Конструктивные особенности камеры сгорания и сопла.

Конструкция корпуса камеры.

 

Конструкцию камеры двигателя (рис. 6.1) технологически можно разделить на две части: корпус 1 и смесительную (форсуночную) голов­ку 2.

Корпус состоит из цилиндрической части 3 и сопла 4.

Исходными данными для конструирования камеры являются преж­де всего геометрические размеры и газодинамический профиль (рис. 6.2), которые определяются при газодинамическом расчёте. Затем производит­ся расчет смесеобразования и форсунок, расчет тепловых потоков и решаются задачи теплозащиты стенки, выбираются основные материалы.

Большинство камер ЖРД имеет наружное охлаждение, при кото­ром осуществляется проток охладителя по охлаждающему тракту, об­разованному между внутренней и наружной оболочками или стенками камеры сгорания и сопла. С ростом давления в камере и повышением энергетических характеристик двигателя для обеспечения надежной теп­лозащиты стенок камеры требуется интенсификация наружного про­точного охлаждения. Это достигается увеличением скорости течения. охладителя, развитием теплоотдающей поверхности стенки с помощью её оребрения, турбулизацией потока, например путём создания искусственной шероховатости тракта. Кроме того, при интенсивном наружном охлаждении требуется, чтобы внутренняя стенка была достаточно тонкой и изготовлена из теплопроводных ,материалов, например, из медных сплавов.

Однако с повышением давлений в камере и охлаждающем тракте, которые доходят до десятков мегапаскалей, очень сложно обеспечить высокую прочность конструкции при тонкой стенке из теплопроводных, как правило, малопрочных материалов.

Поэтому наиболее сложным этапом создания камеры является проек­тирование и разработка конструкции охлаждающего тракта, который име­ет много разных форм и силовых связей. Заметим, что от конструкции охлаждающего тракта зависит облик всей конструкции камеры, ee прочность, надежность охлаждения и массовые характеристики. Таким образом, самым главным элементом конструкции камеры сгорания является конструкция охлаждающего тракта. Наиболее простым является охлаждающий тракт, выполненный в виде гладкого щелевого канала, образованного зазором между внутренней и наружной оболочками (рис. 6.3, а и 6). Однако при малом количестве охладителя для обеспечения требуемой скорости те­чения необходимо иметь очень малый зазор щели – меньше 0,4…0,5 мм, что технически выполнить очень трудно. Кроме того, при большом давле­нии в охлаждающем тракте, тонкая внутренняя оболочка легко теряет ус­тойчивость - деформируется из-за недостаточной ее жесткости.

От этих недостатков избавлены охлаждающие тракты с так называ­емыми связанными оболочками, т.е. прочно скрепленными. Впервые их разработал известный советский конструктор А.М. Исаев в 1946 г. (двига­тели У-400 и У-1250). Конструктивных схем охлаждающих трактов со свя­занными оболочками имеется в настоящее время много.

На рис. 6.3, в показан тракт, образованный соединением оболочек электросваркой по специальным выштамповкам - круглым или овальным, выполненным на наружной оболочке.

 

На рис. 6.4 оболочки соединены пайкой либо через ребра, выфрезеро­ванные на внутренней оболочке (рис. 6.4, а), либо пайкой через специаль­ные гофрированные проставки (рис. 6,4, 6).

 

В американских двигателях распространены трубчатые конструкции камер. В них корпус камеры сгора­ния и сопла набирается из специальных тонкостенных (до 0,3…0,4 мм) профилированных трубок, изготовленных из теплопроводных материалов, часто на никелевой основе. Трубки соединяются между собой пайкой (рис. 6.5). Для обеспечения прочности трубчатых камер снаружи устанавливаются специальные силовые бандажи, как на отдельных участках, так и в виде сплошной силовой. В некоторых случаях трубки могут размещаться в два слоя. Разновидностью трубчатой конструкции может служить использование U-образных профилей, припаянных к силовой наружной оболочке.

