ГИБКИЙ ШАРНИР

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована при изготовлении подвижных соединений, к которым предъявляется требование повышенной теплостойкости.
Известно поворотное сопло (патент Франции №2408037), содержащее неподвижную часть, установленную на ней на эластичном (гибком) опорном шарнире поворотную часть, перегородку, выполненную на неподвижной части с зазором относительно поворотной части, теплозащитный элемент, выполненный в виде мембраны из резиновой смеси и изолирующий эластичный опорный шарнир от камеры сгорания.
Недостаток данной конструкции состоит в том, что мембрана из резиновой смеси дает заметную добавку к шарнирному моменту эластичного шарнира, так как при отклонении сопло испытывает значительные деформации растяжения-сжатия и трение о боковую поверхность шарнира, которое тем выше, чем выше давление внутри корпуса РДТТ. Также недостатком данной конструкции является сложность крепления мембраны к неподвижной и подвижной частям поворотного сопла.
Известно поворотное сопло ракетного двигателя (патент РФ №2403427), содержащее неподвижную часть, установленную на ней на эластичном шарнире поворотную часть, перегородку, выполненную на неподвижной части с зазором относительно поворотной части, теплозащитный элемент, выполненный в виде эластичного кольца, образованного спиральной намоткой теплостойкого материала, например, на резиновый шнур, и установленного с возможностью перекатывания в углублениях, выполненных в перегородке и поворотной части сопла.
Недостаток данной конструкции состоит в том, что применение эластичного теплозащитного кольца требует введения перегородки на неподвижной части и обеспечения определенных мест на перегородке и подвижной части под углубления для перекатывания кольца, что увеличивает габариты шарнирного узла и уменьшает свободный объем камеры сгорания. Поскольку зоны углублений должны быть защищены от перегрева и для обеспечения условий перекатывания кольца без проскальзывания должны иметь сферические поверхности с центром, совпадающим с центром поворота сопла, то при больших габаритах не всегда возможно обеспечить идеальные условия для функционирования кольца, а следовательно, избежать добавки к шарнирному моменту. Кроме этого, при перекатывании кольца его сечения поворачиваются на разные углы (тем большие, чем ближе сечение к плоскости отклонения поворотной части), что приводит к деформациям кручения линии кольца и, следовательно, к еще одной добавке к шарнирному моменту. Также необходимо учитывать, что вследствие погрешностей изготовления гибкие шарниры при отклонении не обеспечивают стабильного положения центра поворота, из-за чего зазор между поверхностями в углублениях для перекатывания кольца не будет равномерным. Неравномерность зазора может привести к нерасчетному сдвигу кольца в зазоре при отклонениях гибкого шарнира, появлению трения, увеличивающего шарнирный момент, и снижению теплозащитных свойств кольца. Вероятность нерасчетного сдвига кольца увеличивается для крупногабаритных РДТТ и в момент резкого роста давления при запуске двигателя.
Известен гибкий опорный шарнир (патент РФ №2540356) содержащий чередующиеся между собой слои эластомера (резины) и армирующие тарели, установленные между опорными элементами (опорными кольцами), причем армирующие тарели выполнены из композиционного материала, армированного углеродной тканью, при этом поверхностный слой углеродной ткани наполнен электроосажденной медью.
Недостаток данной конструкции состоит в том, что боковые поверхности гибкого шарнира имеют резиновое покрытие, составляющее единый резиновый массив с резиновыми слоями между тарелями. При отклонении шарнира эти резиновые покрытия, деформируясь аналогично мембране, дают добавку к шарнирному моменту.
Известен гибкий опорный шарнир (патент США №2008/0309023, прототип), содержащий чередующиеся между собой слои резины и тарели, установленные между опорными кольцами, систему теплозащиты в виде теплозащитных опорных колец, между которыми чередуются теплозащитные тарели и дисковые или кольцевые податливые прокладки, причем тарели и прокладки могут быть жестко скреплены или просто контактировать между собой.
Первый недостаток данной конструкции состоит в том, что заметно увеличивается масса шарнирного узла за счет деталей теплозащиты. Это особенно заметно, если сам гибкий шарнир имеет опорные кольца и тарели из композиционного материала. Кроме этого, детали теплозащиты по сложности не уступают деталям самого гибкого шарнира, что на практике приведет к удвоению технологической оснастки и трудоемкости изготовления.
