1.1 Особенности условий работы и конструкции камеры ЖРД
Камера ЖРД—важнейший агрегат ЖРД, работающий в весьма трудных условиях. Сгорание топлива происходит в малом объеме при высоких значениях температуры и давления. С целью повышения скорости сгорания поступающие жидкие компоненты должны быть очень мелко распылены и равномерно перемешаны. Распыление осуществляется форсуночной головкой (ФГ), от хорошей работы которой зависит эффективность работы камеры ЖРД. Смешивание газообразных компонентов осуществляется смесительной головкой.
Внутренние стенки камеры сгорания омываются газами, температура которых значительно превышает температуру плавления материала стенки. Поэтому стенки должны интенсивно охлаждаться. Кроме того, стенки камеры ЖРД испытывают высокое давление газов. Так как вес камеры сгорания должен быть минимальным, ее выполняют из высокопрочных тонколистовых материалов.
Камера ЖРД, рис.1,
Рисунок 1- Камера ЖРД
состоит из следующих основных, технологических узлов: форсуночной или смесительной головки (СГ); камеры сгорания или средней части; охлаждаемой сопловой части; неохлаждаемой сопловой части — насадка.
Разбивка камеры ЖРД на технологические узлы
Эти узлы камеры ЖРД соединяются сваркой или с помощью болтов. Средняя часть и сопловая охлаждаемая часть часто выполняются за одно целое. Форсуночная головка схематически изображена на рис.2.
Рисунок 2 - Схема форсуночной головки А— полость окислителя;Б—полость горючего; 1—огневое днище; 2—среднее днище; 3—верхнее днище;4—шаровая опора; 5—патрубок; 6—коллектор; 7— форсунка горючего; 8—форсунка окислителя.
Она состоит из огневого днища 1, среднего днища 2, верхнего днища 3, шаровой опоры 4, патрубков подвода окислителя 5, коллектора подвода горючего 6. форсунок окислителя 8. форсунок горючего 7. Количество форсунок определяется размером камеры ЖРД и требованиями к распылу компонентов[3].
Некоторые камеры ЖРД вместо центральной шаровой опоры4имеют специальные цапфы, приваренные к рубашке средней части камеры примерно в центре тяжести.
Узел — камеры сгорания и охлаждаемая часть сопла - схематически изображен на рис.3.
Рисунок 3 - Конструкция средней части камеры ЖРД: 1 и 2 — внутренняя и внешняя стенки камеры ЖРД, соответственно; 3— цапфа;4— коллектор; 5—патрубок с фланцем
Он состоит из внутренней (огневой) оболочки или стенки 1, внешней оболочки или рубашки2,цапф3,коллектора4,патрубков с фланцами5.
Стенка 1 соприкасается с газами при высокой температуре и должна интенсивно охлаждаться. С этой целью по каналам межрубашечного пространства протекает охлаждающая жидкость — один из компонентов топлива, чаще всего горючее.
Каналы для жидкости могут быть образованы несколькими способами:
а) установкой гофрированных проставок между рубашкой и стенкой. б)соединением пайкой П-образных профилей с последующей проточкой по поверхности прилегания рубашки;
в) Соединением пайкой профилированных трубок;
г) фрезерованием, травлением или выдавливанием продольных каналов в стенке.
Рубашка 2 изготовляется из высокопрочных материалов — стали, титана. Она может быть выполнена сплошной по всему контуру стенки или в виде отдельных колец, что определяется расчетом на прочность камеры ЖРД при условии минимального веса конструкции. В некоторых конструкциях рубашка изготовляется намоткой стальной ленты или проволоки с последующей пайкой. Применяются также рубашки из стекловолокна, пропитанного пластмассой.
Цапфы 3 воспринимают силу тяги камеры и привариваются к усиленной части рубашки камеры ЖРД. Чтобы избежать больших деформаций гибких трубопроводов при поворотах качающихся камер, горючее и окислитель можно подводить через осевые сверления в цапфах.
Коллектор 4 служит для равномерного распределения охлаждающей жидкости по каналам стенки камеры. Он выполняется из листового металла и приваривается или припаивается к рубашке. Жидкость подводится через один, два или более патрубков с приваренными фланцами 5 для соединения с трубопроводами, идущими от ТНА.
Неохлаждаемая часть сопла испытывает сравнительно небольшое внутреннее давление и изготовляется из тонколистового материала (стали, тагана). Для защиты от высокой температуры применяются различные покрытия, наносимые электроосаждением, плазменным распылением, диффузионным и другими способами[4].
1.2 Требования, предъявляемые к камерам ЖРД
Камера ЖРД любого типа и конструкции должна удовлетворять определенным требованиям, обусловленным особенностями ее работы и эксплуатации.
Основными особенностями камеры ЖРД отличающими ее от камер сгорания других тепловых двигателей, являются:
1) высокая теплонапряженность ее рабочего объема, что предъявляет особые требования к конструкции камеры сгорания;
2) большие давления и температуры газов в ней (около 20-80атми 2800-3600 К), что предъявляет особые требования к материалам и к системе охлаждения;
3) малое время, отводимое для сгорания в ней топлива (не больше 0,005 сек.), что требует очень хорошего распыла компонентов топлива при подаче в камеру сгорания для более полного их сгорания;
4) большие секундные расходы компонентов топлива, в силу чего требуется надежное зажигание его при запуске двигателя;
5) резкое ухудшение экономичности работы камеры двигателя и условий ее охлаждения при изменении режима работы относительно расчетного;
6) жёсткое ограничение по весу, вследствие специфики использования ЖРД на летательных аппаратах, что требует применения для изготовления камеры легких и прочных материалов при условии их работы с весьма малыми запасами прочности.
