УЗЕЛ КАЧАНИЯ КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЖРД) Российский патент 2000 года по МПК F02K9/66 

Изобретение относится к области ракетостроения, в частности к узлам качания камер ЖРД, в том числе и камер с дожиганием газогенераторного газа, и может быть также использовано в авиации, например, в случае применения ЖРД на самолетах. Следует отметить, что отдельные элементы изобретения, в частности сферические подвижные уплотнительные соединения, могут применяться и в других областях техники (например, газовой, нефтехимической и химической промышленности) там, где используются жидкостные и газовые магистрали.

Из анализа уровня техники известны узлы качания как камеры, так и целого ЖРД и отдельных его частей.

Из патента США N 3302885 известно поворотное сопло для ракетного двигателя. Сопло соединено с остальной частью камеры через сферическое подвижное уплотнительное соединение. Сопло закреплено относительно остальной части камеры с возможностью пространственного перемещения вокруг точки в районе около оси или на оси камеры в соответствующем телесном угле. Это техническое решение выбираем за аналог заявляемого изобретения. Недостаток этого аналога в том, что сферическое подвижное уплотнительное соединение расположено в магистрали высокотемпературных продуктов сгорания, что требует либо работы на продуктах сгорания пониженной температуры, либо каких-то конструктивных мер, обеспечивающих надежность двигателя.

Известно также крепление всего ЖРД к ракете-носителю при помощи карданного подвеса, обеспечивающего поворот двигателя в заданных плоскостях. Это техническое решение реализовано, в частности, на 1 ступени американской ракеты-носителя "Сатурн-5", в ЖРД F-1 (см., например, энциклопедию "Космонавтика", М, 1985, стр. 420). Его принимаем за аналог заявляемого изобретения. Недостаток аналога в том, что содержащийся в нем сильфонный компенсатор имеет большие габариты и массу, т.к. он расположен на входных магистралях ЖРД, имеющих большое сечение. Кроме того, на этом ЖРД приходится применять мощные приводы управления качанием двигателя, в частности, в связи с большими инерционными массами, включающими практически весь двигатель в целом.

Известен жидкостный ракетный двигатель, в котором между трубопроводом и камерой установлен сильфонный компенсатор линейных и угловых перемещений, что нашло отражение в материалах заявки на изобретение РФ N 97107052. Это изобретение принимаем также за аналог заявленного изобретения. Недостаток этого аналога в том, что сильфонный компенсатор является дорогим устройством, т. к. содержит трудоемкие и сложные в изготовлении сильфоны. Из книги "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей" под ред. Г.Г. Гахуна, М, Машиностроение, 1989, с. 375, известен узел качания камеры ЖРД с дожиганием, принимаемый за прототип изобретения.

Прототип содержит камеру, трубопровод (газовод) газогенераторного газа от турбины к камере, карданный подвес камеры, камера закреплена относительно трубопровода с возможностью пространственного перемещения вокруг точки в районе или на оси камеры в заданном телесном угле, а между камерой и трубопроводом установлен подвижный герметизирующий узел.

Этот узел и сложен в изготовлении и дорогостоящ. Следует отметить также большие габаритные размеры узла, а также большой управляющий момент, необходимый для поворота камеры в узле качания на работающем двигателе. Это в результате приводит к неоправданно значительным массе и габаритам двигателя.

Сущность изобретения заключается в следующем. Узел качания камеры ЖРД содержит камеру, подводящий трубопровод продуктов газогенерации ЖРД от турбины к камере. Камера закреплена относительно трубопровода с возможностью пространственного перемещения вокруг точки в районе или на оси камеры в заданном телесном угле. Между камерой и трубопроводом установлен подвижный герметизирующий узел. Отличительная особенность узла качания камеры ЖРД в том, что подвижный герметизирующий узел выполнен в виде сферического подвижного уплотнительного соединения, содержащего головку и обойму. На одной из этих деталей (головке или обойме) выполнена сферическая уплотнительная поверхность, а на другой гнездо, в котором смонтирован кольцевой уплотнительный элемент, поджатый к сферической уплотнительной поверхности, например, пружиной. Этот элемент выполнен из уплотнительного материала с низким коэффициентом трения об указанную сферическую уплотнительную поверхность, например из фторопласта. В головке и обойме выполнен сквозной магистральный продольный канал, сообщающийся со стороны входа непосредственно с подводящим трубопроводом продуктов газогенерации (возможно также, чтобы этот канал сообщался непосредственно с выходом турбины турбонасосного агрегата ЖРД), а со стороны выхода - с камерой ЖРД.

