Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số buồng đốt đến các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn.

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số buồng đốt đến các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn.

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG THẾ DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ BUỒNG ĐỐT ĐẾN CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2018
2. CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Lê Song Tùng 2. PGS., TS. Trịnh Hồng Anh Phản biện 1: PGS., TS. Nguy ễn Ngọc Du Viện Khoa họ c và Công nghệ quân sự Phản biện 2: PGS., TS. Phạm Thế Phiệt Học viện Kỹ thu ật quân sự Phản biện 3: PGS., TS. Lê Anh Tuấn Đại học Bách khoa Hà Nội Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ phút, ngày tháng năm 2018. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Phân tích ảnh hưởng của tính chất hai pha sản phẩm cháy (SPC) và yếu tố cháy xói mòn để xây dựng một phương pháp xác định chính xác hơn các thông số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hỗn hợp (ĐTRHH) là cần thiết. Mục đích của luận án: Chính xác hóa phương pháp xác định các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp. Đề xuất chọn lựa hợp lý giá trị một số tham số kết cấu đảm bảo tính bền cho vỏ buồng đốt, liều nhiên liệu trong thiết kế và thử nghiệm ĐTR. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu thiết lập chương trình, giải bài toán xác định các thông số làm việc đặc trưng của ĐTRHH; khảo sát ảnh hưởng của SPC hai pha, đường kính buồng đốt và một số tham số khác đến các thông số làm việc đặc trưng của ĐTRHH; nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá tính chính xác của mô hình toán. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu chuyển động của dòng SPC bên trong buồng đốt và trong loa phụt ĐTRHH có tính đến ảnh hưởng của một số tham số. Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm. Ý nghĩa khoa học của luận án: Xây dựng được phương pháp xác định các thông số làm việc của ĐTRHH có tính đến ảnh hưởng của dòng chảy SPC hai pha và hiệu ứng cháy xói mòn. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu ứng dụng trong tính toán, lựa chọn phương án thiết kế, phương án công nghệ vật liệu, chế tạo, thử nghiệm ĐTRHH và nghiên cứu giảng dạy. Luận án gồm phần mở đầu, kết luận, 4 chương được trình bày trong 121 trang và phần phụ lục.
4. 2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC CỦA ĐTR 1.1. Khái quát về kết cấu động cơ tên lửa nhiên liệu rắn 1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn Sơ đồ nguyên lý cấu tạo chung của ĐTR như trên hình 1.1. Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của ĐTR 1.Mồi; 2.Đĩa chắn thuốc; 3.Vỏ buồng đốt; 4.Liều nhiên liệu; 5.Nắp bịt; 6.Loa phụt. Sơ đồ kết cấu ĐTR được chia thành hai nhóm [25]: Nhóm ĐTR có liều nhiên liệu được chế tạo rời, lắp đặt tự do vào buồng đốt. Nhóm thứ hai có liều nhiên liệu được chế tạo trực tiếp trong buồng đốt bằng phương pháp rót, đúc cố định với thành buồng đốt. 1.1.2. Đặc điểm hoạt động của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn Nguyên lý hoạt động: Thuốc mồi 1 được kích hoạt mồi cháy liều nhiên liệu 4. Nắp bịt loa phụt 5 bị phá hủy, mở luồng giải phóng SPC ra ngoài không gian. Hiện tượng cháy xói mòn: Tốc độ cháy thuốc phóng tăng lên dọc theo bề mặt cháy liều nhiên liệu khi có SPC chuyển động bên trong rãnh liều nhiên liệu [16], [23], [24]. Tính chất hai pha SPC nhiên liệu hỗn hợp: Nhiên liệu rắn hỗn hợp khi cháy sinh ra các SPC ở dạng hai pha - pha khí và pha ngưng tụ (dạng rắn, lỏng). Trong loa phụt, pha ngưng tụ có vận tốc thấp hơn và có nhiệt độ cao hơn vận tốc và nhiệt độ pha khí, gây ra hiện tượng trao đổi động lượng và năng lượng giữa các pha. Trong buồng đốt, các pha có vận tốc nhỏ và nhiệt độ rất cao nên mức độ trao đổi động lượng và năng lượng trong buồng đốt rất thấp khi so sánh với quá