Главной задачей при проектировании и конструировании камеры двигателя является обеспечение возможно большего удельного импульса при минимальном весе и максимальной надежности конструкции. В ряде случаев, когда это компенсируется соответствующим уменьшением веса, вполне допустимо некоторое снижение удельного импульса. Хотя такое мероприятие дает косвенный эффект и связано иногда со значительным изменением конструкции двигателя, но тем не менее им не следует пренебрегать.
Конструктивные и эксплуатационные особенности ЖРД во многом зависят от вида применяемых компонентов топлива.
При проектировании камеры двигателя необходимо стремиться обеспечить:
1) надежное воспламенение топлива при запуске в любых атмосферных условиях;
2) устойчивое горение топлива (без пульсаций давления) в диапазоне установленных режимов работы двигателя;
3) малые потери энергии топлива при сгорании в минимальном объеме и заданном режиме работы двигателя;
4) надежность охлаждения (если двигатель охлаждаемый) и работы в пределах установленных режимов и ресурса;
5) небольшой перепад давления жидкости в охлаждающем тракте;
6) простоту конструкции камеры, минимальные удельный вес и стоимость.
Камеры ЖРД существующих двигателей, созданные на основании экспериментальных исследований, большинству этих требований в значительной мере удовлетворяют.
Совершенство камеры ЖРД в основном определяется величиной развиваемого удельного импульса при простой, легкой и надежной конструкции. Величина удельного импульса двигателя является наиболее существенным параметром, определяющим дальность полета боевого аппарата при заданном совершенстве его конструктивного выполнения.
Основным фактором, влияющим на величину удельного импульса камеры двигателя, является качество организации и осуществления в ней рабочего процесса. Изучение процессов сгорания топлива в камерах ЖРД с целью дальнейшего их улучшения и совершенствования представляет весьма обширную область экспериментальных и теоретических исследований.
Для совершенствования конструкции камеры двигателя необходимы дальнейшие исследования процессов сгорания в ней заданных топлив при различных соотношениях компонентов и давлениях горения в зависимости от конструкций распыляющего устройства, скоростей впрыска компонентов топлива, конфигурации камеры сгорания и сопла, а также других факторов и условий работы двигателя[5].
1.3 Выбор материала для камеры ЖРД
Материал камеры двигателя должен быть по возможности более прочным, легким и обладать хорошими пластическими свойствами. Для материала внутренней оболочки желательно сочетание высокой теплопроводности и удовлетворительных прочностных свойств при высоких температурах, однако, как правило, жаропрочные сплавы имеют плохую теплопроводность высокотеплопроводных скреплениях, температура наружной оболочки может достигать 300-400°С и тогда материал должен обладать достаточно хорошей жаропрочностью.
Кроме того, в зависимости от типа конструкции и применяемых компонентов, материал должен удовлетворять условиям свариваемости, кислотостойкости и не являться катализатором.
Основные рекомендации по выбору конструкционных материалов при производстве камер ЖРД представлены ниже:
1.Сталь 12Х18Н10Тприменяется для внутренних оболочек цилиндрической и сужающейся части камер при температуре газа менее 3000 К, а также для внутренней оболочки расширяющихся частей сопел.
2.Сталь 12Х18Н9Тв настоящее время не рекомендуется для внутренних оболочек камер из-за склонности к межкристаллической коррозии.
3.Сталь 1X21Н5Тцелесообразно применять для выполнения силовых колец камер, т.к. она не требует термообработки после сварки.
Кроме того, сталь 1X21Н5Т хорошо сваривается с бронзой, и поэтому может использоваться в качестве промежуточного кольца при сварке внутренних оболочек из стали 12Х18Н1ОТ и бронзы типа БрХ-08. Сталь 1Х21Н5Т рекомендуется также для изготовления наружных оболочек расширяющихся частей сопел. Эта сталь при температуре пайки обладает высокой пластичностью, что обеспечивает хороший контакт со связями и высокое качество пайки узлов сложной формы.
4.Сталь Х16Н4БА используется для изготовления наружной оболочки цилиндрической и сужающейся частей камеры двигателя, т.к. при температуре более 500 К. она обладает высокими механическими характеристиками.
5.Титановые сплавыприменяются для изготовления наружной и внутренней оболочек расширяющейся части сопел, работающих в восстановительной среде. Для окислительной среды титановые сплавы применять не рекомендуется, т.к. они могут возгораться из-за растрескивания окисной плёнки.
6.Медные сплавыиспользуются для изготовления внутреннего днища и внутренних оболочек цилиндрической части камеры и суживающейся части сопла в двигателях с высоким давлением в камере (более 10 Мпа).
Для внешней оболочки теплопроводность большого значения не имеет и поэтому МПЧ главным требованием к материалу является его высокая прочность и возможно меньшая плотность[6].
Весь текст будет доступен после покупки
