Жидкостные ракетные двигатели (стр. 12 из 36)

Рис.34

Классификация головок камер ЖРД

Преимущество плоских головок - в простоте конструкции; кроме того, плоские головки позволяют достаточно хорошо обеспечить однородность поля скоростей и концентраций топлива по поперечному сечению камеры сгорания. Недостатком плоских головок является относительно небольшая прочность и малая жесткость. Поэтому в плоских головках крegyогабаритных двигателей необходимо предусматривать подкрепляющие элементы, обеспечивающие требуемую прочность и жесткость головки.

Сферические головки часто выполняются с предкамерами и применяются в основном в камерах спирто-кислородных двигателей средних и больших тяг. Эта головка удачна и с точки зрения борьбы с явлениями, связанными с поперечными акустическими колебаниями, характерными для двигателей с камерой сгорания большого диаметра. Достоинство этой головки состоит в высокой ее прочности и жесткости, а недостаток—в сравнительно сложной конструкции.

Постановка предкамер на головке камеры облегчает экспериментальную отработку распыливающего устройства, так как в этом случае возможна предварительная доводка только одной предкамеры, что значительно проще и дешевле доводки всей распылительной плоской головки.

Шатровые головки, по форме напоминающие шатер, находят применение в двигателях малых и средних тяг, а также в качестве форкамер. Преимуществами шатровой головки являются большая, чем у плоской головки, поверхность для размещения форсунок и хорошие прочностные свойства. Недостатки головки - в сложности изготовления и неравномерности распределения топлива по сечению. При шатровой головке возможно образование «жгута» распыленного топлива.

Вихревые и цилиндрические головки обеспечивают достаточно эффективный распыл компонентов топлива, за счет их лобового соударения. Один из компонентов через подводящий коллектор и отверстия, выполненные в боковой стенке, подается во внутреннюю полость головки (в вихревой головке отверстия тангенциальны по отношению к полости смешения, а в цилиндрической - перпендикулярны), а другой - направляется в нее через, как правило, струйные форсунки, установленные в верхней (вихревая) или периферийной (цилиндрическая) зоне головки. На внутреннюю полость вихревой головки камеры нанесено выгорающее покрытие, обеспечивающее охлаждение стенки.

6.7. Конструктивные особенности выполнения систем охлаждения

камер сгорания

Камеры сгорания в основном выполняются двухстенными. В отдельных случаях находят применение одностенные и трёхстенные конструкции. Возможны и комбинированные конструкции, когда отдельные части камеры при принятой в целом двухстенной конструкции могут иметь одну или три стенки. Все эти различия в основном определяются принятой схемой охлаждения или тепловой защиты стенок.

Простейшими являются одностенные камеры; они могут быть неохла-ждаемыми и охлаждаемыми. При малой продолжительности работы двигателя

и невысоком тепловом режиме иногда применяются одноетенные камеры с ёмкостнымохлаждением.

Значительно большую длительность работы обеспечивает нанесение на стенку теплоизолирующих покрытий и тугоплавких материалов или материа-лов с малой теплопроводимостью. Тогда стенка сохраняет относительно низкую температуру и её несущая способность практически не понижается к кон-цу работы двигателя. Применение теплоизолирующих покрытий, керамиче-ских, наносимыхнепосредственно на стенку, в некоторых случаях, например, при кратковременной работе двигателя с невысокой температурой в камере сгорания, может дать экономию в весе по сравнению с системой наружного охлаждения, до 20-30%.

Находят применение также конструкции камер сгорания с теплоизоли-рующимпокрытием, образующимся в процессе работы двигателя, рис.35. Если одностеночная камера выполняется из стекловолокна, пропитанного феноль-ными или эпоксидными смолами, то теплоизолирующее покрытие наносить не обязательно. При нагреве связующие вещества стеклопластика, выгорая, обуг-ливаются, образуя на обращенной к камере сгорания поверхности стенки по-крытие, плохо проводящее тепло и обеспечивающее сохранность механических свойств материала в невыгоревших слоях.

В некоторых конструкции камера образована из стекловолокна с ненаправленным расположением волокон. Толстостенный корпус камеры сгорания жестко соединён с металлическим фланцем, с помощью которого корпус камеры винтами крепится к головке. Уплотнение достигается с помощью пазового стыка. Лучшими механическими свойствами под действием газовой нагрузки обладает корпус камеры сгорания, выполненный из стеклопластиковой узкой ленты с направленным расположением волокон, которая в процессе намотки укладывается ребром к оси камеры.