5. 3 trình này trong loa phụt. 1.2. Phương pháp lý thuyết xác định các thông số làm việc của ĐTR 1.2.1. Trường hợp xem dòng sản phẩm cháy là không dừng, một hay nhiều chiều Dòng chảy hai pha trong buồng đốt là dòng chảy một chiều, không dừng có bổ sung thành phần pha rắn. Các phần tử ngưng tụ của dòng chảy hai pha trong loa phụt được tăng tốc do lực nhớt của khí và trao đổi nhiệt với khí. Mô hình dòng chảy đối xứng trục là trường hợp riêng của dòng trong không gian ba chiều, sử dụng hệ phương trình cơ học môi trường liên tục. 1.2.2. Phương pháp trung bình theo thể tích Các thông số làm việc trong buồng đốt được lấy trung bình theo thể tích buồng đốt, xem vận tốc dòng SPC trong buồng đốt có giá trị bằng 0. SPC là hỗn hợp khí thỏa mãn phương trình trạng thái. 1.3. Phương pháp thực nghiệm xác định các thông số làm việc của ĐTR Sau khi tính toán, thiết kế và chế tạo ĐTR, các thông số làm việc của động cơ được xác định thông qua thử nghiệm đo động cơ trên giá. 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Ngoài nước: Mô hình dòng chảy được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình tổng quát Navier-Stokes của môi chất nén được thuần nhất, được giải bằng phương pháp chia lưới động phức tạp. Trong nước: Các công trình nghiên cứu trong nước chưa thể hiện được cách giải quyết vấn đề mà nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu. Những tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án: Cần thiết xây dựng một mô hình toán xác định các thông số làm việc của ĐTRHH có tính khả thi và ứng dụng phù hợp với tình hình nghiên cứu và phát
6. 4 triển kỹ thuật ĐTR ở nước ta hiện nay. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 1. Các tham số buồng đốt ảnh hưởng đến các tham số làm việc đặc trưng của ĐTRHH (áp suất, thời gian ) bao gồm: diện tích tiết diện ngang và chiều dài các rãnh trong buồng đốt nơi có SPC chảy qua; diện tích bề mặt cháy liều nhiên liệu; các đặc trưng năng lượng và tính chất cháy của nhiên liệu; tính chất SPC (1 pha, 2 pha); tính chất trao đổi nhiệt và động lượng của các pha SPC; tính chất trao đổi nhiệt của SPC với các chi tiết trong buồng đốt 2. Phương pháp xác định các thông số làm việc của ĐTR trên cơ sở sử dụng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng có thuật giải phức tạp. Phương pháp sử dụng hệ phương trình thuật phóng trong cho kết quả có độ chính xác cao hơn nếu thể hiện được sự ảnh hưởng của bản chất dòng chảy SPC vào trong hệ phương trình. 3. Các nghiên cứu về mô hình toán học xác định các thông số làm việc đặc trưng của ĐTRHH ở trong và ngoài nước còn rất ít và chưa đầy đủ. Do vậy, cần phải xây dựng được mô hình toán nhiệt-hạt-khí động lực học phục vụ thiết kế, chế tạo ĐTRHH là có tính cấp thiết. Chƣơng 2. MÔ HÌNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐTRHH 2.1. Các giả thiết cơ bản Dòng SPC trong buồng đốt là hỗn hợp đồng nhất thỏa mãn phương trình trạng thái khí lý tưởng. Dòng chảy trong các rãnh liều nhiên liệu là một chiều, không dừng. Các thông số đặc trưng dòng SPC được lấy trung bình theo tiết diện ngang rãnh liều nhiên liệu. SPC trong loa phụt là hỗn hợp của khí và hạt có kích thước bằng nhau nhưng có vận tốc và nhiệt độ khác nhau.
7. 5 2.2. Hệ phƣơng trình tổng quát xác định các thông số làm việc đặc trƣng của ĐTRHH Wp dT Ak F th p RT mR Tv T T dt 1  FS2 p2  m 22thTP 1 Vo  kAk k 1 p ; mR TP TP (2.29) dpF2 p2 p km W mRT 22 kAth TP k 1   S p; dtv k m 1 Vo R TP TP dW m ; dt TP và các biểu thức quan hệ khác: m w u   0,0592 Re 0,2  1  T 20 u p f T u p T bd 1 TP bd 1  21  c k 1 2 2  1 K Kw  kh ; 1  1  c k 1  p (2.30) k1 0 K 1; 1 2 K 1; wk1 kh T Su TP w ; m  Su TP . F Điều kiện ban đầu: khi t = 0, p = pm; T = Tm; W = W0; mm 0 . Trong đó: m - tốc độ sinh khí SPC, [kg/s]; W - thể tích tự do của 3 buồng đốt, [m ]; Ak - hằng số lưu lượng; Fth - diện tích tiết diện tới 2 hạn loa phụt, [m ];  mmT LP - tỷ lệ khối lượng pha ngưng tụ trong SPC; Tv - nhiệt độ cháy đẳng tích, [K]; cp, cT - nhiệt dung riêng đẳng áp của pha khí và nhiệt dung riêng của pha ngưng tụ, [J/(kg.K)]; SVo 2 - diện tích bề mặt thành buồng đốt, [m ]; TT, wT - nhiệt độ và vận tốc của các hạt pha ngưng tụ trong loa phụt, [K], [m/s]; KwT w w - hệ số không cân bằng động lực học; KTTT T 0 - hệ số không cân bằng nhiệt độ, với T0 - nhiệt độ hãm của khí trong buồng đốt; pm - áp suất
8. 6 mồi cháy thuốc phóng, [Pa]; Tm - nhiệt độ cháy thuốc mồi, [K]. 2.3. Giải mô hình toán 2.3.1. Xây dựng các điều kiện đầu vào Hình 2.1. Mô hình buồng đốt ĐTRHH bọc chống cháy 2 đáy 2.3.2. Ảnh hƣởng của tính chất hai pha SPC nhiên liệu hỗn hợp Lực thuốc phóng có tính đến ảnh hưởng của tính chất hai pha SPC được tính theo công thức: RTv f0 RT BD (2.36) 2 2 k1  Phương trình tính xung lượng riêng cho ĐTRHH: ' T Fpa mt JKJ1 a 00 (2.43) T m Đường kính tiết diện tới hạn loa phụt ĐTRHH: S0 TP u p BD RTv D2th (2.47) Ak T p BD k Xác định Kw(p), KT(p) và χT(p) theo hệ phương trình:  21  c k 1 2 2  1 K Kw  kh 1  1  c k 1  p ASTRA RTv RT (2.48) 2 2 k1  ' Fp JKJASTRA T a mt 1 a 00  m T Với thuốc phóng balistic:  0;  1 .