В качестве охладителя в современных двигателях используются окис­литель или горючее, либо оба компонента. Кроме того, для удобства ком­поновки, уменьшения длины подводящих охладитель трубопроводов, а также снижения гидравлического сопротивления охлаждающего тракта охладитель иногда разделяют на несколько расходов, каждый из которых охлаждает какую-либо часть камеры сгорания или сопла. Особенно это характерно при использовании в качестве охладителя водорода. Причем часто для охлаждения камеры вполне достаточно только одной его части расхода. На рис. 6.6 показаны некоторые схемы подвода охладителя в охлаждающий тракт камеры.

Схема а - наиболее простая - весь расход охладителя проходит от среза сопла к головке камеры сгорания. В схеме б концевая часть сома охлаждается частью расхода, так как здесь более низкие тепловые потоки. Эта схема позволяет несколько снизить гидравлические потери в охлаж­дающем тракте, массу и габаритные размеры камеры уменьшением дли­ны подводящих трубопроводов и применением менее габаритного коллектора. Схемы в и г - конструктивно более сложные, но позволяют так­же уменьшить длину подводящих трубопроводов, снизить гидравлическое сопротивление охлаждающего тракта, подавать в области с наибольшими тепловыми потоками (дозвуковая и критическая части сопла) охлади­тель с более низкой температурой.

Схема д - Противоположна схеме а. Здесь охладитель поступает в охлаждающий тракт со стороны смесительной головки. Достоинство схе­мы - уменьшение длины подводящих трубопроводов. Эта схема особен­но хорошо компонуется при трубчатой конструкции камеры. В этом слу­чае охладитель по одной части трубок направляется к срезу сома, а по другой - возвращается к смесительной головке. .

Важным конструктивным элементом камеры является обеспечение равномерного втекания охладителя в охлаждающий тракт по его пери­метру. Для этого устраивают специальные входные коллекторы (рис. 6.7) .

Одно наружное проточное охлаждение камеры не всегда может обес­печить необходимый для надежной работы температурный режим стен­ки на всем ее протяжении. Поэтому, как правило, наряду с наружным охлаждением применяют и внутреннее охлаждение. Оно осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа (заградительное охлаждение) или жидкой пленки (завесное охлаждение) на отдельных участках внутренней поверхности стенки.

Заградительное охлаждение стенки осуществляется соответствующим расположением и подбором расходных характеристик форсунок на перифе­рии головки. В этом случае в пристеночном слое создается избыток ка­кого-либо компонента (обычно горючего), что приводит к понижению температуры продуктов сгорания возле стенки. Завесное охлаждение реализуется подачей жидкого компонента (обычно горючего) непосред­ственно на внутреннюю поверхность стенки через отверстия и щели в спе­циальной конструкции - поясе завесы охлаждения. Жидкая пленка и продукты ее разложения, двигаясь по стенке, хорошо ее защищает от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания.

Наиболее распространенной конструкцией охлаждающих трактов являются каналы, образованные ребрами (см. рис. 6.4, а) или гофрирован­ными проставками (см. рис. 6.4, б). При таких конструкциях трактов оболочки имеют большое число связей, которые обеспечивают повышен­ную жесткость и прочность камеры. Минимальный шаг между связями t_min определяется технологией производства, а максимальный t_max - проч­ностью. Уменьшение высоты охлаждающего тракта δ_охл часто использу­ется для повышения скорости течения охладителя. Однако из техноло­гических соображений сделать высоту тракта δ_охл меньше 1,5 ... 1,8 мм не рекомендуется, так как при пайке может произойти перекрытие сечения канала припоем. Поэтому для повышения скорости течения охладителя, чтобы не уменьшать высоты канала, применяют спиральные винтовые связи (рис. 6.8). Если θ - угол наклона ребер с осью камеры, то скорость течения охладителя W_охл≈ 1/cosθ. Подбирая угол наклона ребер, можно в определенных пределах влиять на скорость течения.

