УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ НЕОХЛАЖДАЕМОГО НАСАДКА Российский патент 2009 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к ракетным двигателям, и может быть использовано при разработке и создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с неохлаждаемым сопловым насадком, а также при оптимизации массово-энергетических характеристик ЖРД.

Одной из основных тенденций в современном двигателестроении является замена металлических деталей и узлов на детали и узлы, выполненные из композиционных материалов (КМ), в частности из углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов (УУКМ и УККМ соответственно).

УУКМ и УККМ обладают рядом уникальных свойств. Они сохраняют высокие физико-механические характеристики до очень высоких температур (более 2000 К), обладают хорошей эрозионной стойкостью, имеют плотность на уровне 1300...2000 кг/м³.

Одна из основных областей применения этих материалов в ЖРД - это неохлаждаемые сопловые насадки (НСН). Их использование позволяет снизить нагрузку на турбонасосный агрегат, уменьшить вес конструкции, повысить надежность работы смесительной головки за счет снижения температуры горючего, упростить пневмогидравлическую схему двигателя, снизить подогрев охладителя и уменьшить массу двигателя примерно на 10%.

Проведенные в России экспериментальные исследования показывают, что НСН из УУКМ можно устанавливать, начиная с температуры стенки не более 1400...1500 К, а НСН из УККМ - с температуры стенки 1600...1800 К.

Однако широкое распространение насадков и камер с НСН из КМ до настоящего времени ограничивается сложностью создания узла соединения регенеративно охлаждаемого сопла и неохлаждаемого насадка, т.к. при этом необходимо обеспечить теплоотвод от места стыка и учесть значительную разницу в коэффициентах температурных расширений металлических и неметаллических элементов узла.

Известен узел соединения неохлаждаемого насадка с регенеративно охлаждаемым соплом жидкостного ракетного двигателя, содержащий посадочное место на сопле, взаимодействующее со стыковочным фланцем насадка, стягивающие соединение болты и герметизирующие соединение уплотнительные элементы. (Материалы 34-й Международной объединенной двигательной конференция AIAA, США, 1998 г. Статья AIAA 98-3363 «Разработка выдвижного соплового насадка, выполненного из материала углерод-углерод, для применения в ЖРД RL10B-2», стр.6, рис.8 - прототип).

Крепление насадка к соплу ЖРД RL10B-2 осуществляется при помощи разъемного фланцевого соединения. Во входной части насадка выполнено специальное утолщение - фланец с отверстиями для крепления, а в выходной части регенеративно охлаждаемого сопла - профилированное посадочное место в виде кольца, соединенного с наружной оболочкой сопла.

Насадок устанавливается опорной поверхностью на ответную поверхность посадочного места и крепится к кольцу при помощи болтов.

Основным недостатком данного узла соединения является то, что его можно устанавливать только в зонах с достаточно низкими температурами стенки насадка, т.к. в данном случае охлаждение узла соединения осуществляется только за счет излучения и отбора тепла металлическими охлаждаемыми частями сопла, что приводит к необходимости установки узла соединения на достаточно большом расстоянии от критического сечения и недостаточному снижению массы сопла и двигателя в целом.

Задачей изобретения является повышение рабочих температур узла соединения и повышение надежности работы места соединения насадка из КМ и регенеративно охлаждаемого сопла.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном узле крепления неохлаждаемого насадка к соплу жидкостного ракетного двигателя, содержащем профилированную опорную поверхность для установки насадка, выполненную, например, в виде профилированного фланца, расположенную в выходной части регенеративно охлаждаемого сопла, насадок с ответной профилированной опорной поверхностью, болты, соединяющие опорные поверхности узла крепления и неохлаждаемого насадка между собой, согласно изобретению опорная поверхность сопла выполнена в виде профилированного кольцевого Г-образного профиля, совмещенного с коллектором подвода охладителя в охлаждающий тракт сопла, и расположена одной стороной к продольной оси камеры под углом, равным углу между перпендикуляром, проведенному к профилю сопла в месте стыка, и образующей профиля, а по другой стороне опорной поверхности сопла выполнены продольные пазы, образующие зажим с лепестками по типу цангового, при этом на опорную поверхность насадка установлено профилированное Г-образное кольцо, одной частью соприкасающееся с лепестками, другой - с опорной поверхностью насадка.

Для дополнительного снижения термических напряжений, возникающих во время работы двигателя в узле крепления неохлаждаемого соплового насадка к регенеративно охлаждаемому соплу, Г-образный фланец может быть выполнен с продольными пазами.

Для улучшения условий теплопередачи узел крепления неохлаждаемого соплового насадка к регенеративно охлаждаемому соплу ЖРД может быть выполнен таким образом, что охлаждаемая стенка гнезда расположена к продольной оси камеры под углом, равным углу между перпендикуляром, проведенным к профилю сопла в месте стыка, и образующей профиля.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области техники показал, что изложенная совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения «новизна».

При анализе других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены, а изложенная совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «изобретательский уровень».

Соответствие предлагаемого технического решения критерию изобретения «промышленная применимость» следует из приведенного ниже примера конкретного выполнения узла соединения неохлаждаемого насадка и сопла жидкостного ракетного двигателя.

Преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примера его выполнения, представленного на чертеже, где показан осевой разрез предложенного узла крепления неохлаждаемого насадка к регенеративно охлаждаемому соплу ЖРД.

