 488 s.
5. Balabukh L.I., Kolesnikov K.S., Zarubin V.S., Alfutov N.A., Usyukin V.I., Chizhov V.F. Osnovy stroitel'noi mekhaniki raket. M.: Vysshaya shkola, 1969. 496 s.
6. Gusenkov A.P., Kotov P.I. Malotsiklovaya ustalost' pri neizotermicheskom nagruzhenii. M.: Mashinostroenie, 1983. 240 s.
7. Aleksandrov D.A., Zarubin V.S. O kriteriyakh razrusheniya materiala teplonapryazhennykh konstruktsii // Mashinostroenie: Entsiklopediya. Razdel I: Inzhenernye metody raschetov. T. I-3. Kn.1: Dinamika i prochnost' mashin. Teoriya mekhanizmov i mashin. M.: Mashinostroenie, 1994. C. 176-180.
8. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N. Matematicheskoe modelirovanie termomekhanicheskikh protsessov pri intensivnom teplovom vozdeistvii // Teplofizika vysokikh temperatur. 2003. T. 41. № 2. S. 300-309.
9. Zarubin V.S. Modelirovanie: ucheb.posobie. M.: Akademiya, 2013. 336 s.
10. Malinin N.N. Prikladnaya teorii plastichnosti i polzuchesti. 2-e izd. M.: Mashinostroenie, 1975. 400 s.
11. Feodos'ev V.I. Prochnost' teplonapryazhennykh uzlov zhidkostnykh raketnykh dvigatelei. M.: Oborongiz, 1963. 210 s.
12. Zarubin V.S., Stankevich I.V. Raschet teplonapryazhennykh konstruktsii. M.: Mashinostroenie, 2005. 352 s.
13. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N. Matematicheskie modeli mekhaniki i elektrodinamiki sploshnoi sredy. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2008. 512 s.
14. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N., Pugachev O.V. Mekhanicheskoe vzaimodeistvie stenok bimetallicheskoi obolochki kamery zhidkostnogo raketnogo dvigatelya pri diffuzionnoi paike // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2015. № 4. S. 51-63. DOI: 10.7463/aersp.0415.0800092
15. Spravochnik po tsvetnym metallam. Khromovaya bronza: sait. Rezhim dostupa http://libmetal.ru/bronze/chrombronze.htm (Data obrashcheniya 11.10.2016).
16. Rabotnov Yu.N. Polzuchest' elementov konstruktsii. M.: Nauka, 1966. 752 s.
17. Rabotnov Yu.N., Mileiko S.T. Kratkovremennaya polzuchest'. M.: Nauka, 1970. 224 s.
