КОРПУС КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02K9/62 

Изобретение относится к ракетному двигателестроению, преимущественно к конструкциям камеры жидкостного ракетного двигателя, и может быть использовано в авиадвигателестроении, а его отдельные элементы - в теплотехнике.

Предшествующий уровень техники
Известно сопло для твердотопливного ракетного двигателя, в котором оно выполнено слоистым (Патент США N 3648461).

Внутренний слой со стороны огневой полости в этом техническом решении выполнен изоляционным из абляционного или неабляционного материала. Ограничением технического решения является то, что его сложно эффективно использовать на регенеративно охлаждаемых камерах для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Из техники известно применение покрытий в оболочках камер ЖРД. Известны камеры сгорания ЖРД, в которых "снижение тепловых потоков достигается нанесением на стенки керамических теплоизоляционных покрытий" (Энциклопедия "Космонавтика", главный редактор В.П. Глушко, М., 1985, стр. 153).

В этом техническом решении не приводятся материалы покрытий для конкретных камер, поэтому не ясно, каким образом обеспечить эффективное повышение ресурса работы конкретных камер на компонентах топлива кислород-керосин. Однако приводятся данные о камере ЖРД с жаропрочной молибденовой вставкой, покрытой защитным покрытием из двуокиси циркония.

Наиболее близким для заявленного технического решения является корпус камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий камеру сгорания, сопло, состоящее из дозвуковой и сверхзвуковой частей, имеющих внешнюю силовую оболочку и внутреннюю огневую стенку с оребренной наружной поверхностью, причем между силовой оболочкой и огневой стенкой сформирован тракт регенеративного охлаждения, огневая стенка выполнена из меди или медного сплава, а внешняя силовая оболочка выполнена из стали или никелевого сплава ("Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др., М., 1989 г., стр. 101-111, рис. 6.1).

В известном техническом решении на внутренней поверхности стальной наружной оболочки камеры выполняется покрытие. Покрываются также гальваническим способом ребра бронзовой внутренней оболочки камеры.

Однако в ряде случаев известное техническое решение не обеспечивает необходимого повышения ресурса работы камеры ЖРД, а требует дополнительных мероприятий, направленных на повышение термостойкости стенок камеры.

Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено патентуемое изобретение, - повышение ресурса работы корпуса, а во многих случаях - и камеры, и всего ЖРД в целом. Задача заключается также в создании корпуса камеры кислородно-керосинового ЖРД большой тяги на повышенный ресурс работы.

Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в повышении термостойкости огневой стенки камеры ЖРД, в частности для компонентов ракетного топлива кислород-керосин. Введение указанного покрытия в районе критического сечения сопла способствует увеличению термостойкости стенки в этом теплонапряженном месте.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В известном корпусе камеры ЖРД, содержащем камеру сгорания, сопло, состоящее из дозвуковой и сверхзвуковой частей, выполненных из внешней силовой оболочки и огневой стенки с оребренной наружной поверхностью, расположенной внутри силовой оболочки, тракт регенеративного охлаждения, сформированный между внешней силовой оболочкой и огневой стенкой, внешняя силовая оболочка выполнена из стали или никелевого сплава, а огневая стенка - из меди или медного сплава, и ее внутренняя поверхность снабжена металлическим покрытием, выполненным из двух слоев в теплонапряженном месте между дозвуковой и сверхзвуковой частями в области критического сечения сопла. Продольная вдоль корпуса протяженность покрытия не менее 0,3 диаметров критического сечения. При этом первый слой покрытия на внутренней огневой стенке - это никелевое покрытие толщиной от 50 мкм до 1000 мкм, а второй слой - хромовое покрытие толщиной от 10 мкм до 500 мкм. Величина толщины покрытия на каждом конкретном разработанном двигателе зависит от его ресурса работы и особенностей течения и состава продуктов сгорания в камере.

Внутренняя огневая стенка корпуса может быть покрыта также на протяжении всей своей длины указанным выше слоистым покрытием, первый слой - никель, а второй слой - хром.

Одновременно обеспечивается возможность работы заявленного корпуса на других химически активных компонентах топлива ЖРД, таких как водород, фтор, азотная кислота, несимметричный диметилгидрозин и других продуктах, широко распространенных в ракетной технике.

В качестве частного случая возможно наличие покрытия в камере сгорания со стороны огневой полости из никеля толщиной от 50 мкм до 1000 мкм, при этом сохраняется слоистое покрытие на остальной части медной или из медного сплава стенки корпуса, по крайней мере, в районе критического сечения сопла на продольной длине не менее 0,3 диаметра критического сечения сопла, причем первый слой представляет собой никелевое покрытие толщиной от 50 мкм до 1000 мкм, а второй слой - хромовое покрытие толщиной от 10 мкм до 500 мкм.

Этот частный случай корпуса камеры ЖРД более дешев и прост в изготовлении, чем рассматриваемый корпус, когда вся огневая стенка камеры сгорания покрыта указанным выше слоистым покрытием из никеля, а затем хрома.