9. 7 2.3.3. Ảnh hƣởng của một số chi tiết kết cấu đến áp suất làm việc của động cơ Hệ số tổn thất áp suất qua đĩa chắn thuốc có dạng [29]: 2 0,375 p FFCT CT CT 0,707 1 1 . (2.49) w22 FF 0 kk Tổn thất áp suất theo chiều dài ống trụ [29]: 2 ltd w td  c (2.54) d2BD 2.3.4. Sự thay đổi các thông số dòng sản phẩm cháy và kích thƣớc liều nhiên liệu Phương trình xác định vận tốc dòng trong các rãnh liều nhiên liệu: Sng (t,x)u ng (t,x) TP wng (t, x) , Fng (t, x) (2.55) Str (t,x)u tr (t,x) TP wtr (t, x) , Ftr (t, x) Áp suất tại tiết diện bất kỳ p(x) phụ thuộc vào áp suất tại vị trí cửa vào loa phụt p như sau: n 22 p x p  i w i 1 w i  CT  td . (2.67) ix 2.3.5. Tốc độ sinh khí sản phẩm cháy của liều nhiên liệu LTP t L TP t m D t,x   t,xp  t,xdx Dt,x ng ng ng tr 00 (2.68)  tr t,xp  tr t,xdx  1  T T bd 20u 1 TP . Tóm lại, để tính toán ĐTRHH sử dụng liều nhiên liệu hình trụ bọc chống cháy 2 đáy, biểu thức (2.30) được viết lại đầy đủ như sau:
10. 8  21  c k 1 2 2  1 K Kw  kh ; 1  1  c k 1  p k1 2 0 Kw 1; 1  kh K T 1; k1 RT RTASTRA v ; 2 2 k1  2 ASTRA Ka k 1 2  RT v  k1 K w  kh F a p mt J1 1 ; k k 1 1  k 1 K  m aT Sng (t,x)u ng (t,x) TP Str (t,x) u tr (t,x) TP wng (t, x) ; w tr (t, x) ; Fng (t, x) Ftr (t, x) xx S (t, x) D (t, x)dx; S (t, x) D (t, x)dx; ng ng tr tr 00  u (t, x)  t, x  1  T 20 u p t, x ; ng ng T bd 1 ng  u (t, x)  t, x  1  T 20 u p t, x ; tr tr T bd 1 tr m (t,x)w (t,x) ng ng 0,2 ng t, x    0,0592 Re ; f T u p t,x TP bd 1 ng m (t,x)w (t,x) tr tr 0,2 tr t, x    0,0592 Re ; f T u p t, x TP bd 1 tr tt D t, x D 2 u t, x dt; D t, x D 2 u t, x dt; ng ng ng tr tr tr 00 n 22 p t, x p(t) ng w ng w ng   ; (2.69) ng  i i 1 i CT td ix n 22 pt,xp(t) tr w tr w tr   ; tr i i 1 i CT td ix LTP t L TP t m D t, x   t, x  p t, x dx D t, x ng ng ng tr 00 t, x  p t, x dx  1  T 20 u . tr tr T bd 1 TP
11. 9 2.3.6. Xây dựng sơ đồ thuật toán:
12. 10 2.4. Kiểm tra độ tin cậy của mô hình lý thuyết khi áp dụng tính toán một số động cơ tên lửa điển hình Đối tượng tính toán: động cơ hành trình 9M39.01 tên lửa Igla sử dụng liều nhiên liệu hỗn hợp 9X195 có 12% bột kim loại nhôm và động cơ tầng 1 vũ khí FMV-B1 sử dụng liều nhiên liệu balistic RSI-12M. Động cơ SPC thuần khí SPC 2 pha 9M39.01 Hình 2.9. Đồ thị p(t) lý thuyết Hình 2.10. Đồ thị p(t) thực nghiệm [6] Cháy có xói mòn Động cơ Cháy không xói mòn FMVB1 Hình 2.11. Đồ thị p(t) lý thuyết Hình 2.12. Đồ thị p(t) thực nghiệm [2] KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 1. Mô hình lý thuyết xác định các thông số làm việc đặc trưng của ĐTRHH được xây dựng trên cơ sở các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. Đóng góp mới của mô hình là có tính đến ảnh hưởng của pha ngưng tụ xuất hiện trong thành phần sản phẩm cháy, được đặc trưng bởi các hệ số không cân bằng nhiệt động học Kw, KT, hệ số χT. Ngoài ra, quá trình biến đổi áp suất, vận tốc của dòng SPC trong các rãnh liều nhiên liệu và tốc độ cháy nhiên liệu có ảnh hưởng của yếu tố cháy xói mòn cũng được nghiên cứu trong mô hình. 2. Vận tốc và nhiệt độ của pha ngưng tụ và pha thuần khí có độ chênh lệch lớn đặc biệt là trong loa phụt, do đó gây ra tổn thất dòng
13. 11 hai pha trong loa phụt, làm thay đổi các đặc trưng làm việc của nhiên liệu và động cơ so với trường hợp xem SPC là thuần khí. 3. Mô hình lý thuyết của luận án là đúng đắn và phù hợp khi áp dụng tính toán ĐTR sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp và thuốc phóng balistic. Chƣơng 3. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ BUỒNG ĐỐT ĐẾN CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐỘNG CƠ 3.1. Đặt vấn đề 3.2. Xây dựng các điều kiện đầu vào 3.3. Ảnh hƣởng của tính chất hai pha SPC nhiên liệu hỗn hợp Lựa chọn áp suất làm việc của động cơ ở nhiệt độ thường là 8,2 MPa. Hình 3.2. Phụ thuộc của hệ số χT Hình 3.3. Phụ thuộc của lực thuốc vào Kw và KT phóng RT vào Kw và KT Hình 3.4. Sự phụ thuộc của xung Hình 3.5. Mối liên hệ giữa các hệ lượng riêng vào Kw, KT số Kw và KT