В частных случаях подвижный герметизирующий узел узла качания ЖРД содержит также вторую обойму, расположенную по другую сторону головки (сравнительно с первой обоймой). Головка и вторая обойма содержат элементы, образующие сферическое уплотнительное соединение головки со второй обоймой, при этом головка и одна из обойм или обе обоймы жестко скреплены одна с камерой, а вторая с подводящим трубопроводом продуктов газогенерации.

В частном случае узел качания камеры ЖРД содержит карданный механизм, через который трубопровод продуктов газогенерации скреплен с входной частью камеры.

В частном случае сферическое уплотнительное соединение головки со второй обоймой выполнено в виде сферической уплотнительной поверхности на головке, жестко скрепленной с камерой и взаимодействующим с этой поверхностью уплотнительным усом, выполненным на второй обойме. При этом первая обойма скреплена как с подводящим трубопроводом, так и со второй обоймой.

В частных случаях вилки карданного механизма могут быть выполнены на обоймах, а рамка карданного механизма выполняется непосредственно на головке герметизирующего узла. Вилки карданного механизма могут выполняться также на головке и обойме, а рамка карданного механизма может быть выполнена в виде отдельной детали, например в виде кольца.

В другом частном случае сферическая уплотнительная поверхность выполнена вогнутой на скрепленной с подводящим трубопроводом обойме (в принципе, возможна конструкция с вогнутой сферической уплотнительной поверхностью на обойме, скрепленной с камерой ЖРД), а головка содержит подпружиненную гильзу с коническим скосом. Кольцевой уплотнительный элемент установлен в головке и содержит кольцевой конический скос, которым этот элемент упирается в конический скос гильзы.

Для этого частного случая узел качания камеры ЖРД имеет свой частный случай, в котором подвижный герметизирующий узел имеет вторую обойму, которая скреплена с камерой и имеет вогнутую сферическую уплотнительную поверхность, а головка содержит вторую противоположно расположенную подпружиненную гильзу с коническим скосом и второй кольцевой уплотнительный элемент с ответным коническим скосом, которым этот уплотнительный элемент упирается в конический скос второй гильзы.

Еще в одном частном случае возможно гидравлическое соединение зоны контакта кольцевого уплотнительного элемента и сферической уплотнительной поверхности на обойме с магистралью холодного компонента топлива, например жидкого кислорода.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состояла в том, чтобы избежать в конструкции узла качания камеры ЖРД применения сложных и дорогостоящих металлических сильфонов. Это значит упростить конструкцию и упростить технологию изготовления узла, что приводит к удешевлению устройства в условиях, обычных для производства современных ЖРД.

Технический результат от решения задачи заключается в том, что создан узел качания камеры ЖРД, в котором отсутствуют металлические сильфоны. Этот узел располагается между подводящим трубопроводом продуктов газогенерации и камерой ЖРД. В патентуемом узле качания камеры обеспечивается уменьшенный осевой габарит, а также уменьшенный момент поворота камеры приводом, что обеспечивает снижение массы двигателя в целом. Следует отметить также дополнительный технический результат, заключающийся в том, что патентуемое техническое решение имеет повышенный ресурс работы по сравнению с узлом качания, в котором использованы сильфоны, ресурс которых определяется их усталостной прочностью.