Учитывая, что в соответствии с газодинамическим профилем диаметр сечения сопла непрерывно изменяется, а число связей на определенном участке должно оставаться постоянным, то в соответствии с изменением диаметра сечения сопла будет изменяться на участке и шаг между связя­ми (рис. 6.9).

 

 

На рис. 6.10 даны рекомендации по выбору некоторых размеров тракта:

а) при тракте с ребрами t_min = 2,5 мм, t_max = 4 ... 6 мм - при пайке твердыми припоями. при диф­фузионной пайке tmin = 2 мм, при­чем допустимую высоту охлаждаю­щего тракта здесь можно снизить до 8_0хכ = 1,2 .. .1,5 мм. Минимальная толщина ребер 8_р = 1 мм;

б) при тракте с гофрами t_min =3,5, t_max = 5 ... 7 мм. Минимальная толщина гофра 8_г =0,3 мм.

 

 

Таким образом, число связей вдоль камеры постоянно будет Изменять­ся, причем при ребрах - ступенями (рис. 6.11, а), а при гофрах _ отдель­ными секциями (рис. 6. 11, б). Технология Изготовления ребер фрезеро­ванием требует удвоения числа ребер в каждой следующей секции: преды­дущие ребра не прерываются, а между ними фрезеруются новые. Число связей - гофр - в соседних секциях произвольное, лишь в начале каждой секции должно быть t ≥ t_min, а в конце - t≤ t_max.

 

Естественно, выбор максимальных значений шага между ребрами или гофрами на каждой секции или участке должен быть обоснован прочностными расчетами.

Для одновременного удовлетворения требований надежного охлажде­ния и Прочности внутреннюю стенку камеры сгорания часто приходится изготавливать из разных материалов. Например, на наиболее теплонапряженных участках дозвуковой и критической частей сопла для стенки применяют медные сплавы, а на остальных сталь.

Наконец, сравнивая два вида связей оболочек - с ребрами и гофра­ми, можно отметить следующее.

1. Ребра имеют только один спай - с наружной оболочкой, в то вре­мя как у гофров - два спая, с наружной и внутренней стенками. Учиты­вая, что последний спай "горячий", то, естественно, его прочность меньше "холодного". Следовательно, при использовании гофров прочность связи оболочек при прочих равных условиях будет меньше, чем при применении ребер.

2. Производство ребер путем их фрезерования на внутренней оболоч­ке много проще и надежнее, чем изготовление гофрированных секций.

З. Качество соединения стенки, спаянной с ребрами, легче проконтро­лировать (например, легче расшифровать снимки, полученные на рент­геновской установке). Это объясняется тем, что при гофрах эта работа сильно усложняется из-за накладки одного и другого рядов спаев, а также из-за деформации и перемещения гофров при сборке, вакуумировании, пайке и т.п.

4. При уменьшении шага между ребрами и гофрами гофры в большей степени загромождают проходное сечение охлаждающего тракта, чем реб­ра. Это хорошо видно из рис. 6.12. Заметим, что под коэффициентом загромождения понимается отношение площадей сечения "свободного" охлаждающего тракта, т.е. без загромождающих элементов, к реальному, т.е. загроможденному сечению данного тракта той же высоты.

Большое загромождение проходного сечения охлаждающего тракта требует для обеспечения заданной скорости течения охладителя соответ­ствующего увеличения высоты охлаждающего тракта, что, естественно, увеличит массу камеры. Кроме того, охлаждающий тракт с большим за­громождением будет иметь и повышенное гидравлическое сопротивление.

Все это приводит к тому, что большинство камер двигателей в настоя­щее время имеет в качестве связей фрезерованные ребра, в том числе у даже на сверхзвуковых участках сопла, изготавливаемых из стали.