Жидкостные ракетные двигатели (стр. 13 из 36)

сколько-нибудь заметных местных прогибов стенки и работоспособность камеры определяется только несущей способностью под действием сил давления газов и осевой силы. Стенки связываются между собой сваркой или пайкой .

При сварном соединении на наружной стенке выполняются точечные или сплошные выштамповки. Точечные выштамповки могут быть круглыми или овальными с большой осью, направленной вдоль образующей камеры. Точечная сварка производится в местах выщтамповок. Однако выштамповки при большой толщине стенок загромождают тракт охлаждающей жидкости и не позволяют расположить связи достаточно часто.

Сплошные выштамповки под роликовую сварку могут располагаться в зависимости от принятого способа циркуляции охлаждающей жидкости -вдоль образующей камеры сгорания и сопла или по винтовой линии, как в конструкции камеры ЖРД с соединением стенок сваркой по винтовым вы-штамповкам. При многозаходной винтовой связи увеличивается длина контактной поверхности стенок, по сравнению с продольными связями, что способствует увеличению жесткости камеры и прочности связей.

Повышение давления газов приводит к необходимости значительно уменьшить расстояние между связями, что возможно в паяных конструкциях. Для пайки используются твердые припои. Припои наносятся предварительно на спаиваемые поверхности. Пайка производится в печи. Твердые припои имеют температуру плавления до 1500°С. При рабочей температуре в месте соединения 500°С допустимые напряжения в паяном шве составляют до 8 кГ/мм²,а при температуре 700°С - около 1 кГ/мм².

Паяные конструкции выполняются с ребрами и трубчатого типа.

Простейшей является конструкция с припайкой ребер, выполненных задело с одной из стенок, по преимуществу с внутренней, к другой стенке. Ребра на внутренней стенке получают механической обработкой. Они могут иметь переменный шаг по сечениям камеры и сопла и располагаются вдоль образующей или по винтовой линии. Для простоты ребра выполняются прямоугольного профиля; толщина их должна быть наименьшей допустимой технологическими возможностями. Для уменьшения загромождения тракта охлаждающей жидкости и снижения веса ребра могут образовываться тонкостенными штампованными профилями, которые затем либо припаиваются к обеим стенкам, либо припаиваются к одной стенке, а к другой не припаиваются. Трудности создания подобных паяных конструкций, где шов находится внутри охлаждающей полости, состоят в необходимости обеспечить гладкую поверхность шва и предотвратить затекание припоя в каналы рубашки. От этого технологического недостатка свободны паяные трубчатые конструкции, у которых шов находится снаружи каналов для охлаждения.

Трубчатые камеры выполняются из отдельных тонкостенных трубок, уложенных вдоль образующей камеры сгорания и сопла, а иногда по винтовой линии. Трубки имеют прямоугольное, овальное и U-образное сечение. На нецилиндрической части камеры сгорания и сопла площадь поперечного сечения трубок переменна. При относительно малых степенях расширения сопла и камера сгорания система охлаждения может быть образована из одного и того же количества трубок. Количество трубок выбирается таким, чтобы каждая

трубка занимала дугу с центральным углом 0,75-1,25 градусов. При больших степенях расширения сопла при таком угловом шаге на срезе сопла трубки должны быть сильно сплющены, что технологически затруднительно. Поэтому в таких случаях применяются комбинированные конструкции, когда часть тру-роходит вдоль всей образующей камеры сгорания и сопла, а между ними на расширяющейся части сопла ставится по одной или по две укороченных трубки. Трубки спаиваются по боковым прилегающим поверхностям. На пая-ные швы при этом приходится весьма значительная нагрузка от газовых сил, стремящихся разорвать камеру вдоль образующей. Для обеспечения надлежащей прочности необходимо применять усиливающие элементы. Такими элементами могут быть наружные кожухи, бандажи или сплошная обмотка.

При толстостенном металлическом кожухе вес камеры значительно увеличивается. Поэтому чаще применяют отдельные усиливающие бандажи, расположенные почти вплотную друг к другу на камере сгорания и горловине сопла и с большими промежутками на расширяющейся части сопла. В отдель-ныхконструкциях применяется обмотка снаружи трубчатой камеры проволокой квадратного сечения, которая может пропитываться связующей эпоксид-ной смолой. Вместо проволоки применяется и обмотка стеклопластиком с направленным расположением волокна.

Специфичными условиями охлаждения может быть вызвано и приме-нение трехстенной трубчатой камеры, рис.37. В ней по внутреннему ряду тру^_ бок охлаждающая жидкость течет от головки к срезу сопла, а по наружному ряду - в обратном направлении. Иногда, например, в конструкции цилиндрической камеры ЖРД, применяется система охлаждения, при которой по одной из двух соседних трубок охлаждающая жидкость течет от головки к соплу, а по другой - в обратном направлении.