На фиг. 1 представлен узел качания камеры ЖРД без карданного механизма. На фиг. 2 изображен узел качания камеры ЖРД с сильфоном постоянного размера. На фиг. 3 изображен узел качания камеры ЖРД с двумя кольцевыми уплотнениями по сфере и дренажом между ними. На фиг. 4 представлен узел качания камеры ЖРД с подпружиненной гильзой в головке. На фиг. 5 изображен узел качания камеры ЖРД с двумя подпружиненными гильзами в головке. На фиг. 6 представлена принципиальная схема узла качания камеры ЖРД.

Пример реализации изобретения представлен на фиг. 1, где подводящий трубопровод продуктов газогенерации ЖРД от турбины к камере и камера ЖРД не показаны. Трубопровод скреплен с обоймой 1, например, сваркой. Обойма 1 имеет сферическую уплотнительную поверхность 2. С камерой ЖРД (на чертеже не показана) скреплена, например, сваркой головка 3, в которой установлен кольцевой уплотнительный элемент 4, выполненный из фторопласта и зажатый между кольцом 5 и головкой 3 почти в замкнутом объеме. К головке 3 прикреплена сваркой юбка 6. На головке 3 вместе с юбкой 6 выполнена сферическая поверхность 7, которая образует зазор с поверхностью 2 благодаря выступанию кольцевого уплотнительного элемента 4 над поверхностью 7. Головка 2 имеет сферическую уплотнительную поверхность 8. С обоймой 1 скреплена, например, с помощью шпилек и гаек вторая обойма 9. Герметичность соединения обойм 1 и 9 между собой обеспечивается с помощью прокладки 10. Обойма 9 имеет уплотнительный ус 11, который упруго поджат к сферической уплотнительной поверхности 8. Коническая пружина 12, упираясь в шайбу 13, обеспечивает поджатие головки 3 через кольцевой уплотнительный элемент 4 к сферической уплотнительной поверхности 2. Полость пружины 12 является дренажной полостью. Она герметизирована от полости основной магистрали (вход и выход показаны стрелками) с помощью кольцевого уплотнительного элемента 4. Центры сферических поверхностей 8, 7, 2 практически совпадают. Это дает возможность головке 3 поворачиваться вокруг центра указанных сферических поверхностей. Полость пружины 12, т. е. дренажная полость, отделена от полости хвостового отсека ракеты, где располагается двигатель с помощью уплотнительного соединения с прокладкой 10 и уплотнения усом 11. Эта полость выводится за борт ракеты через штуцер 14.

Во всех рассматриваемых примерах подводящий трубопровод продуктов газогенерации может быть очень коротким и представлять собой выходной участок магистрали за турбиной ЖРД.

На фиг. 2 представлен другой вариант исполнения узла качания камеры жидкостного ракетного двигателя, где также не показаны камера ЖРД и подводящий трубопровод продуктов газогенерации. Здесь с обоймой 15 скреплена, например, сваркой вилка 16 карданного механизма. К обойме 15 герметично прикреплен сварной конец короткого сильфона 17. Другой конец сильфона герметично прикреплен сваркой к втулке 18, которая, в свою очередь, скреплена сваркой с кольцом 19. В полость между деталями 18 и 19 установлен кольцевой уплотнительный элемент 20. Для облагораживания потока основной магистрали она ограждена от полости сильфона 17 с помощью трубчатого экрана 21. Кроме вилки 16 карданный механизм имеет вилку 22, скрепленную с головкой 23, которая, в свою очередь, скреплена с не показанной на чертеже камерой ЖРД. Карданный механизм содержит также рамку 24 и четыре запрессованные в рамку осевые втулки 25. Головка 23 имеет сферическую уплотнительную поверхность 26, к которой поджат кольцевой уплотнительный элемент 20 благодаря жесткости сильфона в исходном положении и благодаря разности эффективных площадей сильфона 17 и кольцевого уплотнительного элемента 20 при давлении текучей среды во внутренней полости при пневмоиспытаниях или продуктов газогенерации на работающем двигателе. Герметизация внутренней полости узла качания (вход и выход рабочей магистрали показаны стрелками) от его внешней среды, т.е. в данном случае от полости двигательного отсека ракеты, осуществляется с помощью кольцевого уплотнительного элемента 20. Центр карданного механизма и центр сферической уплотнительной поверхности 26 практически совпадают.

