Особенности эксплуатации камер ЖРД

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

На тему: «Камеры и газогенераторы ЖРД »

 

 

Одобрено Ред. Советом

 

протокол №___________

от «___»_________2010 г.

 

 

Байконур

2010 г.

Аннотация

 

Учебно-методическое пособие предназначено для помощи молодым специалистам АО «СП «Байтерек» в углублении знаний при освоении своих функциональных обязанностей.

В работе рассматривается принцип конструктивного построения камер и газогенераторов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД): общие сведения о камерах, устройство камер, особенности эксплуатации камер ЖРД,

Назначение и характеристики газогенераторов.

Учебно-методическое пособиепозволяет получить представление о конструкции камер ракетных двигателей ЖРД.

 

Содержание

Аннотация 2

Содержание 3

Принятые сокращения 4

1. Камеры и газогенераторы ЖРД 5

1.1 Общие сведения о камерах 5

1.2 Устройство камер 7

1.3 особенности эксплуатации камер ЖРД 17

1.4 Назначение и характеристика газогенераторов 18

Контрольные вопросы 19

Литература 20

 

 

Принятые сокращения

 

ЖРД – жидкостной ракетный двигатель

КТ – компонент топлива

КРТ – компонент ракетного топлива

РДТТ – ракетный двигатель твердого топлива

ТНА – турбонасосный агрегат

 

 

1 Камеры и газогенераторы ЖРД

1.1 Общие сведения о камерах

Камера является одним из основных элементов ЖРД, который в значительной мере определяет массу, энергетические характеристики и надежность работы двигателя. В камере происходит преобразование химической энергии компонентов топлива в тепловую энергию продуктов сгорания топлива, а затем в кинетическую энергию истекающих из камеры газов. Истекающие газы, взаимодействуя со стенкой камеры, создают реактивную силу, которая и оп­ределяет тягу двигателя.

Для того, чтобы обеспечить этот процесс, камера должна иметь соответст­вующие блоки, которые называются функциональными. В каждой камере есть три функциональных блока: смесительная головка, камера сгорания и сверхзвуковое сопло. Функциональные блоки показаны на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 – Камера

1 – смесительная головка; 2 – камера сгорания; 3 – сопло

Смесительная головка 1 обеспечивает подготовку топливной смеси (рас-

пыл, дробление, смешение и испарение окислителя и горючего) при подаче

ее в камеру сгорания 2.

В камере сгорания смесь сгорает, образуются про­дукты сгорания. Продукты сгорания представляют собой газ, имеющий вы­сокую температуру (до 4000 К) и давление (до 25 МПа). Из камеры сгорания высокотемпературные газы поступают в сопло камеры 3.

Сопло имеет специ­альную форму. Его называют соплом Лаваля по имени французского учено­го, который впервые его предложил и рассчитал. Форма сопла обеспечивает с минимальными потерями разгон газовой струи от дозвуковой скорости на входе в сопло до сверхзвуковой на выходе. Для этого площадь поперечного сечения сопла в начале уменьшается, а затем увеличивается.

Самое минимальное по площади попереч­ное сечение сопла называется критическим. До критичес­кого сечения скорость газа дозвуковая, в критическом све­чении скорость равна местной скорости звука, а после критического сечения - сверхзвуковая. Одновременно с рос­том скорости газового потока происходит снижению его температуры и давления,

При работе камеры материал ее конструкции нагревается теп­ловыми потоками от газа, а также испытывает значительные механические нагрузки от сил давления. Для того, чтобы обеспечить в этих условиях надежную работу камеры, предусматривают соот­ветствующую конструкцию узлов, технологию их изготовления, под­бирают жаропрочные и жаростойкие материалы. Для снижения температуры нагреваемых элементов конструкции их охлаждают.

На заводе камера изготавливается в виде отдельных техноло­гических блоков, которые при сборке соединяются между собой че­рез соединительные кольца при помощи сварки и образуют единую конструкцию. Количество технологических блоков может быть больше, чем функционалъных.

