Жидкостные ракетные двигатели (стр. 11 )

Основными конструктивными элементами головки являются форсу­ночное днище и наружная стенка. В свою очередь форсуночное днище чаще бывает двухстенным и реже - одностенным. При двухстенном форсуночном днище головка в целом является трехстенной. Тогда стенку форсуночного днища, обращенную к камере сгорания, называют внутренней или огневой, а вторую средней.

Одним из основных требований, предъявляемых к конструкции голов­ки, является обеспечение достаточной ее жесткости, а также сохранениягерме-тичности ее элементов при возможных деформациях.

Головки камер ЖРД подразделяются на плоские, шатровые, сфериче­ские, цилиндрические и вихревые, рис.34.

Плоские головки являются наиболее распространенным типом.  Плоские головки камеры имеют различное конструктивное оформле­ние.- Иногда их выполняют трехстенной конструкции с отдельными полостями для горючего и окислителя. Верхнее днище обычно имеет шаровидную форму, тогда как последние два днища — плоские, в которых монтируют форсунки. При этом: компонент топлива, используемый для охлаждения камеры, поступа­ет в нижнюю полость головки, образуемую плоскими днищами, откуда через форсунки впрыскивается в камеру сгорания. Второй компонент топлива пода­ется прямо в верхнюю полость головки, образуемую шарообразным верхним и плоским средним днищами, а из нее затем поступает в камеру сгорания через сквозные трубки, пересекающие плоские днища головки и заканчивающиеся форсунками. Все три днища головки камеры связаны между собой. Верхнее днище связывается со средним плоским днищем косынками различной формы, а для связи плоских днищ можно использовать точечные выштамповки или развальцовку корпуса форсунок. Так как число форсунок обычно бывает весь­ма большим (измеряется сотнями), то последний способ связи между собой оболочек практически оказывается также достаточно надежным.

Конструктивное оформление головки в основном зависит от вы­бранной формы камеры сгорания, ее диаметра, вида компонентов топлива, а также от того, какой компонент топлива используется для охлаждения камеры. Плоские головки применяются в камерах двигателей малых и средних тяг. Они наиболее удобны для цилиндрических камер сгорания благодаря конструктив­ной простоте и удобству расположения на них струйных и центробежных фор­сунок горючего и окислителя. Плоские головки в сочетании с цилиндрической камерой сгорания обеспечивают хорошую однородность поля скоростей и кон­центрацию компонентов топлива по поперечному сечению камеры.

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 ёмкостным охлаждением.

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, наносимых непосредственно 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-рующим покрытием, 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.