double arrow

Особенности тепловой защиты критического сечения сопла РДТТ

Условия работы сопел РДТТ предъявляют к защитным покры­тиям этого узла жесткие и многосторонние требования. Выбор ма­териалов для элементов сопла определяется двумя основными фак­торами: распределением температуры вдоль сопла во время рабо­ты двигателя, химическим и эрозионным действием продуктов сго­рания.

Материалы для сопел РДТТ должны:

-обладать жаростой­костью и жаропрочностью при температурах до

3500 К;

-достаточ­ной конструктивной прочностью;

-эрозионной стойкостью в высокотемпературном сверхзвуковом потоке, насыщенном твердыми частицами;

-минимальной массой;

-совместимостью с окружающей и внутренней средой.

Достаточно легкое сопло может быть получено только при ис­пользовании в конструкции сопла принципа многослойности, когда каждый отдельный слой конструкции выполняет строго определен­ную функцию, а вся сборка в целом обеспечивает работоспособ­ность при удовлетворительных характеристиках сопла.

Выбор материалов для изготовления вкладыша сопла РДТТ определяется назначением и условиями работы детали в двигателе. Назначением вкладыша является либо обеспечение стабильности величины диаметра минимального сечения сопла, либо заданного закона его изменения при условии воздействия на деталь химичес­ки активного двухфазного потока продуктов сгорания твердого топлива. В некоторых случаях, когда время работы РДТТ исчисляется секундами, возможно изготовление вкладыша критического сечения сопла из медных сплавов, обладающих большой теплоаккумулирующей способностью.

К материалу вкладыша предъявляются требования повышенной жаропрочности и жаростойкости, высокой эрозионной стойкости. В таблице 3.2. приведены основные типы материалов, используемые при тепловой защите критического сечения сопла.. В качестве материала для вкладышей сопел РДТТ с небольшими размерами критического сечения (до 300 мм) большое применение находил графит (главным образом специально обработанный) и жаропроч­ные металлы—молибден и вольфрам. Так, сопловые вкладыши РДТТ БРСД «Поларис А-1» изготавливаются из молибдена (из поковки, методом раскатки с утонением стенки), а сопла РДТТ од­ной из ступеней МБР «Минитмен» имеют вкладыши из графита по­вышенной плотности.

Для защиты сопловых вкладышей на их рабочие поверхности тем или иным способом наносят специальные покрытия. Наиболее распространенными покрытиями вкладышей из графита являются вольфрам и его сплавы, карбид вольфрама, молибден и его сплавы, окислы алюминия, тантала и некоторых других металлов, специальные графитокерамические покрытия (типа покрытия с соста­вом: 50% графита, 25% борида титана, 24% дисилицида молибде­на, 1% специальной связки), пиролитический графит и др.

Таблица 3.2.

Типичные характеристики материалов для сопел при Т=293 К

  Характеристика Теплопроводные жаростойкие материалы
Графит ATJ Вольфрам (кованый) Пиролитический графит
Плотность, г/см3 Коэффициент теплопроводно­сти, Вт/(м2*К): вдоль волокна или слоя основы поперек волокна или слоя основы Удельная теплоемкость Дж/(кг*К) Температурный коэффициент, К-1*106: вдоль волокна или слоя основы поперек волокна или слоя основы 1,73 104…23,7* 59,4…22,3* 0,25…0,6** 2,7 4,0 19,0 142,5…89,1* - 0,033..0,047** 4,5 - 1,80…2,26* 142,5…89,1* 1,78…0,45* 0,22…0,5** 2,4
  Характеристика Композиционные абляционные материалы
Угольная ткань МХ-4926 Графитовая ткань FM-5064 Кварцевая ткань МХ-2600
Плотность, г/см3 Коэффициент теплопроводно­сти, Вт/(м2*К): Вдоль волокна или слоя основы Поперек волокна или слоя основы Удельная теплоемкость, Дж/(кг*К) Температурный коэффициент, К-1*106 Вдоль волокна или слоя основы Поперек волокна или слоя основы 1,43 1,23..1,38*** 0,71..0,86*** 0,20..0,36*** 6,7 9,5..55,8*** 1,45 3,40...4,31*** 1,02…1,36*** 0,24…0,39*** 9,5 31,7 1,75 0,52…0,56*** 0,45…0,48*** 0,24…0,30*** 7,0 29,7
           

* Наименьшее значение соответствует температуре 2473 К

** Наибольшее значение соответствует температуре 2473 К

*** Наибольшее значение соответствует температуре 673 К

Иногда вместо нанесения на графит защитных покрытий оказы­вается достаточным провести:

-рекристаллизацию поверхностного слоя графита с получением, так называемой, структуры суперграфита;

-спе­циальную обработку детали, с целью получения на рабочей поверх­ности слоя повышенной жаропрочности из карбидов титана, циркония и т. д.;

-силицирование графита, в результате чего в поверхностном слое детали образуется структура, в которой графит оказывается свя­занным с карбидом кремния, что обеспечивает повышение его прочностных характеристик.

Весьма эффективным способом обеспечения эрозионной защиты графитовых вкладышей является нанесение на их рабочую поверх­ность защитного покрытия из вольфрама. Покрытие может нано­ситься газопламенным или плазменным напылением, электролити­ческим осаждением, спеканием в вакууме (для нанесения покры­тий и для непосредственного изготовления вкладышей пиролитическим осаждением из газообразного состояния). Для исключения науглероживания вольфрама, приводящего к снижению его прочностных свойств, от контактирующего с ним в некоторых конструкциях пиролитического графита, между ними наносится подложка.

К материалам, применяемым для вкладышей сопел РДТТ, от­носится также пиролитический графит. Процесс его образования заключается и высокотемпературном пиролизе содержащих угле­род газов и осаждении освобожденного углерода на технической графитовой оправке. Пирографит—это ориентированный кристал­лический графит.

Интерес к пирографиту объясняется его исключительной ани­зотропией теплопроводности: в тонком слое можно реализовать перепад температур до 2000 К. Следует отметить ряд существенных недостатков пирографита, затрудняющих широкое использова­ние этого материала в реальных конструкциях. К ним следует прежде всего отнести хрупкость, низкую прочность скрепления с другими материалами, применяющимися в конструкции сопел, склонность к расслоению в процессе хранения.

 
 

На рис.3.38. представлен пример осуществления тепловой защиты критического сечения сопла РДТТ.

Рис.3.38. Тепловая защита критического сечения сопла РДТТ:

1 – вольфрам; 2 – подложка; 3 – пиролитический графит;

4, 5 – низкотеплопроводные пластик и керамика; 6 – материал сопла


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: