Конструктивные особенности смесительной головки

КОНСТРУКЦИЯ БЛОКА СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ.

Смесительная, или форсуночная головка является основным звеном систе­мы смесеобразования камеры двигателя. Ее работа в значительной степени определяет полноту сгорания, устойчивость рабочего процесса и надежность теплозащиты стенок камеры, поэтому разработка конструкции смеситель­ной головки, ее экспериментальная доводка - исключительно сложная и ответственная задача.

Из технологических требований смесительную головку целесообразно проектировать и изготавливать в виде отдельного узла камеры двигателя - ­блока головки. Вследствие, этого, во-первых, технологические режимы термической обработки головки, как, например, пайки, могут отличаться от термических режимов изготовления блока камеры сгорания и сопла.

Во-вторых, обеспечивается возможность проведения в ходе изготовления технологических испытаний на гидроустановках герметичности полостей, соответствия расходных характеристик, а также качества распыла и смеше­ния техническим условиям до соединения головки с камерой сгорания.

Схема типичного блока головки показана на рис. 7.1. Эта головка кис­лородно-углеводородного двигателя РД-1 07/108. Блок состоит из трех днищ - переднего, или огневого, среднего и наружного. Днища образуют две основные полости головки: внутреннюю, в которую поступает горю­чее непосредственно из охлаждающего тракта, и наружную полость окис­лителя. К корпусу головки присоединены днища (здесь только среднее и наружное, но в других конструкциях все днища могут соединяться с корпу­сом головки); внутренние перегородки или перемычки соединены со сред­ним и наружным днищами; имеется патрубок, через который подводится окислитель, и набор форсунок, соединенных с огневым и средним днищами. Благодаря соединениям форсунок и перегородок днищами конструкция головки приобретает большую жесткость и прочность, способность 'выдерживать большие давления в полостях и в камере сгорания.

Важными конструктивными элементами смесительной головки явля­ются форсунки. В современных ЖРД применяются различные их виды - струйные и центробежные, жидкостные и газовые, однокомпонентные и двухкомпонентные. Еще более разнообразны конструкции форсунок; схемы некоторых из них показаны на рис. 7.2 и 7.3.

При однокомпонентных форсунках для обеспечения начального перемешивания компонентов форсунки располагаются в определенном поряд­ке при котором образуются так называемые смесительные элементы-ячей­ки. Распространенными схемами расположения форсунок являются сотовая (рис. 7.4), которая соответствует головке ЖГГ двигателя РД-216, и шахматная (рис. 7.5), соответствующая головке двигателя РД-119: Двухкомпонентные форсунки, поскольку они являются одновременно и смесительными элементами, могут располагаться равномерно по концентричес­ким окружностям. На рис. 7.6 это расположение соответствует головке двигателей РД-1 07/l 08.

Для организации низкотемпературного пристеночного слоя форсунки, расположенные на периферийной части головки, должны возле стенки созда­вать избыток какого-либо компонента, как правило, горючего. Поэтому, со стороны стенки в последнем ряду при однокомпонентных форсунках устанавливаются форсунки горючего (см. рис. 7.4, 7.6). Кроме того, для обеспечения однородности пристеночного слоя по всему периметру камеры сгорания последние ряды форсунок часто располагаются по окружность. На рис. 7.5 показана схема, при которой шахматное расположение форсу­нок в ядре головки к периферии постепенно деформируется и переходит к их расположению на последних рядах по окружности.

При изготовлении форсунок определяются их расходные характе­ристики, в зависимости от которых они затем разбиваются на группы. В соответствии с этими группами форсунки устанавливаются на головке. Этим самым обеспечивается соответствие характеристик смесеобразования каждой изготовленной головки ее "эталонному" образцу, полученному в результате экспериментальной отработки камеры.

Крепление форсунок к днищам головки наиболее часто производит­ся с помощью пайки (см. рис. 7.3). При гонких днищах (менее 3…3,5 мм) пайку дополняют предварительной развальцовкой (см. рис. 7.2). Могут применяться резьбовые соединения.

После изготовления смесительной голов­ки и проверки ее на соответствие техничес­ким условиям, она присоединяется к блоку камеры и затем производится окончательная сборка камеры.

При проектировании смесительной головки важным решением, кото­рое оказывает большое влияние на ее конструкцию, является распреде­ление компонентов по полостям головки и осуществление их подвода к ним. Наиболее естественным распределением компонентов является направление охлаждающего компонента, например горючего, непосредст­венно из охлаждающего тракта камеры во внутреннюю полость, а окис­лителя во внешнюю полость. В этом случае конструкция головки получа­ется наиболее простой (см. рис. 7.1).

Однако в ряде случаев, особенно при двухкомпонентных-центробеж­ных форсунках, либо из-за особенностей их гидравлических характеристик, либо для обеспечения устойчивости рабочего процесса приходится горю­чее из охлаждающего тракта направлять во внешнюю полость, а окисли­теля - во внутреннюю. Это существенно усложняет конструкцию головки, так как в корпусе головки приходится устраивать перекрещивающиеся каналы. То же происходит и при необходимости вводить компонент во внутреннюю полость головки помимо охлаждающего тракта. В этом слу­чае вокруг головки приходится устраивать специальный коллектор с соответствующими радиальными каналами в корпусе головки для прохо­да компонента во внутреннюю полость.

Конструкция головки усложняется также и при решении устройства пояса завесы охлаждения, встроенного в конструкцию головки, особенно если для него необходимо предусмотреть специальный коллектор или по­лость. Усложнение конструкции происходит и при устройстве в конструк­ции головки блока зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. В некоторых случаях головка может иметь больше двух полостей. Например, глубоком регулировании тяги иногда используют центробежные форсунок с двумя рядами тангенциальных каналов, каждый из которых сообщается со своей независимой полостью. В этом случае головка име­ет как минимум четыре полости, в которые компоненты поступают через свои патрубки. То же самое происходит, если для глубокого регулирова­ния форсунки на головке разбиваются па группы, каждая из которых пи­тается из своих полостей. Могут быть и другие обстоятельства, при кото­рых число полостей в головке бывает больше двух.