14. 12 Hình 3.6. Phụ thuộc của các hệ số Hình 3.7. Phụ thuộc của hệ số χT không cân bằng vào áp suất vào áp suất Hình 3.8. Phụ thuộc của Dth vào Hình 3.9. Phụ thuộc của đường Kw và KT kính tới hạn Dth vào áp suất 3.4. Ảnh hƣởng của đƣờng kính buồng đốt Hình 3.10. Sự biến đổi hình dạng liều nhiên liệu với Dth=0,02m; DBD=0,045m a. Với đường kính buồng đốt DBD = 0,036 m
15. 13 b). Với đường kính buồng đốt DBD = 0,038 m c). Với đường kính buồng đốt DBD = 0,040 m d). Với đường kính buồng đốt DBD = 0,045 m Hình 3.11. Sự biến đổi vận tốc dòng SPC trong các rãnh liều nhiên liệu a. Với đường kính buồng đốt DBD = 0,036 m
16. 14 b). Với đường kính buồng đốt DBD = 0,038 m c). Với đường kính buồng đốt DBD = 0,040 m d). Với đường kính buồng đốt DBD = 0,045 m Hình 3.12. Sự biến thiên áp suất dòng SPC trong các rãnh liều nhiên liệu Hình 3.13. Sự biến thiên nhiệt độ Hình 3.14. Sự biến thiên tốc độ sinh trong buồng đốt với DBD = 0,045 m khí SPC với DBD = 0,045 m
17. 15 a). Với DBD = 0,036 m b). Với DBD = 0,038 m c). Với DBD = 0,040 m d). Với DBD = 0,045 m Hình 3.15. Sự biến thiên áp suất tại cửa vào loa phụt và vị trí đầu động cơ Bảng 3.5. Các thông số làm việc chính của động cơ SPC thuần khí, SPC hai pha, có xói mòn Thông số không xói mòn (tại vị Vị trí đầu động cơ Vị trí cửa trí cửa vào loa phụt) Rãnh trong Rãnh ngoài vào loa phụt Áp suất lớn nhất, ×106 Pa: - DBD = 0,036m 9,5476 13,3595 15,0877 7,1801 - DBD = 0,038m 9,5532 9,3225 7,2807 7,1938 - DBD = 0,040m 9,5743 8,9034 7,2641 7,1947 - DBD = 0,045m 9,5817 8,9001 7,2418 7,2054 Áp suất trung bình, ×106 Pa: - DBD = 0,036m 8,7336 7,5166 7,0311 5,9882 - DBD = 0,038m 8,7360 7,4772 6,7856 6,3071 - DBD = 0,040m 8,7105 7,4814 6,7028 6,4186 - DBD = 0,045m 8,6645 7,4156 6,4719 6,3672 Thời gian làm việc, s: - DBD = 0,036m 0,1490 0,1550 - DBD = 0,038m 0,1490 0,1560 - DBD = 0,040m 0,1495 0,1560 - DBD = 0,045m 0,1505 0,1580
18. 16 3.5. Ảnh hƣởng của đĩa chắn thuốc và ống lót Hình 3.16. Tỷ lệ diện tích thoát khí Hình 3.17. Sự thay đổi vận tốc dòng giữa các rãnh liều nhiên liệu và ĐCT SPC hai pha qua đĩa chắn thuốc Hình 3.18. Sự thay đổi áp suất dòng Hình 3.19. Tỷ lệ % giảm áp suất SPC hai pha qua đĩa chắn thuốc dòng SPC hai pha qua đĩa chắn thuốc Hình 3.20. Sự tăng áp suất dòng SPC hai pha qua ống lót theo thời gian
19. 17 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 1. Sản phẩm cháy của nhiên liệu rắn hỗn hợp có tính chất nhiều pha khi chuyển động trong buồng đốt và loa phụt ĐTR. Khi biết được thành phần hóa học và tỷ lệ kim loại trong nhiên liệu hỗn hợp, hoàn toàn có thể xác định được tỷ lệ vận tốc và nhiệt độ giữa pha rắn và pha khí của SPC trong loa phụt ĐTRHH ở áp suất làm việc cho trước. Trong trường hợp sử dụng thỏi thuốc hỗn hợp SD-17/18M (có 16,8 % kim loại nhôm) trong động cơ mẫu ở áp suất 8,2.106 Pa, vận tốc của dòng pha ngưng tụ bằng 70,43 % vận tốc dòng khí và nhiệt độ của các hạt ngưng tụ xấp xỉ 72,18 % nhiệt độ hãm của khí trong buồng đốt. 2. Lực thuốc phóng RT, xung lượng riêng J1, đường kính tiết diện tới hạn loa phụt Dth, áp suất làm việc trung bình pTB trong mô hình toán có tính đến ảnh hưởng của tính chất hai pha SPC (hệ (2.29)-(2.69)) có giá trị thấp hơn trường hợp mô hình toán không tính đến sự ảnh hưởng này. Cụ thể, đối với mô hình động cơ mẫu thử nghiệm (hình 2.1), ở áp suất 2 8,2.106 Pa, lực thuốc phóng RT thấp hơn   1,661 lần, xung lượng riêng J1 thấp hơn 1,058 lần, đường kính tới hạn loa phụt Dth thấp hơn  T 1,135 lần và áp suất trung bình giảm 26,514 % (với DBD = 0,045 m) giá trị các tham số này trong trường hợp không tính đến ảnh hưởng của tính chất hai pha SPC. Sự khác biệt lớn trong kết quả tính toán của hai mô hình toán cho thấy rằng, nếu sử dụng mô hình toán không tính đến ảnh hưởng của tính chất hai pha SPC có thể đưa ra những khuyến nghị về thiết kế không đúng với kết quả thực nghiệm ĐTRHH. 