РД1 Лекции жрд 2017

Одностенные корпуса просты по конструкции, но могут работать только

при небольших давлениях газа в к.с. (до 1МП) и температурах (ЖРДМТ)

Двухстенный корпус 1 - рубашка; 2 - оребрённая стенка; 3 - гладкая внутренняя стенка; 4 - гофрированная

проставка; 5 - разрезанное соединительное кольцо; 6 - коллектор подвода компонента; 7 - коллектор для поворота жидкости; 6.1 - обечайка коллектора; 6.2 - подводящий патрубок; 6.3 – распределитель жидкости

Двустенные корпуса

Для больших рк и Тк применяют 2-х стенные корпуса.

Они имеют двойные стенки, образующие тракт охлаждения с помощью компонента топлива. Наружную стенку - рубашкой.

По технологии изготовления корпуса разделяют на сборные, сварные и паяно-сварные.

Внастоящее время широко применяют двухстенные паяно-сварные корпуса, впервые разработанные в СССР в начале 50-х годов.

Вэтих корпусах стенки соединены между собой продольными рёбрами или гофрированными проставками при помощи пайки.

Внутренняя стенка может иметь малую толщину из менее прочного, но высокотеплопроводного материала. Прочность его корпуса обеспечивается рубашкой из высокопрочных сталей и сплавов. Связи рёбрами или гофрами обеспечивают высокую жесткость, прочность и охлаждение стенки корпуса.

62

Технология получения паяно-сварного корпуса

Возможна трубчатая конструкция корпуса камеры или конструкция, в которой соединение внутренней стенки и рубашки производится электролитическим осаждением металла рубашки.

Паяно-сварные корпуса при малой массе позволяют реализовать высокие давления газа в камере сгорания (до 30 Мпа).

Все двухстенные конструкции имеют коллекторы, которые служат для ввода охладителя в тракт охлаждения или сбора его и вывода из тракта.

Требования к коллектору:

-обеспечить равномерное поле скоростей охладителя по окружности.

-минимальные гидравлические потери охладителя.

Обечайка коллектора 6.1 для прочности имеет круглую или полукруглую форму сечения. Роль распределителя 6.3 может выполнять рубашка камеры.

Входной коллектор 6 размещается на срезе сопла (обеспечивает противоточную схему охлаждения).

Однако для уменьшения диаметра камеры на срезе сопла и массы камеры его устанавливают на расширяющейся части сопла. Охладитель при этом через отверстия распределителя 6.3 поступает в каналы гофрированной проставки и распределяется на 2 потока. Оба потока соединяются в месте, где заканчивается гофрированная проставка над которой установлен коллектор.

Комбинированные корпуса

Комбинация 2-х и одностенной конструкций.

Комбинированный корпус 1 – двухстенный корпус; 2 – одностенный корпус

63

Опоры камеры.

Служат для передачи усилий от камеры к ЛА.

Они могут быть неподвижными и подвижными.

Они должны:

-обеспечить точное совпадение оси камеры и ЛА.

-исключить возникновение дополнительных напряжений в элементах конструкции.

-обеспечить удобство монтажа.

Для обеспечения требований опоры должны быть жёсткими и располагаться в виде одного силового пояса.

Опоры могут быть 2-х видов: подвижные и неподвижные.

Неподвижные опоры обеспечивают неподвижную установку камеры относительно ЛА (часто размещают на силовом кольце головки в виде приливов или сварных кронштейнов).

Подвижные – обеспечивающие поворот камеры

камеры) для понижения инерционных нагрузок при эволюциях ЛА.

Опоры и центрирующие поверхности кронштейнов должны быть жестко

связаны с осью камеры или быть регулируемые (опора усложняется).

64

применяют шарниры а, универсальные шарниры б и шаровую пяту в. Mасса mуду- повышается, но СУ ЛА – эффективна. Используется до 10%-15% от тяги двигателя при потере Iу около 1%.

Материалы камеры.

Материалы деталей камеры обусловлено условием работы и свойством компонентов топлива, назначением ДУ.

При агрессивных топливах все детали, припои и сварочный материал должен быть совместим с ними. Это никелевые сплавы и хромоникелевые стали, алюминий и его сплавы. Температура деталей камеры 20…….1300 К.

Детали соприкасающиеся с криогенным топливом изготавливают из пластичных материалов. Это нержавеющие стали аустенитного класса (12ХН10Т, хромоникелевые стали, железоникелевые сплавы ЭИ-787, алюминиевые и медные сплавы, БрХ08 – медь и около 5% хрома).

Детали, соприкасаемые с продуктами сгорания – жаропрочные и жаростойкие материалы или наносить жаростойкие покрытия в зависимости от

содержания окислителя.

До Т = 573…773 К – нержавеющие и титановые сплавы. При Т>773 К – никеливые сплавы.

Соединение деталей – высокотемпературная пайка. Т>723 К. Для нержавейки применяются серебряный припой (ПСр25 и ПСр45)

Тепловая защита элементов камеры ЖРД.

Внутреннее днище головки и стенки корпуса камеры находятся под воздействием горячих газов, что снижает механические свойства материала деталей.

65

Кроме этого нагретые поверхности подвергаются коррозии в

окислительной среде и эрозии (в местах высоких скоростей течения газа).

Поэтому необходима интенсивная тепловая защита внутренних

стенок камеры.

Передача тепла от газа к стенке корпуса камеры происходит путём теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Теплопроводности и конвекцию объединяют под общим названием конвек-

тивного теплообмена.

Суммарная плотность теплового потока от газа

qг = qк + qл,

Способы охлаждения стенки без применения охладителя

Классификация способов тепловой защиты

66

1.Радиационное охлаждение стенки (из тугоплавкого материала)за счет излучения тепла от наружной поверхности стенки в окружающее пространство.

