КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/62 F02K9/97 

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к конструкции неохлаждаемой камеры ЖРДМТ.

Известна камера сгорания ЖРД, внутренняя поверхность которой защищена керамической теплоизоляцией, а в сопловой части установлена медная вставка для аккумуляции тепла [1]
Недостатками приведенной конструкции являются:
1. Применение керамики в качестве защиты корпуса камеры и головки от тепловых потоков, так как даже в настоящее время существующие составы для ее изготовления (карбиды кремния с окисью алюминия, карбиды титана, карбонитриды бора, нитриды кремния и т.д.) не обеспечивают работоспособность ЖРДМТ при больших ресурсах и высокой экономичности, неизбежно сопровождаемой высокой температурой стенки камеры и сопла, особенно в районе критического сечения; при работе, как правило, возникают местные разрушения керамического вкладыша высокотемпературной, высокоскоростной струей и растрескивания его, особенно при многократных воздействиях термического удара, когда вкладыш подвергается воздействию температуры в диапазоне от -70C до 1200^oC.

2. Невозможность обеспечения плотного прилегания керамического вкладыша, приведенного на фиг. 4 и 9, к корпусу камеры по криволинейной поверхности. Касание возможно в отдельных точках, в итоге в этих точках неизбежны повышенные удельные нагрузки, приводящие к разрушению керамического вкладыша.

3. Высокое значение коэффициента теплопроводности ( (λ) ) керамики (соизмеримое с коэффициентом теплопроводности стали) без дополнительных мер по теплоизоляции не позволяет предохранять от перегрева корпус камеры сгорания и пристыковочного фланца двигателя к объекту.

4. Низкие прочностные характеристики керамики (ударная вязкость, пределы прочности на сжатие и на изгиб, циклическая прочность) требуют осторожного обращения с ней как при сборке двигателя, так и при эксплуатации и не исключаются разрушения керамического вкладыша при выведении объекта на околоземную орбиту и при маневрах его, так как это связано с воздействием на объект вибрационных и ударных нагрузок.

Наиболее близким по существу решением является изобретение по патенту США [2] Камера этого жидкостного ракетного двигателя содержит корпус с соплом, форсуночную головку, переходник, сопловый вкладыш из термостойкого материала, выполненный заодно со стенкой камеры сгорания и прикрепленный герметично к корпусу камеры.

Основным недостатком известной конструкции является сложность обеспечения герметичного соединения корпуса камеры и соплового вкладыша, выполненных из разнородных материалов. Другим недостатком является плотный контакт корпуса камеры и соплового вкладыша, что может привести к термическим разрушениям соплового вкладыша за счет коэффициентов линейного расширения материалов вкладыша и корпуса камеры.

Еще один недостаток необходимость выполнения корпуса камеры из жаропрочного материала, так как плотный контакт вкладыша и корпуса камеры обеспечивает прямую теплопередачу тепла от вкладыша к корпусу камеры, что может привести к его разрушению или потребует увеличения затрат на изготовление корпуса из жаропрочного (обычно дорогостоящего) материала.

Основной задачей предлагаемого решения является повышение надежности работы камеры сгорания ЖРДМТ, предназначенной для работы с высокой степенью полноты сгорания.

Решение задачи достигается тем, что в известной камере жидкостного ракетного двигателя, содержащей корпус с соплом, форсуночную головку, переходник, сопловый вкладыщ из термостойкого материала, выполненный заодно со стенкой камеры сгорания и соединенный с корпусом камеры двигателя герметично, сопловой вкладыш установлен с зазором относительно корпуса камеры и прикреплен через переходник к форсуночной головке, а камера снабжена дополнительным переходником, состоящим из кольца, выполненного из легкого сплава, проставки и стального кольца.

Кроме того, на наружной поверхности соплового вкладыша, в районе критического сечения, может быть выполнено кольцевое углубление, заполненное термостойким материалом с низкой теплопроводностью. Часть корпуса камеры, включающая профилированный участок сопла, может быть выполнена из легкого сплава или композиционного материала. Дополнительный переходник предпочтительно располагать между корпусом камеры и стенкой соплового вкладыша. Кроме того, дополнительный переходник может быть закреплен на корпусе камеры. Проставка дополнительного переходника может быть выполнена из сплава ниобия и меди. Дополнительный переходник может быть выполнен в виде уплотнительного кольца, прижатого к переходнику с помощью резьбы.

