Трубчатая камера сгорания ракетного двигателя с регенеративным охлаждением и способ изготовления ее охлаждающего тракта

Трубчатая камера сгорания ракетного двигателя с регенеративным охлаждением и способ изготовления ее охлаждающего тракта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к ракетным двигателям, в частности к трубчатой камере сгорания ракетного двигателя.

Уровень техники

В камере сгорания ракетного двигателя осуществляется сжигание подаваемых под давлением горючего и окислителя и плавное ускорение продуктов горения для создания тяги. Окислитель и горючее вводятся под давлением через распылительную головку 10, например, показанную на фиг.1, которая закреплена в головной части камеры. Продукты горения под давлением поступают в сужающуюся часть сопла Лаваля 12, заканчивающуюся критическим сечением 14. В этой области сопла расширяющиеся продукты горения достигают скорости звука. Сразу за критическим сечением сопла начинается его расширяющаяся часть 16, в которой происходит дальнейшее ускорение продуктов горения до скорости, многократно превышающей скорость звука, в зависимости от профиля расширяющейся части, состава ракетного топлива, давления продуктов горения и давления внешней среды. Такое ускорение продуктов горения создает тягу ракетного двигателя.

В камерах сгорания с регенеративным охлаждением на охлаждение стенок камеры сгорания отбирают часть подаваемого в двигатель криогенного компонента жидкого ракетного топлива, как правило горючего. Этот компонент в качестве хладагента течет по каналам или трубкам вдоль наружной поверхности камеры. При улавливании отходящей теплоты хладагентом его энергия увеличивается. Такое увеличение энергии хладагента повышает КПД цикла.

Обычно различают три вида камер сгорания для ракетных двигателей с регенеративным охлаждением: с фрезерованными каналами, паяно-сварной конструкции и трубчатой конструкции.

В конструкции первого типа на внешней поверхности внутренней (огневой) стенки, определяющей форму сопла Лаваля, нарезают пазы переменного сечения. Поверх образованных таким образом открытых каналов собирают рубашку или надевают цилиндрическую оболочку, которую крепят к внутренней стенке посредством вакуумной пайки со сжатием. Рубашка воспринимает только давление хладагента.

Паяно-сварная конструкция аналогична конструкции с фрезерованными каналами, но в ней внутренняя стенка разделена по длине на множество секций меньшего размера, которые скрепляют между собой посредством неразъемных соединений. Затем поверх внутренней стенки устанавливают и скрепляют сваркой составную рубашку, после чего внутреннюю стенку и рубашку соединяют между собой посредством вакуумной пайки со сжатием.

В трубчатой камере сгорания используется набор трубок, профилированных по контуру сопла Лаваля. По трубкам текут находящиеся под давлением компоненты топлива, охлаждающие стенки камеры и улавливающие отходящую теплоту для ее использования в цикле. В готовом изделии рубашка работает только на восприятие давления продуктов горения.

В зависимости от размера трубчатой камеры сгорания ее можно изготавливать двумя способами. Если диаметр камеры достаточно велик, чтобы обеспечить доступ внутрь, трубки и припой можно укладывать непосредственно в цельную рубашку с последующей пайкой собранной конструкции в печи.

В камерах меньшего размера использование цельной рубашки невозможно ввиду ограниченности доступа для укладки трубок внутри рубашки малого диаметра. В этом случае сборка начинается формированием набора трубок на оправке с профилированием трубок по контуру сопла Лаваля. При этом трубки можно укладывать прямо по длине оправки или оборачивать вокруг оправки по винтовой линии. Во все полости между трубками помещают твердый припой в виде проволоки или фольги либо пастообразный припой. Затем снаружи набора трубок монтируют составную рубашку. Далее на области сопряжения секций рубашки накладывают покрывные полоски, после чего рубашку и трубки скрепляют друг с другом посредством пайки в печи. Целостность конструкции такой трубчатой камеры зависит от качества выполнения рубашки и степени заполнения припоем зазоров во всех соединениях между трубками, коллекторами камеры и кольцами жесткости. Для контроля качества паяных швов между трубками, а также трубками и рубашкой пригодны только методы рентгеновского или ультразвукового контроля. Ремонт расположенных под рубашкой спаянных элементов конструкции является проблематичным. Если используемые методы контроля окажутся недостаточными для выявления зон недостаточного заполнения припоем зазора между соединяемыми элементами (непропая), может произойти разрушение камеры сгорания.