На фиг. 3 представлен узел качания камеры ЖРД с двумя кольцевыми уплотнениями по сфере и дренажом между ними. Здесь также трубопровод продуктов газогенерации ЖРД от турбины к камере и камера ЖРД не показаны. С указанным трубопроводом герметично скреплен, например, сваркой патрубок 28, в который, в свою очередь, герметично скреплен с составной обоймой, состоящей из верхней обоймы 29 и нижней обоймы 30, скрепленных между собой, например, сваркой. Узел содержит головку 31 со сферической уплотнительной поверхностью 32. В двух кольцевых канавках, образованных деталями 28, 29, 30, размещены упругие кольца 33 и 34, поджимающие в исходном положении воротниковые манжеты 35 и 36 к сферической уплотнительной поверхности 32, обеспечивая отделение внутренней полости узла качания (вход и выход рабочей магистрали показаны стрелками) от его внешней среды, т.е. на ракете от двигательного отсека ракеты. Полость, имеющаяся в устройстве, между воротниковыми манжетами 35 и 36 через штуцер 37 сообщается с дренажом. На нижней обойме 30 выполнена вилка 38 карданного механизма. Другая вилка 39 карданного механизма скреплена с головкой 31, скрепленной, в свою очередь, с камерой ЖРД, которая на чертеже не показана. Рамка 40 карданного механизма шарнирно скреплена с вилками 38 и 39 с помощью четырех осевых втулок 41. Центр карданного механизма практически совпадает с центром сферической уплотнительной поверхности 32.

На фиг. 4 представлен узел качания камеры ЖРД с подпружиненной гильзой в головке. На этом чертеже подводящий трубопровод 42 продуктов газогенерации герметично скреплен с обоймой 43 узла качания с помощью штифтов 44 и упругих уплотнительных прокладок 45. На обойме 43 выполнена сферическая уплотнительная поверхность 46, с которой взаимодействует кольцевой уплотнительный элемент 47, поджатый к поверхности 46 пружиной 48 через гильзу 49, имеющую конический скос 50. Этим коническим скосом гильза 49 упирается в ответный конический скос на кольцевом уплотнительном элементе 47 (графически совпадающий со скосом 50 гильзы 49). Гильза 49 подвижно посажена в головке 51 и благодаря скосу 50 обеспечивает герметизацию внутренней полости 52 узла качания камеры относительно окружающей среды. Головка 51 скреплена с камерой 53 со стороны хвостовика 54 с помощью штифтов 55. В подводящий трубопровод 42 жестко вставлен трубчатый экран 56, а в камеру 53 жестко вставлен трубчатый экран 57. Эти трубчатые экраны служат для спрямления потока и уменьшения гидравлического сопротивления узла. Между головкой 51 и камерой 53 установлена упругая металлическая уплотнительная прокладка 58. Узел качания камеры ЖРД снабжен карданным механизмом, который обеспечивает возможность поворота камеры вокруг центра карданного механизма, причем центр, как и в предыдущих случаях, расположен на оси камеры (65) и оси подводящего трубопровода (42). Карданный механизм содержит рамку 59, в которую установлены осевые втулки 60 (всего 4 втулки) на сферических подшипниках скольжения 61. Втулки 60 вставлены также в вилки 62 и 63, выполненные на обойме 43 и головке 51 соответственно. В вилках 62 и 63 выполнены выемки 64, в которых размещается с соответствующими зазорами рамка 59. На входе в камеру 53 имеется полость 65. Вход и выход на изображенных на фигурах устройствах показаны стрелками.