На фиг. 1 приведена конструкция камеры ЖРДМТ, в которой сопловый вкладыш герметично соединен с корпусом камеры сваркой, а корпус камеры сварен с переходником; на фиг. 2 место соединения переходника, соплового вкладыша и корпуса камеры; на фиг. 3 конструкция камеры сгорания, в которой сопловой вкладыш герметично соединен сваркой с корпусом камеры через промежуточный элемент переходник; на фиг. 4 в увеличенном масштабе место соединения переходника с сопловым вкладышем и корпусом камеры через промежуточный переходник; на фиг. 5 конструкция камеры, в которой герметичность между сопловым вкладышем и корпусом камеры обеспечивается установкой дополнительного переходника, выполненного в виде уплотнительной прокладки, между переходником и сопловым вкладышем; на фиг. 6 место соединения переходника с сопловым вкладышем и корпусом камеры через уплотнительную прокладку; на фиг. 7 - конструкция камеры сгорания, отличающаяся от ранее приведенных конструкций на фиг. 1, 3, 5 только исполнением корпуса камеры: часть цилиндрического участка, примыкающего к профилированному и сам профилированный участок корпуса камеры выполнены из более легкого или из композиционного материала; остальная часть корпуса камеры остается неизменной, т.е. выполненной из конструктивной стали типа 12Х18Н10Т; на фиг. 8 в увеличенном масштабе место перехода от одного из указанных участков к другому.

На фиг. 1 приведена камера, состоящая из переходника 1, корпуса камеры 2, соплового вкладыша 3 и наполнителя 4, причем сопловый вкладыш 3 установлен относительно корпуса камеры 2 с кольцевым зазором 5 (фиг. 2).

Переходник 1 выполняется из конструкционной нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т и служит промежуточным элементом между камерой и форсуночной головкой 6. Корпус камеры 2 представляет собой цилиндр, заканчивающийся профилированным участком, и выполняется составным: та часть его, которая соединяется с сопловым вкладышем 3 и переходником 1, изготовлена из двух металлов с проставкой (кольцо 7 из титана + проставка 8 из ниобия и меди + стальное кольцо 9) (фиг. 2); остальная часть из конструкционной стали типа 12Х18Н10Т. Сопловый вкладыш 3 выполняется из жаростойкого и жаропрочного сплава (ниобий, молибден и т.п.) с жаростойким покрытием всех поверхностей (кроме зоны сварки), например, дисилицидом молибдена, дисилицидом ниобия.

Для уменьшения передачи тепла от соплового вкладыша 3 к корпусу камеры 2 на наружной цилиндрической части вкладыша выполнен кольцевой зазор 5 (фиг. 2). Для повышения надежности работы камеры сгорания и уменьшения массы соплового вкладыша на наружной поверхности его в зоне критического сечения выполнена кольцевая проточка 10.

Наполнитель 4 представляет собой негорючий материал с низкой теплопроводностью и высокой термостойкостью, например, картон МКРК-500 ГОСТ 23619-79. Назначение наполнителя предохранить цилиндрическую часть корпуса камеры 2, расположенную над кольцевой проточкой 10 вкладыша 3, от больших тепловых потоков излучением и дальнейшей передачи ее по стенке корпуса камеры 2 на форсуночную головку и на объект.

На фиг. 3 приведена конструкция камеры ЖРДМТ, в которой дополнительно к ранее описанной конструкции (фиг. 1 и 2) введена промежуточная деталь - переходник 11 из двух металлов, состоящий из титанового кольца 7, проставки 8 из ниобия и меди, стального кольца 9 (фиг. 4). Переходник 11 соединяется сваркой или пайкой с сопловым вкладышем 3, а с противоположной стороны сваривается с корпусом камеры 2, выполненным из конструкционной стали типа 12Х18Н10Т, и переходником 1.

На фиг. 5 приведена конструкция камеры сгорания, состоящая из переходника 1, корпуса камеры 2, соплового вкладыша 3, наполнителя 4, прокладки 12, кольца 13. Переходник 1, корпус камеры 2, сопловый вкладыш 3, наполнитель 4 по своему функциональному назначению аналогичны ранее приведенным на фиг. 1 и 2, хотя по конструкции несколько отличаются: на переходнике 1 предусмотрен уплотняющий кольцевой шип 14, а на сопловом вкладыше 3 соответствующая уплотнительная кольцевая канавка 15 (фиг. 6); кроме того, на обеих этих деталях предусмотрена резьба для обеспечения момента затяжки резьбового соединения и уплотнения по прокладке 12. Кольцо 13 в данной конструкции выполняет роль шайбы.