Трубчатые камеры обладают наименьшим весом и наивысшей эффективностью благодаря их большей площади теплообмена и меньшим напряжениям в сечениях трубок. При этом целостность трубчатой конструкции камеры зависит от качества выполнения составной рубашки и степени заполнения припоем зазоров во всех соединениях между трубками, секциями рубашки и коллекторами.

Раскрытие изобретения

В соответствии с вышеизложенным в основу изобретения положена задача создания способа изготовления трубчатой камеры сгорания с регенеративным охлаждением, который позволил бы формировать набор трубок, регулировать их расположение и проверять их соединение на предмет несплошностей, когда трубки находятся на внешней оправке, одновременно обеспечивая возможность полного контроля паяных швов перед монтажом неразъемной рубашки камеры сгорания.

Данная задача решается в предложенном способе. В соответствии с изобретением предложен способ изготовления охлаждающего тракта для камеры сгорания ракетного двигателя. Во всех вариантах осуществления способ предусматривает формирование набора, или группы, трубок, профилированных по контуру сопла двигателя, и соединение набора трубок с входным и выходным коллекторами, в которых выполнены отверстия под концевые части трубок, при этом в каждое из указанных отверстий вставляют рамку из припоя и вводят каждую трубку первой концевой частью во входной коллектор и второй концевой частью в выходной коллектор с обеспечением расположения одной рамки вокруг первой концевой части и другой рамки вокруг второй концевой части, после чего входной и выходной коллекторы соединяют пайкой с трубками, причем в верхней части сгорания набор трубок формируют постоянно расширяющимся в поперечном сечении. При пайке образуется группа паяных швов между трубками и коллекторами. Дополнительно предусмотрены стадии нанесения слоя покрытия на наружные части трубок и формирования вокруг трубок рубашки неразъемной конструкции.

Кроме того, трубки можно использовать в сборе с другими элементами, в виде сборных трубок. Перед вводом трубок в коллекторы к трубкам могут присоединяться наконечники, например, сваркой или пайкой, при этом в коллекторы вводят трубки в сборе с наконечниками. Паяные швы могут быть подвергнуты контролю, после чего на наружные части трубок может быть нанесен слой покрытия, например, электроосаждением или плазменным напылением в вакууме.

Поверх слоя покрытия могут устанавливаться секции рубашки, которые соединяются с указанными коллекторами и друг с другом с получением рубашки неразъемной конструкции, например, путем сварки. Дополнительно рубашка неразъемной конструкции может припаиваться к трубкам, снабженным покрытием.

К выходному коллектору и рубашке неразъемной конструкции может быть присоединена торцевая крышка. Выходной коллектор на участках отвода хладагента может быть дополнительно присоединен к рубашке.

Объектом изобретения также является трубчатая камера сгорания ракетного двигателя с регенеративным охлаждением, имеющая сопло Лаваля. Во всех вариантах выполнения камера сгорания содержит набор, или группу, трубок транспортирования хладагента, профилированных по контуру сопла Лаваля, входной и выходной коллекторы, слой покрытия, расположенный на наружных частях трубок, а также рубашку неразъемной конструкции, окружающую трубки со слоем покрытия и соединенную с трубками, причем каждая трубка набора припаяна первой концевой частью к входному коллектору и второй концевой частью к выходному коллектору.

В частных формах выполнения предложенной камеры сгорания в ее верхней части набор трубок может быть выполнен постоянно расширяющимся в поперечном сечении. Трубки могут быть дополнительно снабжены группой присоединенных к ним наконечников.

Рубашка неразъемной конструкции выполнена из группы секций, соединенных друг с другом, а также с входным и выходным коллекторами. При этом секции рубашки могут включать в себя две секции угловой длины 180°, установленные в области критического сечения сопла.