 

Устройство камер

Конструкции камер весьма разнообразны и различаются конст-руктивными формами отдельных блоков и их устройством, применя­емыми материалами и технологией изготовления. В результате накопленного опыта создания высокоэффектив­ных современных двигателей сложились оптимальные формы камер (рисунок 2), состоящих из плоской смесительной головки 1, цилиндрической камеры сгорания 2 и профилированного сопла Лаваля.

Рисунок 2 - Конструкция камеры ЖРД

1 - плоская смесительная головка; 2 - цилиндрическая камера сгорания; 3 - сопло Лаваля; 4 - заглушка в критическом сечении камеры (эксплуатационный элемент)

Смесительная головка должна обеспечить требуемое массовое соотношение окислителя и горючего, подавае­мых в камеру, надежную герметизацию полостей разнородных ком­понентов, прочность и жесткость конструкции при ее минимальной массе. Конструкция смесительной головки может иметь различные ва­рианты, которые зависят от типа компонентов, их агрегатного состояния (жидкие или газообразные) и способа изготовления элементов головки

 

Окислитель из насоса

 

горючее из каналов охлаждения корпуса

Рисунок 3 – Смесительная головка ЖРД без дожигания

1 – наружное днище; 2 - среднее днище; 3-внутреннее днище; 4,5 - форсунки окислителя и горючего;6 – патрубок подвода окислителя;7 – цилиндрическая проставка;8 – силовое кольцо

На рисунке 3 показана типовая конструктивная схема смеситель­ной головки двигателя без дожигания с однокомпонентными жидко­стными форсунками. Головка состоит из трех днищ: наружного 1,среднего 2 и внутреннего 3, соединенных с помощью сварки. Дни­ща 1 и 2 образуют полость окислителя, а днища 2 и 3 - полость горючего. В полости окислителя и горючего установлены форсун­ки 4 и 5. Горючее поступает в смесительную головку из каналов охлаждения корпуса камеры, а окислитель - через патрубок 6. Из полостей смесительной головки компоненты через форсунки 4 и 5 подаются в камеру сгорания, где смешиваются и сгорают. В настоящее время существуют два основных типа форсунок: струйные и центробежные. Струйные форсунки представляют собой стаканчики с выполненными в днище одним или несколькими отвер­стиями (рисунки 4 - 6). Жидкий или газообразный компонент движется в канале такой форсунки поступательно,

Рисунок 4 - Струйная односопловая однокомпонентная форсунка

1- корпус; 2- пайка; 3 - днище; d_вх - диаметр входа; d_с - диаметр сопла;

l_c - длина сопла

параллельно про­дольной оси форсунки или под некоторым углом к ней(рисунок 4). Выходя из форсунки (выходное сечение форсунки называется соп­лом), компонент распадается на мелкие капли, образуя конус с углом 5 - 20° у вершины.

В центробежную форсунку (рисунок 7) компонент по­ступает через тан-

генциаль­ные отверстия 1. В канале форсунки 2 компонент уча­ствует во вращательном и поступательном движении и на входе из сопла образует жидкостный или газовый зон­тик с углом у вершины до 80°.

В камере могут применя­ться форсунки различных ти­пов и характеристик. Их подбирают, рассчитывают и размещают таким образом,

Рисунок 5 - Струйная многосопловая однокомпонентная форсунка

чтобы обеспечить требуемыйрасход и соотношение компонентов по сечению камеры. Существу­ет несколько способов размещения форсунок в днищах смесительной головки (рисунок 8 - 9): шахматный, по концент­рическим окружностям и др. На камерах с плоскими днищами и одноком-

 

вход жидкого компонента

Рисунок 6 – Струйная односопловая двухкомпонентная форсунка

d_вх – угол входа входных отверстий жидкого компонента

Рисунок 7 – Центробежная однокомпонентная форсунка

1 – тангенциальное входное отверстие; 2 – камера закрутки; 3 – резьбовое соединение; 4 – пайка; d_з- диаметр камеры закрутки

Рисунок 8 - Сотовая схема размещения форсунок:

1 - форсунка горючего; 2 - форсунка окислителя; 3 - форсунка горючего пристеночного слоя

 

понентными форсунками преимущественное примене­ние получили шахматная и сотовая схемы. Предпочтение отдается сотовой схеме, у которой на расход одной форсунки горючего приходится расход двух форсунок окислителя. Это позволяет лег­че обеспечить соотношения компонентов примерно равные двум и более и повысить равномерность распределения топлива по сече­нию камеры. Двухкомпонентные форсунки могут располагаться в любом порядка, который обеспечивает качественный распыл

 

Рисунок 9 - Расположение форсунок по концентрическим окружностям

1 - двухкомпонентная основная форсунка; 2 - форсунка горючего пристеночного слоя

 

Рисунок 10 - Смесительная головка ЖРД с дожиганием

1 – газовод; 2 – спрямляющая решетка; 3 – форсунки; 4 – среднее днище;

5 – внутреннее (огневое)днище

и рас­пределение топлива по сечению камеры. Обычно такие форсунки располагаются по концентрическим окружностям.

Для того, чтобы защитить стенки камеры от высокотемперату­рного газа, по внешнему контуру смесительной головки размеща­ются один-два ряда форсунок, которые обеспечивают тонкую газо­вую пленку (слой) с избытком горючего. Эта пленка покрывает внутреннюю поверхность камеры и ослабляет тепловой поток от газа в стенку.

Аналогичным образом защищается от тепловых потоков внут­реннее днище. Для этого применяются центробежные форсунки го­рючего с большим углом распыла.

Форсунки крепятся в отверстиях днища с помощью пайки, ко­торая обеспечивает герметичность места крепления, и разваль­цовки или резьбы, которые обеспечивают прочность крепления.

Отличительной конструктивной особенностью смесительной го­ловки камеры двигателя с дожиганием (рисунок 10) является наличие газовода 1, подводящего газообразный компонент в головку. Так как газовод имеет, как правило, криволинейную форму, то параметры газа (давление и скорость) различны по сечению потока и перед форсунками применяют спрямляющую решетку 2. Спря­мляющая решетка представляет собой пластину (плоскую, вогнутую или выпуклую) с отверстиями. Газ на решетке тормозится, а затем, проходя через отверстия, поступает к форсункам 3 смеси­тельной головки с одинаковым по сечению головки давлением.

Прочность и жесткость смесительной головки достигается вы­бором соответствующего материала конструкции, геометрических размеров узлов и постановкой ряда подкрепляющих элементов - силового кольца 8 и цилиндрической проставки 7 (рисунок 3), форсунки, установленные в днищах головки, соединяют внутреннее и среднее днище в единый узел и также увеливают жесткость смесительной головки. Все элементы головки, за исключением фор­сунок, соединяются с помощью сварки.

Корпус камеры состоит из камеры сгорания и сопла Лаваля. Камеру сгорания (цилиндрическую часть камеры) и сужающуюся часть сопла с критическим сечением выполняют еди­ным технологическим блоком. Сверхзвуковая часть сопла может иметь несколько блоков. Корпус камеры выполняют двустенным для того, чтобы организовать между стенками течение охлаждающего компонента.

Существуют двигатели, у которых камеры имеют простые по конструкции одностенные корпуса. Для этих камер характерны ма­лая продолжительность работы и невысокий тепловой режим. Однако подобные конструкции характерны для вспомогательных двига­телей малой и микротяги, которые в основном применяются на космических аппаратах. Что касается двигателей ракет-носителей, то их камеры яв­ляются в значительной мере нагретыми и для их надежной рабо­ты требуется система охлаждения.

Система охлаждения включает в себя регенеративное проточ­ное охлаждение в сочетании с завесным. Кроме того, на внутрен­нюю поверхность стенки камеры наносится теплозащитнее покрытие из тугоплавкого сплава или тугоплавких окислов металла.

Работа регенеративного охлаждения основана на том, что жидкость, протекая по каналам между стенками камеры, омывает горячую (внутреннюю) стенку, забирает от нее часть тепла, ох­лаждает стенки, при этом сама нагревается. Отобранное охлаж­дающей жидкостью тепло вместе с ней поступает в камеру сгорания и участвует в процессе преобразования энергии. Происходит регенерация, т.е. возвращение продуктам сгорания в камере отобранной части тепла с одновременным охлаждением горячей стенки камеры.