Узел качания камеры ЖРД с двумя подпружиненными гильзами в головке показан на фиг. 5. Обойма 66 скреплена с подводящим трубопроводом, имеет сферическую уплотнительную поверхность 67, к которой подвижно поджат кольцевой уплотнительный элемент 68. Это поджатие обеспечивается через конические поверхности 69 взаимодействующих между собой кольцевого уплотнительного элемента 68 и гильзы 70, которая подпружинена пружиной 71. Эти детали размещены во внутренней полости головки 72, как это видно на чертеже. Кольцевой уплотнительный элемент 68 расположен со стороны входа в головку 72. Направление движения потока во внутренней полости узла качания камеры на чертеже показано стрелками. Со стороны выхода в головке 72 размещен кольцевой уплотнительный элемент 73, поджатый к сферической уплотнительной поверхности 74, выполненной на второй обойме 75. Эта обойма герметично скреплена с камерой ЖРД (на чертеже не показано). Кольцевой уплотнительный элемент 73 подпружинен через гильзу 76 пружиной 77 к сферической уплотнительной поверхности 74 обоймы 75. Устройство снабжено карданным механизмом, содержащим вилки 78 и 79 обойм 75 и 66 соответственно. В вилки 78 и 79 вставлены осевые стаканы (4 стакана) 80, фиксируемые от радиальных смещений с помощью вкладышей 81 и сферических колец 82, образующих сферические подшипники скольжения. В этой конструкции роль рамки карданного механизма выполняет головка 72. Устройство содержит трубчатые экраны 83 и 84, скрепленные с обоймами 75 и 66 соответственно. Эти экраны обеспечивают улучшение гидравлической характеристики узла качания. Устройство содержит каналы 85 для подведения охлаждающей среды в зону расположения кольцевого уплотнительного элемента 73 со стороны основной магистрали узла качания (для кислородно-керосинового ЖРД с окислительным газогенератором в качестве охлаждающей среды может быть жидкий кислород). При необходимости аналогичные каналы могут быть подведены в зону расположения кольцевого уплотнительного элемента 68. Следует отметить, что для предотвращения возможных утечек рабочей среды в двигательный отсек возможно соединение обойм 66 и 75 эластичным кожухом, например сильфонным, и дренажом за борт среды в связи с указанной негерметичностью.

На принципиальной схема узла качания, представленной на фиг. 6, подводящий трубопровод продуктов газогенерации 86 соединен с камерой 87 через подвижный герметизирующий узел 88. Камера 87 может "качаться" в пространстве вокруг точки "О", являющейся центром сферической уплотнительной поверхности (2, 26, 32, 46, 67) и карданного механизма, если он имеется в узле 89 - турбина, являющаяся приводом турбонасосного агрегата ЖРД (на чертеже насосы не показаны), 90 - газогенератор. Для упрощения в схеме опущены также агрегаты автоматики, трубопроводы, измерительные устройства, системы запуска и зажигания и пр.

Работает узел качания следующим образом. На всех фигурах узел показан в исходном положении. На работающем ЖРД при подаче команды на привод (на чертежах не показан) узла качания камера 87 поворачивается относительно точки "О" в заданное положение. Герметизирующий узел 88 обеспечивает герметизацию полости основной магистрали с помощью подвижного герметизирующего узла 88, выполненного в виде сферического подвижного уплотнительного соединения. После работы и выключения ЖРД привод возвращает камеру 87 в исходное положение.