3. Đối với ĐTRHH sử dụng liều nhiên liệu và loa phụt có kích thước cho trước thì đường kính trong buồng đốt ảnh hưởng mạnh tới chuyển động của dòng SPC, gây ra hiện tượng cháy xói mòn và sự chênh lệch áp suất giữa các vị trí đầu và cuối liều nhiên liệu. Trong trường hợp động cơ khảo sát, đường kính buồng đốt phù hợp hơn cả là 0,045 m. Khi đó, sự chênh lệch vận tốc và áp suất giữa các vị trí đầu và cuối liều
20. 18 nhiên liệu là nhỏ và vì thế làm giảm hiệu ứng cháy xói mòn, tăng độ ổn định làm việc cho động cơ. Ngoài ra, việc lựa chọn các tham số buồng đốt cần đảm bảo hạn chế tối đa sự tăng áp suất đột ngột trong buồng đốt, giảm chênh lệch áp suất giữa rãnh trong và rãnh ngoài để đảm bảo độ bền cho liều nhiên liệu trong quá trình ĐTR làm việc. 4. Vận tốc dòng SPC tăng lên khi đi qua đĩa chắn thuốc và giảm khi chuyển động qua ống lót. Ngược lại, áp suất dòng SPC hai pha giảm khi chuyển động qua đĩa chắn thuốc và tăng lên khi đi qua ống lót. Sự thay đổi tổng hợp áp suất dòng qua đĩa chắn thuốc và ống lót chiếm khoảng 1,6 % so với áp suất làm việc trong buồng đốt ĐTR. 5. Kết quả khảo sát của luận án có thể ứng dụng trong quá trình xây dựng đơn thuốc cho thuốc phóng hỗn hợp, trong quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ĐTRHH. Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐTRHH 4.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Để kiểm chứng sự đúng đắn của kết quả nghiên cứu lý thuyết. 4.2. Phân tích xác định thành phần hóa học và đặc trƣng năng lƣợng thuốc phóng Nhiệt lượng thuốc phóng SD-17/18M: Qv=6506,43 J/g; Thể tích sinh -3 0,227264 khí: W1 = 664,2 ml/g; Hàm tốc độ cháy: u = 1,044201.10 p . 4.3. Thiết kế và chế tạo động cơ mẫu Đo áp suất vị trí cửa vào loa phụt Đo áp suất tại 2 vị trí đầu và cuối động cơ Hình 4.3. Sản phẩm động cơ mẫu
21. BD BD m 0,036 = D m, 0,020 m 0,045 = D m, 0,022 th th = = D với p(t) đo đồ Biểu 4.16. Hình = D với p(t) đo đồ Biểu 4.15. Hình BD BD 0,018 m, D m, 0,018 = 0,045 m 0,045 = D m, 0,020 m 0,045 = th th Biểu đồ đo p(t) với D với p(t) đo đồ Biểu 4.14. Hình = D với p(t) đo đồ Biểu 4.13. Hình = = Đã tiến hành 4 đợt thử nghiệm đo áp suất động cơ. Kết quả cụ thể: cụ quả Kết cơ. động suất áp đo nghiệm thử đợt 4 hành tiến Đã đo quả Kết .3. 4 phßng tn ®l ®hb hÖ thèng ®o §éNG LùC T£N LöA phßng tn ®l ®hb hÖ thèng ®o §éNG LùC T£N LöA 4. 069516098 069516098 ®Ò tµi : nghiªn cøu kh¶o s¸t c¸c chØ tiªu n¨ng l•îng cña thu«c phãng hçn hîp S-350 vµ th¨m dß kh¶ n¨ng ®Ò tµi : nghiªn cøu kh¶o s¸t c¸c chØ tiªu n¨ng l•îng cña thu«c phãng hçn hîp S-350 vµ th¨m dß kh¶ n¨ng c«ng nghÖ nh»m chÕ t¹o ®éng c¬ phãng 78dt cña tªn löa kh-35e c«ng nghÖ nh»m chÕ t¹o ®éng c¬ phãng 78dt cña tªn löa kh-35e § å T H Þ ¸ p su Ê t Ph¸t sè: 04 § å T H Þ ¸ p su Ê t Ph¸t sè: 6 4000 của Viện Tên lửa. lửa. Tên Viện của 4000 - DEWE năng đa đo thống bar bar 120 80 70 100 60 ồ cm in o p ut DA suất áp đo biến cảm gồm bao đo tiện Phương 08 và hệ hệ và 08 - 10 80 - 50 60 40 30 40 ơ được thử nghiệm ở điều kiện nhiệt độ môi trường. môi độ nhiệt kiện điều ở nghiệm thử được ơ c động Các 20 20 10 0 0 4.14 4.164.16 4.184.18 4.204.20 4.224.22 4.244.24 4.264.26 4.284.28 4.304.30 4.324.32 4.344.34 12.70 12.7212.72 12.7412.74 12.7612.76 12.7812.78 12.8012.80 12.8212.82 12.8412.84 12.8612.86 12.8812.88 12.9012.90 nghiệm thực thuật Kỹ .2. 