В качестве другого частного случая корпус камеры в сверхзвуковой части сопла со стороны выхода может быть изготовлен не только в виде внешней силовой оболочки и внутренней огневой стенки с оребренной наружной поверхностью так, что внешняя силовая оболочка выполнена из стали или никелевого сплава, а внутренняя огневая стенка - из меди или медного сплава и покрыта слоистым металлическим покрытием. Эта часть внутренней огневой стенки в частном случае может быть выполнена также из стали или никелевого сплава без нанесения покрытия на нее со стороны огневой полости. Сверхзвуковая часть сопла корпуса камеры со стороны выхода может быть выполнена и в виде термостойкой металлической оболочки, являющейся одновременно огневой стенкой. Она может быть выполнена также из термостойкого неметаллического материала. В обоих случаях нет необходимости в нанесении покрытий на выходной части сверхзвукового сопла со стороны огневой полости.

Дополнительный технический результат последнего частного случая в снижении металлоемкости конструкции корпуса камеры и перспективном удешевлении и снижении массы.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткий перечень чертежей
Фиг. 1 изображает корпус камеры со слоистым покрытием в районе критического сечения сопла.

На фиг. 2 представлено место I на фиг. 1, 3-5 в увеличенном масштабе по отношению к изображениям корпуса на указанных фигурах.

Фиг. 3 изображает корпус камеры со слоистым покрытием на огневой стенке сопла.

Фиг. 4 - корпус камеры со слоистым покрытием на огневой стенке всего корпуса.

Фиг. 5 - корпус камеры с никелевым покрытием на огневой стенке камеры сгорания и со слоистым покрытием на огневой стенке основной части сопла.

На фиг.6 представлено место II на фиг.5 в увеличенном масштабе по отношению к другим изображениям корпуса на указанных фигурах.

Лучшие варианты выполнения изобретения
Как показано на фиг. 1, корпус камеры состоит из камеры сгорания 1 (на длине L₁) и сопла 2 (на длине L₂). Сопло 2 состоит из дозвуковой части 3 (на длине L₃) и сверхзвуковой части 4 (на длине L₄) (А-А - критическое сечение сопла, d - диаметр критического сечения). Сверхзвуковая часть сопла 4 состоит из участка 5 со стороны входа (на длине L₅) и участка 6 со стороны выхода (на длине L₆).

Все перечисленные части корпуса образуют внешнюю силовую оболочку и внутреннюю огневую стенку камеры, между которыми расположен тракт регенеративного охлаждения. Внешняя силовая оболочка выполнена из стали или никелевого сплава, а внутренняя огневая стенка - из меди или медного сплава.

В районе критического сечения сопла А-А на участке 7 (на длине L₇) на продольной длине не менее 0,3 диаметров критического сечения сопла d внутренняя огневая стенка со стороны огневой полости снабжена слоистым покрытием, данные о котором приведены при описании фиг. 2. Меньшая протяженность покрытий не эффективна ввиду того, что такому техническому решению могут сопутствовать прогары на непокрытой огневой стенке при повышенных ресурсах работы.

На фиг.2 в увеличенном масштабе представлена область I (фиг. 1), где 8 - внешняя силовая оболочка, 9 - внутренняя огневая стенка, 10 - тракт регенеративного охлаждения. Слоистое покрытие нанесено на медь или медный сплав внутренней огневой стенки 9 со стороны огневой полости камеры. Первый слой этого покрытия 11 - никель толщиной от 50 мкм до 1000 мкм, а второй слой 12 - хромовое покрытие толщиной от 10 мкм до 500 мкм.

На фиг.3 представлена конструкция корпуса камеры ЖРД со слоистым покрытием на поверхностях со стороны огневой стенки сопла. Конструкция корпуса здесь совершенно аналогичная, как на фиг. 1. Однако здесь слоистое покрытие нанесено со стороны огневой полости на дозвуковую часть сопла 3 и участок 5 со стороны входа в сверхзвуковую часть сопла. Покрытие по своим данным аналогично описанному выше для фиг. 1 и отличается тем, что оно нанесено на указанный выше участок (т.е. определяемый осевыми размерами L₃ и L₅, если судить по фиг. 1, 3). Особенности покрытия аналогичны изображенным на фиг. 2 и описаны выше.

На фиг.4 представлена конструкция корпуса камеры ЖРД со слоистым покрытием на огневой стенке корпуса, т.е. камеры сгорания 1 и сопла 2 (т.е. покрытие нанесено на поверхности, определяемые осевыми размерами L₁ и L₂, если судить по фиг. 1, 4). Конструкция корпуса здесь аналогична изображенной на фиг. 1. Особенности покрытия аналогичны изображенным на фиг. 2 и описаны выше.

В корпусах на фиг. 1, 3, 4 внешняя силовая оболочка выполнена из стали или никелевого сплава, а внутренняя огневая стенка из меди или медного сплава (например, бронзы). Особенности наносимого слоистого покрытия отражены на фиг. 2 и даны выше в описании этой фигуры.