Рис 37 Трехстенная камера:

l-трубка наружного ряда; 2—трубки внутреннего ряда: 3— подвод горючего; 4—главный клапан горючего; 5—головка двигателя

При трубчатой конструкции сравнительно просто может быть осуществлен ввод в камеру отработанного газа из турбины ТНА для создания допол-нительной тяги. Окна для ввода газа имеют треугольную форму и образованы в томсечении сопла, где между основными длинными трубками вставлены укороченные трубки.

На рис. 38 показана трубчатая камера двигателя RZ-2, работающего на топливе жидкий кислород - керосин. Тяга двигателя на земле 62 Т («620 кн), удельная тяга 245 кГ-сек/кг (24-10²н-сек/кг}; отношениеF_K/F_*=1,8т. е. камера сгорания скоростная; степень уширения сопла равна 8; давление в камере сгорания 38 ата (3,73 н/м²).

Охлаждение производится в «два хода». Охладитель по трубке проходит в сопловой коллектор 24 и возвращается обратно по соседней трубке, после чего поступает в форсуночное днище головки 5.

Жидкий кислород поступает в головку через угловой патрубок 2. Из головки кислород и керосин поступают в камеру сгорания, где смесь воспламеняется от пиротехнического запальника 8, который в свою очередь поджигается электрической искрой.

Оболочка камеры выполнена из 312 спаянных никелевых трубок. Для повышения прочности набор трубок стягивается бандажными кольцами 13, которые на участке камеры сгорания образуют сплошную обечайку. Керосин, охлаждающий стенки камеры, подается во входной коллектор 6 и через отверстия 19 поступает в трубки.

Камеры с регенеративным охлаждением могут иметь теплоизолирующие покрытие в тех случаях, когда недостаточна теплоемкость охладителя и нет внутреннего охлаждения, а также если применено топливо с очень высокой температурой горения.

Стенки камер большей частью выполняются составными и соединяются продольными и поперечными швами; реже применяются бесшовные камеры. Стенки цилиндрических камер сгорания свариваются из листового материала.

Толщина внутренней стенки камеры определяется условиями охлажде-ния. В двигателях с высокой тепловой напряженностью толщина внутренней стенки составляет примерно 0,8-2мм. Толщина наружной стенки из условии необходимой несущей способности и в зависимости от действующей нагрузки, температуры, материала и допустимых радиальных деформаций имеет большие размеры.

Внутренние стенки выполняются из жаростойких сталей или сплавов или из материалов с большой теплопроводностью, например, из меди, бронзы или алюминия. Наружные стенки при малых относительных нагрузках могут выполняться из малоуглеродистой или жаростойкой стали, а при больших нагрузках - из высокопрочных материалов.

Толщины стенок трубок порядка 0,2-0,4 мм; материалами трубок служат сталь, никелевые и алюминиевые сплавы.

Рис.38

Трубчатая камера двигателя:

— карданнаяподвеска; 2— подвод жидкого О₂; а—штуцер для замера давления: 4— фланец 5— головка, 6—входной коллектор керосина; 7— уплотнительное кольцо; 8—пирозапальник V— кабель; 10— камера сгорания; Л— место крепления рычага для управления вектором тяги 12— критическое сечение; 13 бандажные кольца; 14 сливной штуцер: 15—спрямляющая решетка;

16—крышкаголовки; 17—подвод пускового горючего; 18-—фланец: 19—вход горючего 20— трубки, 21—силовое кольцо в критическом сечении; 22—фланец для крепления экрана 23— выходноесечение сопла; 24— коллектор горючего: 25—корпус головки: 26— подвод кислорода; 27—подвод пускового горючего; 28— подвод горючего

6.8. Потери в соплах ракетных двигателей

Сопло — необходимый элемент всякого ракетного двигателя, в котором тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в кинетическую энергию истекающей из сопла струи газов. Величина кинетической энергии в конечном итоге определяет главную характеристику двигателя — удельный импульс. Всякий реальный процесс преобразования энергии сопровождается некоторыми потерями. В данном случае потери снижают кинетическую энергию струи и, следовательно, удельный импульс.

Одна из задач организации рабочего процесса в соплах ракетных двигателей—снижение всякого рода потерь, максимальное приближение реального процесса истечения из сопла к идеальному. С другой стороны, сопло ракетного двигателя, особенно при современных больших степенях расширения газов в нем, представляет собой довольно громоздкую конструкцию и в общих габаритах и в массе двигателя занимает весьма заметную роль. Другая задача