Камера сгорания дополнительно может содержать торцевую крышку, присоединенную к выходному коллектору и рубашке неразъемной конструкции. Выходной коллектор может иметь участки отвода хладагента, соединенные с рубашкой неразъемной конструкции.

Другие конструктивные особенности предложенной трубчатой камеры ракетного двигателя с рубашкой неразъемной конструкции, а также другие решаемые изобретением задачи и достигаемые им преимущества рассмотрены в нижеследующем подробном описании изобретения, поясняемом чертежами, на которых аналогичные элементы конструкции обозначены одинаковыми позициями.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид трубчатой камеры в сечении.

Фиг.2 - вид предложенной трубчатой камеры в сечении.

Фиг.3 - местный разрез в области выходного коллектора камеры, показанной на фиг.2.

Фиг.4 - местный разрез в области входного коллектора камеры, показанной на фиг.2.

Фиг.5 - разрез в области критического сечения сопла камеры, показанной на фиг.2.

Фиг.6 - местный разрез, иллюстрирующий рамку из припоя, выполненную в виде проволочной спирали.

Фиг.7 - вид камеры сгорания ракетного двигателя в поперечном сечении.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.2-5, предложенная трубчатая камера 20 состоит из набора трубок 22, профилированных по контуру сопла Лаваля. Конструктивной особенностью трубок 22 является то, что в верхней (по потоку газов) части 24 камеры они создают постоянно расширяющееся поперечное сечение с образованием конической внутренней поверхности 26. При этом речь идет о расширении поперечного сечения внутренней полости камеры 20, образованной контуром набора трубок 22, т.е. набор трубок формируют или выполняют постоянно расширяющимся в поперечном сечении. Кроме того, каждая из трубок 22 может иметь постоянно расширяющееся поперечное сечение в верхней части 24 камеры. Таким образом, в сечении камеры 20, примыкающем к распылительной головке, линия контура трубки 22 находится дальше от центральной оси камеры, чем в сечении, расположенном ниже по потоку газов. Это обусловливает угол конусности α, меньший 1°.

Наличие конусной внутренней поверхности 26 улучшает извлечение оправки (на чертежах не показана), используемой в процессе производства камеры сгорания в качестве опоры для набора (пучка) труб. Оправку, поддерживающую трубки 22 в процессе пайки, вставляют и извлекают через торцевой проем камеры 20 со стороны распылительной головки. Если бы оправка и контур трубки были цилиндрическими, то при установке и извлечении оправки последнюю пришлось бы толкать или тянуть со скольжением вдоль поверхности набора трубок 22, что чревато повреждением тонкостенных трубок 22. На участке конического контура трубки опираются на поверхность оправки, имеющую соответствующую конусность. Благодаря такому сопряжению на конус оправка не соприкасается с внутренней поверхностью набора трубок, пока полностью не войдет в камеру. При извлечении оправки между трубками 22 и оправкой возникает зазор. Этот зазор увеличивается по мере выдвижения оправки из камеры. Как только оправка выйдет из трубки 22 на достаточное расстояние, секции периферийной части оправки можно извлечь из камеры по отдельности.

К обеим концевым частям каждой трубки 22 могут быть присоединены наконечники 28 с получением трубок сборной конструкции (сборных трубок). В зависимости от материала трубок наконечники 28 крепятся пайкой или сваркой. Трубки 22, как правило, выполняют из сталей, сплавов на основе никеля или меди в зависимости от совместимости конкретных материалов с используемыми компонентами топлива. Наконечники 28 могут быть выполнены из стали или сплавов на основе никеля в зависимости от используемых компонентов топлива и способа соединения наконечников с материалом трубок. Каждую трубку или трубку в сборе с наконечником вводят в отверстия 29 в выходном коллекторе 30 и входном коллекторе 32. Трубки без наконечников или в сборе с ними устанавливают с рамками 31 из припоя, которые вставляют в отверстия коллекторов для обеспечения желательной степени наполнения зазора припоем. Как показано на фиг.6, рамки 31 выполнены в виде проволочных спиралей с диаметром, соответствующим диаметру отверстий в коллекторах. Отверстия в коллекторах выполнены с уступами для фиксации положения рамки 31 из припоя под наконечниками 28. Затем собранную конструкцию скрепляют пайкой в печи. Режим пайки выбирают в зависимости от паяемых материалов и состава припоя, используемого для скрепления соединяемых частей. Кроме того, если изготовление камеры 20 пайкой проводится в несколько приемов, каждая последующая операция пайки должна выполняться при меньшей температуре, чем предыдущая, во избежание распайки ранее выполненных паяных соединений. Пайку, как правило, ведут при температурах 1400-2000°F (760-1093°С), причем длительность постепенного нагревания и охлаждения паяемых элементов зависит от их массы.