На фиг. 5 представлен корпус камеры, в котором, в отличие от изображенных на фиг. 1, 3, 4 за исключением покрытия, особенностью обладает участок сверхзвуковой части сопла со стороны выхода 13 (на длине L₆, если смотреть на фиг. 1, 5). Особенность его в том, что его внутренняя огневая стенка выполнена из стали или никелевого сплава. Этот участок покрытия не имеет. Покрытие сопла в нем на дозвуковой части 3, на участке сверхзвуковой части сопла со стороны входа 5 (т.е. на длинах L₃ и L₅, если смотреть на фиг. 1, 5) выполнено аналогично покрытию, изображенному на фиг. 2 и представленному в описании к нему.

В камере сгорания 1 со стороны огневой полости (т.е. на длине L₁) выполнено покрытие никелем толщиной от 50 мкм до 1000 мкм на огневой стенке. Область нанесения покрытия II (см. фиг.5) в увеличенном масштабе представлена на фиг.6.

На фиг.6. внешняя силовая оболочка 8 охватывает внутреннюю огневую стенку 9, на которой выполнены ребра и пазы (на чертежах не приведены), образующие тракт регенеративного охлаждения 10. На внутренней огневой стенке 9 выполнено описанное в предыдущем абзаце никелевое покрытие 11.

Следует отметить, что сверхзвуковая часть сопла со стороны выхода может быть выполнена в виде термостойкой металлической оболочки, одновременно являющейся огневой стенкой. Материалом этой части оболочки может быть, например, молибден или термостойкий неметаллический материал. В такой части корпуса камеры покрытия не требуется.

Указанные в тексте величины покрытий (для фиг. 2 и 6) содержат оптимальные значения. Меньшие значения этих толщин снижают эффективность покрытий, а большие значения технологически сложно осуществить, и в ряде случаев они экономически нецелесообразны.

Кроме приведенных на фиг. 2 и 6 покрытий в отдельных случаях возможно нанесение других дополнительных покрытий, например, в виде слоев, с целью предотвращения механических повреждений основного покрытия и огневой стенки корпуса. Но такое покрытие принципиального значения не имеет.

Следует отметить, что камера сгорания не обязательно должна быть цилиндрической. Она может иметь и коническую, и грушевидную, и какую-либо иную форму.

Тракт регенеративного охлаждения может быть выполнен различным образом и иметь различное расположение своих входных и выходных участков. Камера может содержать щелевые элементы (пояса завес) внутреннего охлаждения, сообщающиеся с гидравлическим трактом.

В сечениях конструкции и размеры трактов охлаждения, внешних силовых оболочек и внутренних огневых стенок в общем случае неодинаковы по длине корпуса. А в настоящих материалах места I и II выполнены одинаковыми для многих сечений условно, как частный случай.

Промышленная применимость
Наиболее успешно заявленный корпус камеры жидкостного ракетного двигателя может быть использован в ракетной технике, преимущественно на камерах кислород-керосиновых ЖРД больших величин тяг.

Корпус предназначен для камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Корпус содержит камеру сгорания, сопло, состоящее из дозвуковой и сверхзвуковой частей, имеющих внешнюю силовую оболочку и огневую стенку с оребренной наружной поверхностью. Между оболочкой и стенкой образован тракт регенеративного охлаждения. Указанная стенка выполнена из меди или медного сплава. Указанная силовая оболочка выполнена из стали или никелевого сплава. Огневая стенка имеет металлическое покрытие, выполненное слоистым в районе критического сечения сопла, на продольной его длине, равной не менее 0,3 диаметра критического сечения сопла. Первый слой покрытия представляет собой никелевое покрытие толщиной от 50 до 1000 мкм, а второй слой - хромовое покрытие толщиной от 10 до 500 мкм. Такое выполнение корпуса позволит повысить термостойкость огневой стенки камеры сгорания двигателя, в частности для компонентов ракетного топлива кислород-керосин. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Корпус камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий камеру сгорания, сопло, состоящее из дозвуковой и сверхзвуковой частей, выполненные из внешней силовой оболочки и огневой стенки, расположенной внутри силовой оболочки и выполненной из меди или медного сплава, тракт регенеративного охлаждения, сформированный между внешней силовой оболочкой и огневой стенкой, отличающийся тем, что огневая стенка с внутренней поверхности снабжена металлическим покрытием, выполненным из двух слоев и расположенным между дозвуковой и сверхзвуковой частями сопла в области его критического сечения по меньшей мере на продольной длине сопла, равной не менее 0,3 диаметра критического сечения сопла, при этом первый слой указанного покрытия на огневой стенке выполнен толщиной от 50 до 1000 мкм из никеля, а второй слой выполнен толщиной от 10 до 500 мкм из хрома и расположен на слое из никеля. 2. Корпус по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания снабжена внутренним покрытием толщиной от 50 до 1000 мкм из никеля. 3. Корпус по п.1, отличающийся тем, что внешняя силовая оболочка выполнена из стали или никелевого сплава.