4 Ap suat s s Ap suat s s 4. C h an n e l:A p s u at C h an n e l:A p s u at Y1: 52.397 bar Y2: 42.408 bar Y1: 53.354 bar Y2: 55.993 bar t1: -15.833 s t2: -15.685 s t1: -7.267 s t2: -7.108 s dt: 0.148 s f: 6.748 Hz dt: 0.159 s f: 6.305 Hz dY: -9.989 dY/dt: -67.400 dY: 2.639 dY/dt: 16.639 Min: 42.408 Max: 89.508 Min: 53.354 Max: 69.605 1. Động cơ; 2. Giá đo; 3. Đầu đo áp suất áp đo Đầu 3. đo; Giá 2. cơ; Động 1. Int: 12.376 RMS: 83.665 Int: 10.090 RMS: 63.689 ®iÒu kiÖn m«i tr•êng: ®iÒu kiÖn m«i tr•êng: Ngµy 12 th¸ng 11 n¨m 2014 NhiÖt ®é: 20.0 oC §é Èm: 73.0 % Ngµy 21 th¸ng 01 n¨m 2015 NhiÖt ®é: 13.0 oC §é Èm: 89.0 % Thực nghiệm đo áp suất động cơ mẫu trên giá đo đứng đo giá trên mẫu cơ động suất áp đo nghiệm Thực 4.5. Hình phßng tn ®l ®hb hÖ thèng ®o §éNG LùC T£N LöA 069516098 ®Ò tµi : nghiªn cøu kh¶o s¸t c¸c chØ tiªu n¨ng l•îng cña thu«c phãng hçn hîp S-350 vµ th¨m dß kh¶ n¨ng c«ng nghÖ nh»m chÕ t¹o ®éng c¬ phãng 78dt cña tªn löa kh-35e § å T H Þ ¸ p su Ê t Ph¸t sè: 2 bar 60 50 40 30 20 10 0 13.24 13.2613.26 13.2813.28 13.3013.30 13.3213.32 13.3413.34 13.3613.36 13.3813.38 13.4013.40 13.4213.42 13.4413.44 13.4613.46 Ap suat s s C h an n e l:A p s u at Y1: 38.444 bar Y2: 36.396 bar t1: -6.725 s t2: -6.550 s dt: 0.176 s f: 5.695 Hz đo tƣợng Đối .1. dY: -2.049 dY/dt: -11.667 4.4 Min: 36.396 Max: 50.901 Int: 8.157 RMS: 46.504 ®iÒu kiÖn m«i tr•êng: Ngµy 21 th¸ng 01 n¨m 2015 NhiÖt ®é: 13.0 oC §é Èm: 89.0 % cơ động của trƣng đặc việc làm số thông các đo nghiệm Thử 4.4. 19
22. 20 Hình 4.17. Biểu đồ đo p(t) với Dth = Hình 4.18. Biểu đồ đo p(t) với Dth = 0,020 m, DBD = 0,038 m 0,020 m, DBD = 0,040 m 4.5. Xử lý và nhận xét kết quả thử nghiệm 4.5.1. Phƣơng pháp xử lý số liệu kết quả đo bằng chƣơng trình tính toán trên máy tính điện tử Hình 4.19. Phương pháp xử lý đồ thị đường cong áp suất tD tC p(t)dt (p(t) p (t))dt 1 k ttAB p,TB (4.1) ttDA 4.5.2. Kết quả xử lý Bảng 4.6. Kết quả đo động cơ ở điều kiện thường sau xử lý đồ thị p , p , Thời D , D , L , max TB TT th BD td × 106, [Pa] × 106, [Pa] gian, [m] [m] [m] Đầu ĐC Cuối ĐC Đầu ĐC Cuối ĐC [s] 1 0,018 0,045 0,028 10,1280 8,0903 0,1449 2 8,7092 7,9141 0,1526 3 Không 8,9510 Không 8,3751 0,1468 4 đo 9,2740 đo 8,2100 0,1419 5 0,078 10,0474 8,1845 0,1475 6 0,020 0,028 6,7340 6,3002 0.1616
23. 21 7 7,2501 6,5130 0,1568 8 6,9613 6,3317 0,1617 9 0,022 5,8346 4,7788 0,1652 10 5,0900 4,6319 0,1775 11 6,4780 4,9558 0,1581 12 0,020 0,036 13,701 6,6570 6,8027 5,9367 0,1502 13 0,038 7,4641 6,9324 6,8380 6,0156 0,1571 14 0,040 7,4703 6,9657 6,8823 6,1125 0,1523 4.5.3. Đánh giá sai số của phép đo Bảng 4.7. Áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ với DBD = 0,045 m và đường kính tới hạn loa phụt thay đổi -3 -3 -3 Dth, m 18.10 20.10 22.10 Thực nghiệm 8,155 ± 0,27 6,382 ± 0,18 4,789 ± 0,26 p , TB Lý thuyết 8,1912 6,3672 5,0875 × 106 [Pa] Sai số, % 0,442 0,232 5,867 Thực nghiệm 0,1467 0,1600 0,1669 tTB, [s] Lý thuyết 0,1515 0,1580 0,1630 Sai số, % 3,168 1,266 2,393 Bảng 4.8. Áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ với Dth = 0,02 m và đường kính buồng đốt thay đổi -3 -3 -3 DBD, m 36.10 38.10 40.10 Thực nghiệm 13,701 7,4641 7,4703 6 pmax0, × 10 [Pa] Lý thuyết 15,0877 7,2807 7,2641 Sai số, % 9,191 2,519 2,839 Thực nghiệm 6,6570 6,9324 6,9657 6 pmax1, × 10 [Pa] Lý thuyết 7,1801 7,1938 7,1947 Sai số, % 7,285 3,634 3,183 Thực nghiệm 6,8027 6,8380 6,8823 6 pTB0, × 10 [Pa] Lý thuyết 7,0311 6,7856 6,7028 Sai số, % 3,248 0,772 2,678 Thực nghiệm 5,9367 6,0156 6,1125 6 pTB1, × 10 [Pa] Lý thuyết 5,9882 6,3071 6,4186 Sai số, % 0,860 4,622 4,769 Thực nghiệm 0,1502 0,1571 0,1523 tTB, [s] Lý thuyết 0,1550 0,1560 0,1560 Sai số, % 3,097 0,705 2,372