Для того, чтобы организовать каналы для протока охлаждающего компонента, на внутренней оболочке (стенке) камеры выфрезерованы (рисунок 11) ребра 1. По ребрам с помощью пайки внутренняя оболочка 2 соединяется с наружной оболочкой (рубашкой) каме­ры 3, а в корпусе образуются каналы охлаждения. Они, как пра­вило, направлены вдоль образующей камеры. Если нужно снять со стенки больше тепла, т.е. удлинить путь охлаждающему потоку, ребра делаются наклонными (винтовыми). Охлаждающий компонент подводятся от насоса к каналам си­стемы охлаждения по трубопроводу через коллектор 4. Коллектор стараются расположить поближе к самому горячему участку камеры, которым является самое узкое место - критическое сечение. Такое размещение коллектора обеспечивает подачу более холодного компонента для охлаждения критического сечения камеры. От коллектора поток охладителя разделяется (рисунок 12); часть идет в сторону критического сечения, часть - к срезу сопла. На сре­зе сопла происходит разворот охладителя в обратном направлении. Для разворота потока на срезе сопла выполнен специальный кол­лектор. Прямой и обратный потоки сливаются в единый поток, который направляется в смесительную головку, а затем в камеру. Если проточного охлаждения оказывается недостаточно для обеспечения требуемой температуры стенок камеры, то дополни­тельно используют пленочное завесное охлаждение.

 

Рисунок 11 – Конструкция каналов охлаждения камеры

1 – ребра; 2 – внутренняя (огневая) оболочка камеры; 4 – коллектор

подвода охладителя; - угол наклона (навивки) каналов охлаждения

 

Для его организации на камере выполняют пояса завесы. Один из типовых вариантов пояса завесы показан на рисунке 13.

Рисунок 12 - Типовая схема охлаждения камеры

 

Жидкость из зарубашечного пространства поступает через тангенциальные отверстия 1 в щель 2, из которой, вытекая струй­ками в камеру, она образуем пленку и силами давления газов, а также центробежными силами от за-

Рисунок 13 – Пояс пленочной завесы

1 – тангенциальные отверстия ввода охладителя в камеру; 2 – кольцевая щель

 

крутки потока в отверстиях прижимается к поверхности огневой стенки. Для образования ус­тойчивой пленки на выходе из кольцевой щели выполняется скос, который называется реданом.

Теплоизоляционное покрытие наносится на наиболее нагретые поверхности огневой стенки камеры. Это, как правило, камера сгорания и участок критического сечения.

Для изготовления корпуса камеры и смесительной головки ис­пользуются высокопрочные сплавы, которые должны быть теплостой­кими, коррозионно- и кислотоупорными, должны быть пригодными к механической обработке (фрезеровке, токарной обработке, штамповке, вальцовке и т.д.), сварке и пайке. Этим требовани­ям отвечают хромоникелевые стали (Х18Н9Т, Х18Н12Т) и др.), сплавы на никелевой основе (ЭИ437А, Э1Т787 и др.), сплавы на титановой основе (ВТ1, ВТЗ и др.), а также тугоплавкие металлы: тантал, ванадий, вольфрам и др. Для огневой стенки камеры и днища смесительной головки также используются бронзовые сплавы, которые хорошо пропускают тепло в жидкость, т.е. имеют высокий коэффициент теплопроводности. К корпусу камеры в смесительной головке могут быть при­варены узлы крепления двигателя к раме ракеты, а также узлы крепления других агрегатов и элементов ЖРД (см. рисунок 2).

 

Особенности эксплуатации камер ЖРД

Требования к эксплуатации камер конкретного двигателя из­лагается в соответствующих инструкциях. Их суть сводится к соблюдению режимов транспортировки, хранения и обслуживания, обе­спечивающих сохранность камеры. В инструкциях приводятся дан­ные температурно-влажностного режима, допустимые нагрузки при транспортировании и такелажных рабо

тах с двигателем, а также максимально возможные размеры повреждений, наносимых на поверх­ности оболочек при контакте обслуживающего персо-

 

нала с конст­рукцией камеры. Технический персонал, эксплуатирующий камеру, должен строго следовать требованиям инструкций, так как любое наруше­ние этих требований может привести к отказу камеры и выводу из строя не только дорогостоящего объекта, каким является двига­тель, но и ракеты, на которой он установлен.