Особенности конструкций камер кислородно-водородных ЖРД

Кислородно-водородные ЖРД получили большое развитие, и многие перспективные направления ракетно-космической техники связаны с ис­пользованием кислородно-водородных ЖРД.

Одним из известных, кислородно-водородных ЖРД многоразового использования с большим ресурсом является двигатель SSME, пневмогид­росхема которого с основными данными была рассмотрена в гл. 5.

Камера этого двигателя состоит из цилиндрического участка, вход­ной и сверхзвуковой про филированной частей сопла. Конструктивно блок камеры разделяется на два разъемных узла с фланцевым соединением в сечении сопла с относительной площадью, F = 5. Блок камеры соединя­ется с форсуночной головкой также фланцевым соединением. Диаметр этого соединения равен 560 мм; оно имеет двухпоясное уплотнение с про­межуточным кольцевым каналом. Разработаны и используются методы проверки возможных утечек газа из камеры сгорания с помощью изме­нения цвета лент, нанесенных на поверхности фланцев.

На рис. 6.40 показан.первый узел блока камеры, включающий ци­линдрическую часть камеры сгорания и часть сопла до сечения с относи­тельной площадью F = 5. как видно из рисунка, цилиндрическая часть камеры сгорания очень короткая, входная часть сопла достаточно разви­та, плавно переходит к критическому сечению, закритическая часть вбли­зи критического сечения также закруглена, т.е. контур сопла имеет неп­рерывный криволинейный профиль.

Первый узел камеры состоит из двух связанных пайкой оболочек.

Внутренняя оболочка 5 изготавливается из специального сплава на основе меди, серебра и циркония. Сплав обладает хорошей теплопроводностью, удовлетворительной прочностью при сравнительно высоких температурах, пластичностью и стабильностью. По одной технологии внутренняя оболоч­ка изготавливается из кованой (или литой) заготовки с последующей механической обработкой. На наружной поверхности внутренней стенки прорезаются 390 продольных каналов прямоугольного сечения для прохода охлаждающей жидкости. Ширина и глубина каналов, а также толщи­на стенки перемены по длине. В критическом сечении (Б-Б) толщина ребра- 1 мм, ширина канала - 1 мм, глубина - 2,5 мм, а толщина стенки - 0,71 мм. Максимальная рабочая температура внутренней стенки Т_ст.г = 810 K при удельном тепловом потоке q_Σ ≈164 ∙10⁶ Вт/м².

Большая эффективность прочного охлаждения водородом обес­печивает значительный срок службы при циклических нагружениях каме­ры сгорания в условиях многоразового использования двигателя. В свя­зи с указанной конструкцией внутренней оболочки и высокими требо­ваниями к точности ее размеров, в частности к толщине стенки, необхо­дима уникальная технология фрезерования каналов. Специальное приспо­собление В процессе обработки обеспечивает контроль толщины стенки ультразвуковым микрометром и выдает информацию дня управления по­ложением прорезной фрезы.

Точность изготовления составляет 0,0076 мм. По другой технологии внутренняя оболочка может изготавливаться центробежной отливкой вмес­те с каналами. Разработана технология изготовления оболочки методом гальванопластики.

После нарезания каналы оболочки 5 (см. рис. 6.40) заполняются па­раф ином и с помощью электролитического (гальванического) метода наносится двухслойная оболочка меди и никеля, закрывающая каналы охлаждения. Затем парафин выплавляется.

Наружная оболочка 3 состоит из двух половин (разъем по образую­шей), которые изготавливаются штамповкой из высокопрочного нике­левого сплава (инконель-718) с последующей сваркой (на внутренней оболочке) и механической обработкой. Наружная оболочка является си­ловой и работает при напряжениях, несколько превышающих предел теку­чести.

К наружной оболочке приварены коллекторы, 1 и 4. Коллектор 4 ­входной. В охлаждающий тракт через него поступает около 20 % расхода жидкого водорода через камеру. В охлаждающем тракте водород газифи­цируется и из выходного коллектора 1 с температурой около 305 К газооб­разный водород поступает на привод турбины Б ТНА горючего.