Второй недостаток носит конструктивный характер. Поскольку при запуске двигателя на податливых прокладках может возникнуть значительный перепад давления, выталкивающий их в зазор между боковой поверхностью гибкого шарнира и системой теплозащиты, то податливые прокладки должны быть жестко скреплены хотя бы с одной из двух тарелей, которые они разделяют. При отклонении это приведет либо к трению о поверхность другой тарели, либо к деформированию прокладки (при жестком креплении к двум тарелям), а следовательно, даст добавку к шарнирному моменту.
Задачей данной полезной модели является обеспечение тепловой защиты гибкого шарнира с минимальным увеличением шарнирного момента и массы шарнира.
Технический результат заключается в исключении добавок к шарнирному моменту от элементов теплозащиты, за счет изменения конструкции гибкого шарнира из композиционного материала.
Технический результат достигается тем, что в гибком шарнире, содержащем опорные кольца из композиционного материала, расположенные между ними чередующиеся резиновые слои и выполненные из композиционного материала тарели, боковые поверхности резиновых слоев утоплены относительно кромок тарелей и опорных колец и образуют кольцевые зазоры, в которые вставлены резиновые кольца с навитой на них углеродной тканью.
Кромкам тарелей и опорных колец из композита, выступающим за боковую поверхность резиновых слоев, дополнительная теплозащита не требуется вследствие достаточно высоких теплозащитных и эрозионностойких свойств многих композиционных материалов. Так, например, углепластики имеют коэффициент теплопроводности в 20-30 раз ниже, чем высокопрочные легированные стали, и, как известно, широко применяются в теплозащитных деталях РДТТ. Минимально необходимая глубина зазоров между кромками тарелей и опорных колец определяется интенсивностью и длительностью теплового потока, а также теплофизическими свойствами композита. Следует отметить, что стальные кромки тарелей защитить от перегрева практически невозможно из-за высокой теплопроводности металлов.
При глубине зазоров 15-25 мм кромки тарелей с вставленными между ними резиновыми кольцами с навитой на них углеродной тканью образуют у боковой поверхности шарнира застойную зону с достаточно низким коэффициентом теплопередачи. Навитая на резиновые кольца углеродная ткань снижает коэффициент теплопередачи на резину и, являясь газопроницаемой, исключает плотное прижатие резиновых колец к боковым поверхностям резиновых слоев, что важно с точки зрения влияния на шарнирный момент.
При отклонении шарнира смещение любых двух соседних тарелей друг относительно друга не превышает обычно 1,5-2,0 толщин резинового слоя и практически не зависит от погрешностей изготовления, поэтому резиновые кольца с навитой на них углеродной тканью испытывают небольшие деформации формоизменения тканевой части своего поперечного сечения, энергоемкость которых несопоставимо мала по сравнению с энергоемкостью отклонения шарнира и, следовательно, практически не увеличивается шарнирный момент.
На фигуре показано сечение гибкого шарнира поворотной части сопла РДТТ плоскостью, проходящей через ось сопла. Гибкий шарнир состоит из: тарелей 1, резиновых слоев 2, резиновых колец 3 с навитой на них углеродной тканью, опорных колец 4.
Одно из опорных колец 4 соединяется с неподвижной частью сопла, другое - с его поворотной частью (на фиг. не показаны). За счет податливости резиновых слоев 2 под действием усилий рулевого привода происходит поворот газового тракта сопла (на фиг. не показан) относительно общего центра сферических поверхностей тарелей 1 и опорных колец 4 гибкого шарнира. Боковая поверхность шарнира, обращенная внутрь корпуса РДТТ, подвержена воздействию интенсивного теплового потока, для защиты от которого у боковой поверхности шарнира создается застойная зона за счет зазоров между кромками тарелей 1 с установленными в них резиновыми кольцами 3 с навитой на них углеродной тканью.
Такое техническое решение позволяет обеспечить тепловую защиту гибкого шарнира с минимальным увеличением шарнирного момента. При этом масса шарнира по сравнению с резинометаллическим вариантом и прототипом снижается.