Узел качания камеры ЖРД содержит камеру, подводящий трубопровод продуктов газогенерации ЖРД от турбины к камере. Камера закреплена относительно трубопровода с возможностью пространственного перемещения вокруг точки в районе оси или на оси камеры в заданном телесном угле. Между камерой и трубопроводом установлен подвижный герметизирующий узел. Подвижный герметизирующий узел выполнен в виде сферического подвижного уплотнительного соединения, содержащего головку и обойму. На одной из них выполнена сферическая уплотнительная поверхность, на другой - гнездо, где смонтирован кольцевой уплотнительный элемент, поджатый к сферической уплотнительной поверхности, например, пружиной и выполненный из уплотнительного материала с низким коэффициентом трения об указанную сферическую уплотнительную поверхность, например из фторопласта, а в головке и обойме выполнен сквозной магистральный продольный канал, сообщающийся со стороны входа непосредственно с подводящим трубопроводом продуктов газогенерации, а со стороны выхода - с камерой ЖРД. Предложенное изобретение позволяет упростить изготовление, снизить стоимость и уменьшить габариты узла качания камеры сгорания. 8 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Узел качания камеры ЖРД, содержащий камеру, подводящий трубопровод продуктов газогенерации ЖРД от турбины к камере, при этом камера закреплена относительно трубопровода с возможностью пространственного перемещения ее вокруг точки в районе оси или на оси камеры в заданном телесном угле, а между камерой и трубопроводом установлен подвижный герметизирующий узел, отличающийся тем, что подвижный герметизирующий узел выполнен в виде сферического подвижного уплотнительного соединения, содержащего головку и обойму, на одной из которых выполнена сферическая уплотнительная поверхность, а на другой - гнездо, в котором монтирован кольцевой уплотнительный элемент, поджатый и сферической уплотнительной поверхности, например, пружиной, и выполненный из уплотнительного материала с низким коэффициентом трения об указанную сферическую уплотнительную поверхность, например, из фторопласта, а в головке и обойме выполнен сквозной магистральный продольный канал, сообщающийся со стороны входа непосредственно с подводящим трубопроводом продуктов газогенерации, а со стороны выхода - с камерой ЖРД. 2. Узел качания камеры ЖРД по п.1, отличающийся тем, что подвижный герметизирующий узел содержит также вторую обойму, расположенную по другую сторону головки (сравнительно с первой обоймой), а головка и вторая обойма содержит элементы, образующие сферическое уплотнительное соединение головки со второй обоймой, при этом головка и одна из обойм или две обоймы жестко скреплены одна с камерой, а вторая с подводящим трубопроводом продуктов газогенерации. 3. Узел качания камеры ЖРД по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит карданный механизм, через который трубопровод продуктов газогенерации скреплен с входной частью камеры. 4. Узел качания камеры ЖРД по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сферическое уплотнительное соединение головки со второй обоймой выполнено в виде сферической уплотнительной поверхности на жестко скрепленной с камерой головке и взаимодействующим с этой поверхностью уплотнительным усом, выполненным на второй обойме, при этом первая обойма скреплена как с подводящим трубопроводом, так и со второй обоймой. 5. Узел качания камеры ЖРД по пп.1 и 3, отличающийся тем, что вилки карданного механизма выполнены на обоймах, а рамка карданного механизма выполнена непосредственно на головке герметизирующего узла. 6. Узел качания камеры ЖРД по пп.1 и 3, отличающийся тем, что вилки карданного механизма выполнены на головке и обойме, а рамка карданного механизма выполнена в виде отдельной детали, например в виде кольца. 7. Узел качания камеры ЖРД по пп.1 и 3, отличающийся тем, что сферическая уплотнительная поверхность выполнена вогнутой на скрепленной с подводящим трубопроводом обойме, в головке размещена подпружиненная гильза с коническим скосом, а кольцевой уплотнительный элемент вставлен в головку и содержит кольцевой конический скос, которым кольцевой уплотнительный элемент упирается в конический скос гильзы. 8. Узел качания камеры ЖРД по пп.1, 3, 7, отличающийся тем, что подвижный герметизирующий узел имеет вторую обойму, которая скруглена с камерой и имеет вогнутую сферическую уплотнительную поверхность, а головка содержит вторую противоположно расположенную подпружиненную гильзу с коническим скосом и второй кольцевой уплотнительный элемент с ответным коническим скосом, которым этот уплотнительный элемент упирается в конический скос второй гильзы. 9. Узел качания камеры ЖРД по п.1, отличающийся тем, что зона контакта кольцевого уплотнительного элемента со сферической уплотнительной поверхностью гидравлически соединена с магистралью холодного компонента топлива, например жидкого кислорода.