Для всех приведенных вариантов камеры ЖРДМТ на фиг. 1, 3, 5 корпус камеры 2 с целью повышения надежности работы сварного соединения, соединяющего камеру сгорания с форсуночной головкой, может быть выполнен составным: часть цилиндрического участка, примыкающего к профилированному участку корпуса камеры 2, и сам профилированный участок могут изготавливаться из более легкого материала, например из титана или из композиционного материала, например, из "углерод + углерод"; остальная часть корпуса камеры 2 остается неизменной (фиг. 7). Облегчение корпуса камеры 2 приводит к существенному уменьшению массы камеры сгорания, что снижает напряжение в сварном шве "камера сгорания + форсуночная головка".

Камера ЖРДМТ работает следующим образом.

Продукты сгорания, протекая через полость камеры сгорания, критическое сечение и закритическую часть сопла, вызывают разогрев стенок соплового вкладыша 3, особенно в зоне критического сечения, до высокой температуры (в критическом сечении до 1500.1700^oC). Раскаленный сопловый вкладыш 3 передает тепло корпусу камеры 2; кольцевой зазор 5 и проточка 10, выполненные на наружной поверхности соплового вкладыша 3, резко уменьшают площадь соприкосновения соплового вкладыша 3 с корпусом камеры 2 (из теории теплопередачи известно, что количество тепла, передаваемое от детали к другой детали прямо пропорционально поверхности контактирования этих деталей), тем самым резко уменьшается и количество переданного корпусу камеры 2 тепла. Что касается передачи тепла в переходник 1, то контактные сопротивления, возникающие между контактирующими деталями, также уменьшают количество передаваемого от соплового вкладыша 3 тепла. Кроме того, холодный пограничный слой от завесы охлаждения также снимает часть теплового потока, обеспечивая удовлетворительное тепловое состояние форсуночной головки. Герметичное соединение соплового вкладыша 3 с корпусом 2 препятствует перетеканию продуктов сгорания через кольцевой зазор 5 и кольцевую проточку 10 между этими деталями в закритическую полость сопла.

В отличие от прототипа, предлагаемое решение имеет следующие преимущества:
1. Существенно уменьшается тепловой поток в стенку корпуса камеры, что существенно расширяет перечень применяемых материалов для корпуса камеры.

2. Исключает перетекание продуктов сгорания из полостей камеры через соединение "сопловый вкладыш 3 + корпус камеры 2" в полость закритической части сопла.

3. Разгружает сварное соединение "корпус камеры + форсуночная головка" за счет снижения массы профилированной и частично цилиндрической частей корпуса камеры 2 (из-за выполнения их из материала с меньшей плотностью), так как это, кроме снижения массы камеры сгорания, приводит к смещению центра тяжести камеры к сварному соединению, т.е. ведет к уменьшению плеча, а в итоге к уменьшению момента от силы тяжести камеры сгорания.

Все перечисленные факторы приводят к увеличению надежности работы ЖРДМТ, что проверено на двигателях с различной тягой.

Использование: в ракетостроении. Сущность изобретения: камера двигателя состоит из корпуса с соплом, форсуночной головки, переходника, взаимодействующего с сопловым вкладышем, выполненным из термостойкого материала и изготовленным заодно со стенкой камеры сгорания. Сопловый вкладыш установлен с зазором относительно корпуса камеры и прикреплен к форсуночной головке через дополнительный переходник, состоящий из двух колец из различных материалов, соединенных через проставку. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая корпус с соплом, форсуночную головку, переходник, сопловой вкладыш из термостойкого материала, выполненный заодно со стенкой камеры сгорания и прикрепленный к корпусу камеры герметично, отличающаяся тем, что сопловой вкладыш установлен с зазором относительно корпуса камеры и прикреплен через переходник к форсуночной головке, камера снабжена дополнительным переходником, состоящим из кольца, выполненного из легкого сплава, проставки и стального кольца. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что на наружной поверхности соплового вкладыша в районе критического сечения выполнено кольцевое углубление, заполненное термостойким материалом с низкой теплопроводностью. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что часть корпуса камеры выполнена из легкого сплава или композиционного материала. 4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный переходник расположен между корпусом камеры и стенкой соплового вкладыша. 5. Камера по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный переходник закреплен на корпусе камеры. 6. Камера по пп.1, 4, 5, отличающаяся тем, что проставка дополнительного переходника выполнена из сплава ниобия и меди. 7. Камера по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный переходник выполнен в виде уплотнительного кольца, прижатого к переходнику с помощью резьбового соединения.