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.