24. 22 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 1. Luận án đã sử dụng phương pháp đo cũng như phương tiện đo hiện đại, tin cậy, phương pháp xử lý kết quả đo phù hợp. Các kết quả thực nghiệm sai khác không nhiều so với kết quả tính toán lý thuyết cả về mặt định tính cũng như định lượng. 2. Biên dạng đồ thị áp suất theo tính toán và thử nghiệm có sự tương đồng. Sai số lớn nhất giữa giá trị tính toán và giá trị đo lần lượt là 9,191 % (áp suất lớn nhất đo ở vị trí đầu động cơ), 5,867 % (áp suất trung bình đo ở vị trí cửa vào loa phụt) và 3,168 % (thời gian làm việc) là chấp nhận được. Mô hình tính toán do tác giả xây dựng phù hợp với đối tượng động cơ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp có tính đến ảnh hưởng của hiện tượng cháy xói mòn và tính chất hai pha của sản phẩm cháy nhiên liệu hỗn hợp. 3. Trong cùng một động cơ, cùng một lần đo, do có hiện tượng cháy xói mòn nên áp suất đo được tại vị trí đầu động cơ cao hơn áp suất đo được tại vị trí cửa vào loa phụt, đặc biệt ở giai đoạn làm việc ban đầu của động cơ. Độ chênh áp suất tăng dần khi giảm giá trị đường kính buồng đốt DBD. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng khi thiết kế động cơ để đảm bảo tính an toàn trong thử nghiệm. 4. Như vậy mô hình lý thuyết đã được xây dựng khi bổ sung vào hệ phương trình vi phân thuật phóng sự ảnh hưởng của dòng hai pha có xét đến hiện tượng cháy xói mòn là hoàn toàn hợp lý và đúng đắn. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết quả chính đạt đƣợc: 1. Đã khảo sát một số mô hình lý thuyết về dòng chảy, mô hình toán xác định các thông số làm việc đặc trưng của ĐTR, đánh giá ưu điểm và nhược điểm cả về phương pháp lẫn tính khả thi của các mô hình
25. 23 khi áp dụng cho ĐTRHH. 2. Đã đề xuất xây dựng mô hình lý thuyết phản ánh được đầy đủ bản chất nhiệt-khí-hạt-động lực học của các quá trình diễn ra bên trong buồng đốt ĐTRHH có tính đến ảnh hưởng của tính chất nhiều pha thành phần SPC và yếu tố cháy xói mòn liều nhiên liệu. Mô hình lý thuyết có thể giải được bằng các phương pháp số trên các công cụ máy tính thông thường. Mô hình có thể áp dụng được cho mọi đối tượng buồng đốt, mọi loại liều nhiên liệu, không đòi hỏi mức độ chia lưới động quá phức tạp có lời giải khó khăn. 3. Đã tiến hành kiểm tra tính đúng đắn của mô hình lý thuyết khi áp dụng tính toán cho một số động cơ tên lửa điển hình bao gồm ĐTRHH (động cơ hành trình Igla) và ĐTR balistic (động cơ tầng 1 FMV-B1). Sai khác giữa tính toán và thực nghiệm không quá 5%. 4. Đã tính toán, thiết kế và khảo sát ảnh hưởng của một số tham số đến các thông số làm việc đặc trưng của động cơ mẫu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp SD-17/18M (sử dụng trong động cơ phóng 78DT tên lửa Kh35-E). Các phân tích, đánh giá của tác giả về kết quả khảo sát là có cơ sở khoa học và tin cậy. 5. Đã tiến hành chế tạo và thử nghiệm nhiều đợt đo thông số áp suất động cơ mẫu. Kết quả thử nghiệm là hoàn toàn khách quan, tin cậy. Sai khác giữa kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm ở tất cả các trường hợp không quá 9,191 % là hoàn toàn chấp nhận được. Những đóng góp mới của luận án: 1. Đã xây dựng được mô hình toán xác định các thông số làm việc đặc trưng trong buồng đốt động cơ sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp có tính đến ảnh hưởng của kết cấu buồng đốt, tính chất dòng sản phẩm cháy hai pha và hiệu ứng cháy xói mòn trong quá trình làm việc của động cơ.