2.Емкостное охлаждение – восприятие тепла материалом стенки.

3.Теплоизоляция стенки – понижение теплового потока в стенку за счет теплостойкого покрытия с низкой теплопроводностью.

4.Абляционное охлаждение – понижение теплового потока в стенку за счет поглощения тепла покрытием, которое разрушается и уносится с потоком продуктов сгорания топлива.

Все названные способы охлаждения допускают применение одностенных

конструкций камер.

Способы охлаждения стенки с применением охладителя

5. Проточное охлаждение применяется для двухстенных конструкций. При проточном охлаждении охладитель, протекая по тракту охлаждения (между внутренней стенкой и рубашкой камеры и смесительной головки) поглощает тепло, переданное газом во внутреннюю стенку камеры.

Проточное охлаждение обеспечивает стационарный режим охлаждение элементов камеры.

Оно может быть:

1)Регенеративным.

2)Автономным.

При регенеративном охлаждении тепло возвращается в камеру сгорания. При автономном охлаждении тепло в двигателе не используется .Такое охлаждение применяют при огневых и вспомогательных испытаниях

экспериментальных камер (охладитель – вода)

Условие работоспособности проточного охлаждения

Для обеспечения надёжного охлаждения необходимо выполнение 3-х основных условий.

1) Обеспечение общего теплосъёма

67

Qг ≤ ср m(Tст(х) − Tж ) ,

При этом на выходе из канала охлаждения должно выполнятся условие

Тохл<Ts(р) [Tp],

где Тохл – температура охладителя; Ts(р) – температура закипания или разложения охладителя.

2) Условию обеспечения местной прочности стенки

Тст(г) ≤ [Tcт],

где Тст(г) – местная температура горячей поверхности стенки;

[Tcт] – допустимая температура по условию обеспечения прочности стенки.

3) Условия недопустимости местного закипания или разложения охладителя.

Тст(х) ≤ Тs(р)[Tp],

местная температура холодной поверхности стенки.

Охладитель – компонент топлива (горючее менее агрессивно, окислитель применяется, если не хватает горючего). Применяют “О”и “Г” при недостатке одного компонента. При этом материал рубашки, стенки камеры и припой должны быть стойки к охладителю.

При Р ≤ 1,65 кН – регенеративное охлаждение невозможно, из-за нехватки хладоресурса!

Из газов для охлаждения используется водород!

Достоинства регенеративного охлаждения:

– почти отсутствуют потери Iy;

–обеспечивает стационарный режим охлаждения. Недостатки регенеративного охлаждения:

–наблюдается коррозия, эрозия горячих поверхностей стенки;

–при малых τ работы и рк – большая масса конструкции, чем у одностенной камере.

Внутреннее охлаждение.

На внутренней стенке создается пристеночный слой ∆пр.Г с температурой

68

ТГпр ниже, чем ТГя (см.след.рис.) с помощью смесительной головки, или пояса завесного охлаждения. Пристеночный слой должен быть равномерным

(дополнительный расход одного из компонентов.) Ниже mф, но больше число форсунок nф пристеночных.

В камерах ЖРД и восстановительной ГГ пристеночный слой образуют избытком “Г” (άпр<1) снижает коррозию стенки. В камерах с окислительным ГГ пристеночный слой создаётся с избытком окислителя (άпр>1).

При рк ≤5…6 Мпа пристеночный слой сохраняется до среза сопла (видно по тёмной полосе на периферии факела).

При рк > 6 Мпа из-за интенсивного перемешивания с ядром потока пристеночный слой разрушается к концу камеры сгорания. Поэтому его нужно восстанавливать с помощью завесного охлаждения. Завеса создается с помощью поясов завесы (ряд мелких отверстий). Поясов завесы может быть несколько. Через отверстия подаётся компонент топлива или газ. Жидкость покрывает горячую стенку, толщина её уменьшается. Образующий пар покрывает защищаемую стенку. Для снижения расхода жидкости существуют специальные конструкции поясов завес.

Для предотвращения засорения и закопчения отверстий и упрощения технологии dотв ≥ 0,5 мм.

Пояс завесы а – с тангенциальными отверстиями и коллекторной подачей охладителя;

1 – коллектор; 2 – продольные отверстия; 3 – тангенциальные отверстия в камеру; 4 – канавка для выхода жидкости; б – безколлекторная подача жидкости; 5 – наклонное отверстие

Преимущества завесы:

69

– расход охладителя на завесное охлаждение меньше чем на создание пристенка.

Более экономичное транспирационное (пористое) охлаждение.(применяют для водорода).

Недостаток завесы: уменьшение Iу.

7. Комбинированное охлаждение.

Изменение температуры при передаче тепла от газа через стенки при комбинированной системе охлаждения:

1 – внутренняя стенка; 2 – охлаждающий тракт; 3 – рубашка; ∆прг – пристеночный слой газа. Температуры: Тст –рубашки (средняя); Тохл – охладителя (средняя); Тст х – холодной поверхности стенки; Тст г – горячей поверхности стенки; Тг пр – газа в пристеночном слое; Тг я – газа в ядре

в ЖРД применяют одновременно проточное, внутреннее охлаждения и покрытие.

В РДТТ применяют теплоизоляцию и аблирующие покрытия.

Изменение температуры рубашки охладителя и стенки при передаче тепла от газа через стенку при комбинированной системе охлаждения приведено на рисунке.

____________________________________________________________________

Лекция 7

Конструкция ТНА изучается на лабораторных работах.

5. Конструкция ТНА ЖРД

Назначение-повышение давления топлива перед камерой двигателя.

По применению: основные (подающие в камере двигателя), вспомогательные

70