Конструкция второго узла блока камеры, включающая выходную часть сопла от сечения с относительной площадью, равной пяти, и до среза с площадью, равной 77,5, выполнена трубчатой. Она набрана из 1086 тру­бок с переменным по длине прямоугольным сечением, которые образуют охлаждающий тракт. Трубки соединяются между собой и силовыми коль­цевыми бандажами пайкой. Материал трубок - хромоникелевая сталь.

Коллектор подвода жидкого водорода в охлаждающий тракт распо­лагается в сечении с относительной площадью сопла, равной 20, за которым располагаются трубки меньшей длины. Трубки, по которым водород течет от среза сопла, проходят по всей длине узла. В сечении с относитель­ной площадью сопла, равной пяти, устроен фланец для стыковки с пер­вым узлом. Здесь же располагается и выходной коллектор. Для охлаж­дения этой части сопла используется примерно 25% жидкого водорода из всего расхода горючего. Газифицированный в тракте водород смешива­ется с жидким, поступающим из насоса, и полученный газ с температурой порядка 164 К направляется в ЖГГ.

Коллектор подвода горячего газа от ТНА - охлаждаемый, что позво­ляет свести до минимума градиент температуры по толщине внешней несу­шей стенки, иметь одинаковую невысокую температуру этой стенки на всех участках и тем самым практически исключить появление термических напряжений в конструкции. Вследствие длительной много разовой работы коллектора резко повышается его малоцикловая усталостная прочность, Отсутствие термических напряжений в коллекторе увеличивает жесткость его конструкции и способствует улучшению условий работы многих сты­ковочных соединений и трубопроводов. Поэтому, несмотря на существенное усложнение конструкции и некоторое увеличение массы, охлаждение коллектора следует считать прогрессивным решением.

Важная особенность камеры сгорания - устройство акустических демп­феров, выполненных в виде полости 2 (см. рис. 6.40), которая сообщается с объемом камеры сгорания через каналы 6, устроенные в расширенных ребрах. Установка акустического демпфера улучшает характеристики устой­чивости рабочего процесса по отношению к высокочастотным колебаниям. Камера, снабженная акустическим демпфером и. имеющая антивибрацион­ные перегородки на смесительной головке, как показал опыт ее эксплуа­тации, практически не имела неустойчивых режимов.

На рис. 6.41 показана схема и отдельные конструктивные фрагменты камеры еще одного кислородно-водородного двигателя с дожиганием вос­становительного генераторного газа и давлением в камере сгорания поряд­ка 12... 15 МПа, Основные особенности камеры состоят в следующем. Цилиндрическая часть камеры сгорания и огневое днище смесительной головки охлаждаются кислородом; входная и сверхзвуковая части сопла до сечения III охлаждаются водородом. Сопло заканчивается насадком, не имеющим наружного проточного охлаждения. Он выполнен из жаропрочной стали и охлаждается завесным внутренним и радиационным наружным охлаждением, благодаря чему температура стенки насадка не превышает 1300...1400 К.

Большая часть жидкого кислорода после насоса поступает в коллектор охлаждающего тракта, из которого непосредственно поступает в головку и далее на центробежные форсунки.

Большая часть жидкого водорода после насоса поступает в ЖГГ, где газифицируется, и, пройдя через турбину ТНА, по газоводу направляется в торец смесительной головки. Затем по осевым каналам двухкомпонент­ных струйно-центробежных 'форсунок генераторный газ с избытком во­дорода попадает в камеру сгорания. Заметим, что на головке все форсун­ки - одинаковые, т.е. пристеночного низкотемпературного слоя от "голов­ки" здесь нет.

Меньшая часть водорода, примерно 25% его расхода, поступает в кол­лектор охлаждающего тракта (см. рис. 6.41), где расход разделяется на две части: меньшая часть направляется в сторону головки, а большая часть ­в сторону среза сопла. Особенность наружного охлаждения средней части камеры, включающей дозвуковую и сверхзвуковую области сопла, в том, что этот расход водорода из охлаждающего тракта поступает полностью на пояса завесы и используется для создания мощного внутреннего завесного охлаждения этой части камеры. Причем меньшая часть расхода водорода поступает в камеру сгорания через два пояса завесы - сечения 1 и 11. Небольшая часть расхода водорода поступает через третий пояс - сече­ние III - для охлаждения соплового насадка. Расходы на завесу могут ре­гулироваться сменными дросселями, устанавливаемыми в коллекторе ввода горючего (см. рис. 6.41).