Конструкционные материалы

Разделы курса

Основные задачи

Теплозащита

Определения

Выбор по критерию

Проблемы выбора

Способы теплозащиты

Термодинамические параметры

1. P=5…20 МПа

2. T=3000…4000 К

3.

4. q=3…100 МДж/м2

· Ограничения на конструкцию - Tдоп.

Противоречиеразрешение противоречия тепловая защита двигателя (ТеЗ).

- охлаждение наружное;

-защитная среда;

-теплоизоляция;

-аккумулятивный способ (за счет поглощения тепловых потоков);

-радиационное охлаждение (конструкця излучает тепло в окружающее пространство);

-применение спец. материалов;

-абляционный способ (абляционный слой постепенно испаряется, обеспечивая тепловую защиту камеры, этот способ наиболее актуален);

-другие возможные способы в песпективе.

-анализ конструкции двигателя;

-научная база;

-экономические проработки;

-энергетические показатели;

-массовые характеристики;

-увязка с общим проектом;

-другие.

Критерий должен удовлетворять разработчиков:

-единичные критерии;

-комплексные критерии.

-это совокупность элементов, материалов, обеспечивающих стойкость конструкции двигателя;

-это совокупность мероприятий по обеспечению работоспособности конструкции двигателя.

Работоспособность – способность двигателя работать в установленном регламенте.

1. Анализ.

2. Выбор способа защиты.

3. Доказательство.

4. Расчеты (температурное состояние стенки в рамках проекта).

5. Техническое исполнение.

6. Технологическое решение.

Учебный курс «Теплозащита и прочность конструкции»

Цель курса - подготовка к проектной работе.

Задача курса - получение навыков проектирования и расчетов ТеЗ в части:

-анализ условий работы конструкции;

- постановка задачи и обоснование расчетной схемы;

- проведение расчетов.

Предмет курса - методология расчета ТеЗ.

1.Физико-технические аспекты теплозащиты.

2.Расчет теплоотдачи, тепловых потоков в камере.

3. Расчет термомеханического состояния конструкции.

Раздел 1. Физико-технические аспекты теплозащиты

Лекция 2

Вещественные среды

Основной вопрос ТеЗ обусловлен взамодействием рабочего тела машины с материалом конструкции. Необходимо разобраться что защищать, от чего защищать, чем защищать.

Разнообразия механизмов ТеЗ сводится к обобщенным явлениям взаимодействия вещественных объектов. Специфика механизмов определяет выбор соответствующих способов защиты и материалов.

-Рабочие тела. Подразделяются на основные (непосредственно производящие работы) и вспомогательные (обслуживающие процесс).

Основное рабочее тело двигателя - продукты сгорания (ПС) топлива – это смесь (∼12) газов.

Дополнительное рабочее тело – охладитель. Для наружного проточного охлаждения и внутренней завесы обычно используется один из компонентов топлива, чаще всего – горючее. Иногда могут быть использованы оба компонента или специальный третий. Ограничения для используемого охладителя – допускаемая температура Tохл.доп., равная Tкип (при p<pкр), Tразложен. (при p>pкр).

В необходимых случаях рассматриваются другие рабочие тела: газогенераторный газ, окружающая среда и другие.

Критерий Дамкёллера - степень равновесности процесса.

-Материалы

· конструкционные:

· функциональные.

Материалы несущих конструкций обладают набором свойств, определяемых по справочникам, и пределом применимости по Tдоп., устанавливаемой по соображениям прочности.

-классические металлы и сплавы: углеродистые стали, высоколегированные (нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие) стали, цветные металлы и их сплавы;

-специальные металлы и сплавы: Mo, Nb, W с Tдоп≃1700К используются для исполнительных задач;

-неметаллические материалы: пластмассы (термопласты, реактопласты и т.п.), композитные материалы;

Композиты – искусственно создаваемые человекомматериалы с программируемыми свойствами: связующий материал(матрица) и наполнитель. Различают следующие типы КМ.

· Полимерные композитные материалы (ПКМ) – в качестве связующего используются эпоксидные, фенольные и др. смолы. Имеют невысокую рабочую температуру Tдоп≃450…600К из-за деструкции связующего

· Углерод-углеродные композитные материалы(УУКМ) – в качестве связующего используются углеродные материалы, не подверженные деструкции, обладают высокой жесткостью, малым коэффициентом термического расширения, стойкостью к термоударам.К этой группе могут быть причислены углерод-углеродные керамические конструкционные материалы(УУККМ), в составе матрицы которых присутствуют карбиды тугоплавких материалов, благодаря чему они приобретают исключительные свойства окислительной и эрозионной стойкости в диапазоне температур до 2000 К.