Основными элементами предложенного узла крепления НСН и сопла камеры ЖРД являются:

1 - охлаждаемое сопло ЖРД;

2 - неохлаждаемый насадок;

3 - профилированная опорная поверхность насадка;

4 - профилированная опорная поверхность сопла;

5 - коллектор охладителя;

6 - болты;

7 - продольные пазы;

8 - кольцо уплотнительное;

9 - профилированное кольцо Г-образного сечения.

К охлаждаемому соплу 1 ЖРД при помощи фланцевого соединения укрепится неохлаждаемый насадок 2. Во входной части НСН выполнена специальная профилированная опорная поверхность 3 с отверстиями для крепления насадка, а в выходной части сопла 1 - профилированная Г-образная опорная поверхность сопла 4, совмещенная с подводящим коллектором 5 для улучшения условий теплообмена.

Насадок 2 устанавливается опорной поверхностью на ответную поверхность посадочного места и крепится к коллектору при помощи болтов 6.

В верхней части профилированного посадочного места 4 выполнены продольные пазы 7 для образования лепестков и зажима по типу цангового для поджатия лепестков к профилированной опорной поверхности 3.

Уплотнение места соединения НСН 2 и сопла 1 осуществляется при помощи кольца 8, выполненного, например, из терморасширенного графита и уставленного между опорными поверхностями.

Между головками болтов и выходной частью насадка устанавливается профилированное кольцо 9 Г-образного сечения, состоящее их двух половинок, соединяемых между собой по оси после установки на насадок. Одной поверхностью кольцо 9 при установке насадка поджимается болтами к опорной поверхности насадка, другой - воздействует на лепестки профилированного посадочного места и поджимает их к внешней поверхности бурта насадка, центрируя таким образом насадок.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При работе ЖРД истекающие из сопла 1 продукты сгорания воздействуют на внутреннюю поверхность насадка 2 и разогревают НСН и узел соединения.

Тепло отводится из места стыка через профилированную опорную поверхность 3 НСН, соприкасающейся с профилированной опорной поверхностью сопла 4, совмещенной с коллектором охладителя 5 и охлаждаемой охладителем из тракта охлаждения.

Температурные напряжения, возникающие из-за различных коэффициентов термического расширения металлических и неметаллических частей, компенсируются за счет снижения температуры узла крепления при отборе тепла охладителем, поступающим в коллектор 5, и наличия зазоров между винтами 6 и отверстиями в опорных поверхностях 3 и 4, благодаря которым происходит смещение элементов конструкции друг относительно друга.

Уплотнение места соединения НСН 2 и сопла 1 от продуктов сгорания осуществляется при помощи кольца 8, выполненного, например, из терморасширенного графита и уставленного между профилированными опорными поверхностями 3 и 4.

Наличие продольных пазов в профилированном Г-образном кольце 9 позволит дополнительно снизить термические напряжения, возникающие в узле во время работы.

Предложенное техническое решение позволяет значительно улучшить условия отвода тепла из узла стыка за счет увеличения поверхности соприкосновения неохлаждаемых и охлаждаемых частей и отбора части тепла охладителем, подаваемым в коллектор, и, тем самым, повысить надежность работы узла крепления и ЖРД в целом.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к ракетным двигателям, и используется при разработке и создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с неохлаждаемым сопловым насадком. Узел крепления неохлаждаемого насадка к соплу жидкостного ракетного двигателя содержит профилированную опорную поверхность для установки насадка, выполненную в виде профилированного фланца, расположенную в выходной части регенеративно охлаждаемого сопла, насадок с ответной профилированной опорной поверхностью и крепится болтами, соединяющими опорные поверхности узла крепления и неохлаждаемого насадка между собой. Опорная поверхность сопла выполнена в виде профилированного кольцевого Г-образного профиля, совмещенного с коллектором подвода охладителя в охлаждающий тракт сопла, и расположена одной стороной к продольной оси камеры под углом, равным углу между перпендикуляром, проведенным к профилю сопла в месте стыка и образующей профиля, а по другой стороне опорной поверхности сопла выполнены продольные пазы, образующие зажим с лепестками по типу цангового, при этом на опорную поверхность насадка установлено профилированное Г-образное кольцо, одной частью соприкасающееся с лепестками, другой - с опорной поверхностью насадка. В профилированном Г-образном кольце выполнены продольные пазы. Изобретение обеспечивает повышение рабочих температур узла соединения и надежности работы места соединения неохлаждаемого насадка из композиционных материалов и регенеративно охлаждаемого сопла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Узел крепления неохлаждаемого насадка к соплу жидкостного ракетного двигателя, содержащий профилированную опорную поверхность для установки насадка, выполненную, например, в виде профилированного фланца, расположенную в выходной части регенеративно охлаждаемого сопла, насадок с ответной профилированной опорной поверхностью, болты, соединяющие опорные поверхности узла крепления и неохлаждаемого насадка между собой, отличающийся тем, что опорная поверхность сопла выполнена в виде профилированного кольцевого Г-образного профиля, совмещенного с коллектором подвода охладителя в охлаждающий тракт сопла, и расположена одной стороной к продольной оси камеры под углом, равным углу между перпендикуляром, проведенным к профилю сопла в месте стыка, и образующей профиля, а по другой стороне опорной поверхности сопла выполнены продольные пазы, образующие зажим с лепестками по типу цангового, при этом на опорную поверхность насадка установлено профилированное Г-образное кольцо, одной частью соприкасающееся с лепестками, другой - с опорной поверхностью насадка.2. Узел крепления неохлаждаемого насадка и сопла жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что в профилированном Г-образном кольце выполнены продольные пазы.