После контроля паяных швов на наружные части трубок 22 наносят слой покрытия 34 заданной толщины, материал которого подобен материалу трубок. Материалом покрытия 34 может быть любой материал, который образует химическую связь с материалами трубок. Как правило, этот материал должен быть подобен материалу трубок, чтобы разность коэффициентов теплового расширения и модулей упругости не вызывала дополнительных напряжений в соединении. В качестве таких материалов могут использоваться сталь, никелевые или медные сплавы. Кроме того, эти материалы можно использовать в сочетании для формирования покрытия из разных слоев.

Слой покрытия 34 может наноситься на поверхности трубок плазменным напылением в вакууме или электроосаждением при помощи любых известных способов плазменного напыления в вакууме или электроосаждения. Слой покрытия 34 обеспечивает герметичность сопряжения трубок 22, защищает трубки 22 от повреждений при сборке рубашки и после механической обработки поверхность покрытия имеет малый допуск для установки неразъемной рубашки 36.

Затем на покрытие, подвергнутое механической обработке, устанавливаются секции 38 рубашки. Секции 38 рубашки могут быть выполнены из стали или никелевых сплавов, совместимых с используемыми системами "припой-паяемый материал" и поддающихся сварке и пайке. В кольцевые канавки 40 на внутренней поверхности каждой секции 38 рубашки может быть установлен припой в виде проволоки. Как показано на фиг.7, секция 38' рубашки в области критического сечения сопла состоит из двух половин (секций угловой длины 180°) 38а и 38b. Секции 38 и 38' рубашки скрепляют друг с другом, например, сваркой, а также с входным и выходным коллекторами 32 и 30 соответственно, например, также сваркой, с получением рубашки 36 неразъемной конструкции. Затем рубашку 36 неразъемной конструкции припаивают к пучку трубок, снабженных покрытием. Секции 38 рубашки сваривают друг с другом и затем приваривают к входному и выходному коллекторам 30 и 32 соответственно, с образованием герметично изолированного зазора между секциями рубашки и покрытием трубок 22. На внутреннюю поверхность секций рубашки и на наружную поверхность покрытия 34 трубок 22 может быть нанесен припой. В секции рубашки устанавливают несколько патрубков подключения к источнику вакуума для плотного прижатия соединяемых поверхностей друг к другу во время пайки. Эту операцию пайки проводят при наиболее низкой температуре во избежание распаивания ранее выполненных паяных соединений в конструкции камеры 20. Длительность постепенного нагревания и охлаждения соединяемых элементов при пайке зависит от их массы.

Затем к выходному коллектору 30 и рубашке 36 неразъемной конструкции на переднем конце камеры сгорания присоединяют торцевую крышку 50. Для этого может использоваться любой подходящий способ соединения, например, сварка. Затем выходной коллектор на участках 52 отвода хладагента соединяют с рубашкой 36 неразъемной конструкции. И в этом случае может использоваться любой подходящий способ соединения, такой как сварка.

На фиг.7 представлена камера сгорания ракетного двигателя, у которой секции рубашки в области критического сечения включают в себя две половины 38а и 38b - секции угловой длины 180°.