26. 24 2. Đã khảo sát ảnh hưởng của một số tham số thuật phóng, tham số kết cấu đến các thông số làm việc đặc trưng trong buồng đốt động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau. 3. Đã thiết kế, chế tạo động cơ mẫu và tiến hành thực nghiệm đo đạc, đưa ra bộ số liệu đo thực tế về áp suất, thời gian làm việc của động cơ sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp SD-17/18M ở các vị trí đầu và cuối buồng đốt, cho các động cơ có đường kính tới hạn loa phụt và đường kính buồng đốt khác nhau, từ đó kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình lý thuyết. Kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp theo Cần nghiên cứu bổ sung ảnh hưởng của yếu tố phản ứng hóa học giữa các thành phần trong sản phẩm cháy, giữa pha khí và pha rắn; nghiên cứu sự thay đổi kích thước các hạt ngưng tụ trong quá trình chuyển động trong buồng đốt và trong loa phụt; nghiên cứu bản chất quá trình phân rã thuốc phóng của liều nhiên liệu khi cháy, để đánh giá tổng quát hơn quá trình nhiệt hóa lý trong buồng đốt động cơ, đề xuất được chế độ làm việc tối ưu cho mỗi loại động cơ đặc biệt là đối với ĐTRHH.
27. 25 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Hoàng Thế Dũng, Lê Song Tùng, Phạm Thanh Hải, Doãn Quý Hiếu (2013), “Một phương pháp tính toán hệ số trao đổi nhiệt trong buồng đốt động cơ tên lửa nhiên liệu rắn”. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công Nghệ quân sự, (25), tr. 138-144. 2. Bùi Đình Tân, Lê Song Tùng, Hoàng Thế Dũng (2014), “Nghiên cứu xây dựng mô hình toán và thuật giải xác định các tham số động lực học động cơ kéo vũ khí FMV-B”. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công Nghệ quân sự, Số Đặc san CNTT’14, tr. 85-91. 3. Doãn Quý Hiếu, Lê Song Tùng, Hoàng Thế Dũng, Bùi Đình Tân, Trần Mạnh Tuân (2014), “Nghiên cứu khảo sát các thông số dòng khí trong loa phụt động cơ tên lửa nhiên liệu rắn bằng phần mềm ANSYS CFX”. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công Nghệ quân sự, Số Đặc san CNTT’14, tr. 148-154. 4. Hoàng Thế Dũng, Lê Song Tùng, Trịnh Hồng Anh, Doãn Quý Hiếu, Bùi Đình Tân, Phạm Thanh Hải (2014), “Khảo sát ảnh hưởng của chuyển động dòng chảy khí thuốc trong buồng đốt đến các thông số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn”. Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2014, Phan Rang - Tháp Chàm, Ninh Thuận, 24- 26/7/2014, tr. 122-128. 5. Lê Song Tùng, Doãn Quý Hiếu, Hoàng Thế Dũng (2015), “Phương pháp xử lý kết quả đo đường đặc tuyến áp suất và lực đẩy của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn”. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công Nghệ quân sự, (36), tr. 26-32. 6. Doãn Quý Hiếu, Lê Song Tùng, Hoàng Thế Dũng, Trần Mạnh Tuân (2015), “Nghiên cứu mô phỏng luồng phụt dòng sản phẩm cháy sau động cơ tên lửa nhiên liệu rắn”. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công Nghệ quân sự, Số kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, tr. 177-183. 7. Hoàng Thế Dũng, Lê Song Tùng, Trịnh Hồng Anh, Phạm Thanh Hải, Nguyễn Thành Sơn (2016), “Nghiên cứu phương pháp xác định đường kính tiết diện tới hạn loa phụt động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp có tính đến tính chất hai pha sản phẩm cháy”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số đặc san Tên lửa, 09-2016, tr.322-331. 8. Hoàng Thế Dũng, Lê Song Tùng, Trịnh Hồng Anh (2017), “Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính buồng đốt đến áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu hỗn hợp”, Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 20, Cần Thơ 7/2017, tr.158-166.