Стенки камеры могут защищаться от нагрева, как в конструкции камеры с вихревой головкой и выгорающей вставкой, изготовленной из силиконо-вой ткани, пропитанной фенольными смолами. Вставка с зазором входит внутрь алюминиевого корпуса камеры сгорания со стороны расширяющейся части сопла. Кольцевой зазор между вставкой и корпусом заливается изоляци-онным материалом. К сопловому фланцу корпуса ка болтах крепится неохлаж-даемая сопловая приставка с рёбрами жесткости на наружной поверхности.

Охлаждаемые одноетенные камеры могут быть с внутренними каналами и без каналов. В первом случае камера сгорания и сопло выполняются толстостенными с внутренними сверлеными и относительно редко расположенными каналами. Для облегчения камера может изготавливаться из алюминиевого сплава. Недостатком такой конструкции является трудность выполнения каналов внутри стенки на сужающейся и расширяющейся части сопла. При этом требуется либо большая толщина стенки для возможности сверления наклонного относительно оси камеры длинного канала, либо изготовление сопла из отдельных коротких отсеков.

Наиболее просто осуществляется охлаждение одностенной камеры сгорания при размещении её непосредственно в баке одного компонента топ-

Рис.35

Камера с вихревой головкой, выгорающей вставкой и неохлаждаемым насадком сопла.

1-грибовидный распылитель окислителя; 2 - форсунки горючего; 3-коллектор горючего; 4 - выгорающая вставка; 5 - стенка камеры; 6 - сопловая приставка.

лива, рис.36. Такая конструкция применима, если двигатель имеет сравнительно малую тягу, а диаметральные размеры летательного аппарата позволяют разместить бак вокруг камеры ЖРД. Стенка камеры сгорания может быть прак-тическиразгружена от действия сил давления газов, когда применяется, балон-ная подача топлива.

Двухстенные конструкции применяются в тех случаях, когда камеры имеют регенеративное охлаждение. Они отличаются типами связей между стенками и формами каналов для наружного охлаждения. Двухстенные камеры могут быть совсем без силовых связей между стенками на участке между головкой и соплом, с редко расположенными и часто расположенными связями.

Двухстенные камеры без промежуточных связей могут выполнятся при малых диаметрах камеры сгорания, а также при низких давлениях в камере и температуре внутренней стенки порядка 250-400°С. При таких температурных условиях внутренняя стенка толщиной 2-5 мм обладает достаточной жесткостью и способна без потери устойчивости выдержать нагрузку от сил давления охлаждающей жидкости и газов. Наружная стенка, имеющая ещё более благоприятные температурные условия, также способна воспринять нагрузку от сил давления охлаждающей жидкости.

Рис. 36

ЖРД с камерой сгорания, размещенной внутри топливного бака:

1 - стенка сопла; 2 - бак горючего; 3 - кожух; 4 - внутренняя стенка камеры сгорания; 5 - наружный корпус бака

Внутренняя и наружная стенки в таких конструкциях связываются между собой через головку и вблизи обреза сопла, а иногда дополнительно у конца камеры сгорания

Применение конструкции без связи между стенками возможно для камер сгорания двигателей с небольшой тягой или рулевых и вспомогательных двигателей при давлении в камере 15-20 кГ/см². Развитие ЖРД, сопровождающееся увеличением диаметра камер, температуры горения и давления, вынудило перейти к конструкции сначала с редко расположенными, а затем и с часто расположенными связями.

Редко расположенные связи выполняются в виде жестких колец, связывающих стенки, что способствует уменьшению деформации. Кроме того, вблизи колец внутренняя и наружная стенки работают совместно, что повышает общую несущую способность камеры. На участках между связями для разгрузки от температурных напряжений, которые возникают от разности продольных температурных деформаций стенок, размещаются кольцевые компенсаторы, которые служат одновременно дополнительными ребрами жесткости.

Такого типа конструкции применимы при толщине стенок порядка 5 мм и более, сравнительно низкой температуре стенок и давлениях в камере порядка 25-30кГ/см². В весовом отношении конструкции с редко расположенными связями невыгодны. Наиболее легкими и надежными являются конструкции с часто расположенными связями, находящимися столь близко друг от друга, что действие избыточного давления охлаждающей жидкости не вызывает