На фиг.7, где показано сечение в области критического сечения, видны половины 38а и 38b рубашки, слой покрытия 34 на трубках и сами трубки 22. Овальные каналы 60, выполненные в секциях рубашки в зоне сварного соединения 62, обеспечивают возможность контроля сварных швов, а также распространения вакуума от основных патрубков рубашки в область критического сечения и область задней части (раструба) под рубашкой в процессе пайки в печи для образования паяных швов между секциями рубашки и слоем покрытия 34, нанесенным поверх трубок. После завершения всех операций сварки, пайки, контроля, очистки, оплавления поверхности и термообработки каналы 60 могут быть заполнены изоляционным материалом, совместимым с окружающим материалом, для исключения негерметичности по окружности зоны критического сечения.

В вышеприведенном описании наглядно показано, что предложенная трубчатая камера ракетного двигателя с рубашкой неразъемной конструкции полностью решает поставленные задачи с достижением рассмотренных в описании преимуществ. Хотя изобретение представлено на примере конкретных вариантов его осуществления, для специалиста, изучившего данное описание, будет очевидна возможность осуществления изобретения в альтернативных или видоизмененных вариантах, которые, однако, предполагаются подпадающими под общие формулировки притязаний, изложенных в формуле изобретения.

1. Способ изготовления охлаждающего тракта для камеры сгорания ракетного двигателя, отличающийся тем, что формируют набор трубок, профилированных по контуру сопла двигателя, и соединяют их с входным и выходным коллекторами с отверстиями под концевые части трубок, при этом в каждое из указанных отверстий вставляют рамку из припоя и вводят каждую трубку первой концевой частью во входной коллектор и второй концевой частью в выходной коллектор с расположением одной рамки вокруг первой концевой части и другой рамки вокруг второй концевой части, после чего входной и выходной коллекторы соединяют пайкой с трубками с образованием группы паяных швов между трубками и коллекторами, причем в верхней части камеры набор трубок формируют постоянно расширяющимся в поперечном сечении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед вводом трубок в коллекторы к трубкам присоединяют наконечники и в коллекторы вводят трубки в сборе с наконечниками.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что присоединение наконечников к трубкам осуществляют сваркой или пайкой.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что паяные швы подвергают контролю и на наружные части трубок наносят слой покрытия.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что покрытие наносят электроосаждением или плазменным напылением в вакууме.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что поверх слоя покрытия устанавливают секции рубашки и соединяют их с указанными коллекторами и друг с другом с получением рубашки неразъемной конструкции.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что соединение секций рубашки с коллекторами и друг с другом осуществляют посредством сварки.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что рубашку неразъемной конструкции дополнительно припаивают к трубкам, снабженным указанным покрытием.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что к выходному коллектору и рубашке неразъемной конструкции присоединяют торцевую крышку.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что выходной коллектор на участках отвода хладагента дополнительно присоединяют к рубашке.

11. Трубчатая камера сгорания ракетного двигателя с регенеративным охлаждением, имеющая сопло Лаваля, отличающаяся тем, что она содержит набор трубок транспортирования хладагента, профилированных по контуру сопла Лаваля, входной и выходной коллекторы, слой покрытия, расположенный на наружных частях трубок, а также рубашку неразъемной конструкции, окружающую трубки со слоем покрытия и соединенную с трубками, причем каждая трубка набора припаяна первой концевой частью к входному коллектору и второй концевой частью к выходному коллектору.

12. Камера сгорания по п.11, отличающаяся тем, что в верхней части камеры набор трубок выполнен постоянно расширяющимся в поперечном сечении.

13. Камера сгорания по п.11, отличающаяся тем, что трубки дополнительно снабжены группой присоединенных к ним наконечников.

14. Камера сгорания по п.11, отличающаяся тем, что рубашка неразъемной конструкции выполнена из группы секций, соединенных друг с другом, а также с входным и выходным коллекторами.

15. Камера сгорания по п.14, отличающаяся тем, что секции рубашки включают в себя две секции угловой длины 180°, установленные в области критического сечения сопла.

16. Камера сгорания по п.11, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит торцевую крышку, присоединенную к выходному коллектору и рубашке неразъемной конструкции.

17. Камера сгорания по п.11, отличающаяся тем, что выходной коллектор имеет участки отвода хладагента, соединенные с рубашкой неразъемной конструкции.