КОРПУСНОЙ ЗАМОК ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ОХЛАЖДАЕМОЙ И НЕОХЛАЖДАЕМОЙ СЕКЦИЙ СОПЛА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к энергетике, в частности, к соединительным средствам объемных блоков и может быть использована в конструкциях камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с неохлаждаемой секцией сопла, выполненной из композиционного материала (стекло- или углепластика).
В корпусах камер ЖРД, как правило, применяются неразъемные сварные соединения. Такие же соединения применяются в конструкциях камер с неохлаждаемым металлическим соплом. В настоящее время ведутся проектно-исследовательские работы по созданию неохлаждаемых сопел или их секций из неметаллических материалов из угле- и стеклопластиков. В таких конструкциях, в которых должно существовать падежное соединение деталей из таких разнородных материалов как стали и сплавы, с одной стороны (охлаждаемая секция корпуса камеры) и композиционный материал (неохлаждаемая секция), с другой стороны - применение сварки невозможно. Необходимы разъемные соединения (PC).
Известно фланцевое соединение неохлаждаемого соплового насадка, выполненного из углерод-углеродно-керамических композиционных материалов (УУКМ), содержащее соединяемые элементы с ввертными болтами и с поясковыми уплотнительными прокладками (см., например, Баженов А.А., Забегаев Н.И., Сазонов В.Г., Санников В.М. Подход к отработке прочности сопловых насадков ЖРД. Доклады научно-технической конференции «НПО Энер-гомаш им. академика В.П.Глушко», ч.2, г.Химки, 2001, с.51-60).
Однако такое соединение не обеспечивает тепловую и эрозионную защиту соединяемых элементов конструкции, при этом применение такого соединения невозможно в условиях повышенных и высоких температур газовой рабочей среды.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа корпусной замок для соединения охлаждаемой и неохлаждаемой секций сопла жидкостного ракетного двигателя, содержащий профилированную опорную поверхность охлаждаемой секции для соединения с профилированным фланцем выходной части регенеративно охлаждаемого сопла, профилированный уплотни-тельный элемент, размещенный между охлаждаемой и пеохлаждаемой секциями, и крепежные болты, соединяющие опорные поверхности узла крепления охлаждаемой и неохлаждаемой секции между собой (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2345240, кл. F02К 9/97, опубл. 27.01.2009).
Указанное устройство также не обеспечивает тепловую и эрозионную защиту неметаллического насадка сопла и работоспособность соединения в течение относительно длительного времени.
Технический результат от использования заключается в расширении технических возможностей за счет обеспечения необходимой герметичности разъемного соединения, защиты от воздействия высоких тепловых потоков со стороны газовой среды и защиты деталей соединения от эрозионного разрушения.
Указанный технический результат достигается тем, что корпусной замок для соединения охлаждаемой и неохлаждаемой секций сопла жидкостного ракетного двигателя, содержащий профилированный фланец, профилированный уплотнительный элемент, размещенный между охлаждаемой и неохлаждаемой секциями, и крепежные болты, соединяющие опорные поверхности узла крепления охлаждаемой и неохлаждаемой секции между собой, снабжен контактными вкладышами для взаимодействия с профилированным уплотнительным элементом, размещенными в полости между охлаждаемой и неохлаждаемой секциями, при этом каждый вкладыш выполнен, по меньшей мере, с односторонним упорным шипом для взаимодействия с неохлаждаемой секцией, наружная стенка охлаждаемой секции выполнена с кольцевым буртом, имеющим охлаждающие отверстия для образования в охлаждаемом тракте двигателя вращающегося охладителя в виде жидкого кольца и истечения жидкой пленки, предохраняющей неохлаждаемую секцию от высокотемпературной эрозии.
Кроме этого, упорный шип выполнен конической формы.
На фиг.1 показан общий вид камеры сгорания двигателя с неохлаждаемой секцией длиной L, на фиг.2 - конструктивная схема корпусного замка со штифто-болтовым соединением для соединения охлаждаемой и неохлаждаемой секций сопла.
Внутренняя стенка 1 охлаждаемой секции сопла с продольными ребрами и двумя кольцевыми проточками 2, обеспечивающими движение охладителя в охлаждаемой секции, соединена с наружной стенкой при помощи пайки.
Наружная стенка имеет профилированный фланец 3, выполненный в виде кольцевого бурта, в котором размещен профилированный уплотни гельный элемент (уплотнительное кольцо), выполненный в виде газонаполненной стальной трубки 4. Контакт трубки 4 с неохлаждаемой секцией 5 осуществляется через стальные вкладыши 6. Соединение секций происходит при помощи кольца 7 крепежными деталями: ввертными болтами 8 и штифтами 9. Штифты 9 размещены в гнездах концевой части неохлаждаемой секции 5 и закрыты защитными пробками 10.
Резьбовые соединения болтов и штифтов фиксируются традиционными для общего машиностроения пластичными замками (не показаны).
Каждый стальной вкладыш 6 выполнен, по меньшей мере, с односторонним упорным шипом конической формы, который придает корпусному замку свойство статической неопределенности при нагружении и, тем самым, способствует повышению его изгибной жесткости, что исключает раскрытие стыка соединения.
В кольцевом бурте 3 наружной стенки охлаждаемой секции выполнены наклонные охлаждающие отверстия 11 и охлаждающие каналы 12, через которые охладитель перетекает в полость втулки 13 завесного охлаждения. Охлаждающие каналы 12 имеют больший диаметр, чем диаметр наклонных отверстий 11, и они выполнены в цилиндрической втулке 14 под углом 75-85° к оси камеры, что позволяет придать охладителю необходимую окружную скорость. Благодаря такой скорости охладитель формируется и накапливается в полости 15 в виде вращающегося жидкого кольца. Из полости 15 охладитель под действием давления в охлаждаемом тракте вытекает через торцевую щель на внутреннюю поверхность втулки 13 в виде жидкой пленки. Формирование жидкой пленки происходит благодаря центробежным силам, прижимающим жидкость к внутренней поверхности втулки 13. Сохранность пленки обеспечивается тем, что внутренняя поверхность втулки сдвинута на угол 5° относительно внутренней поверхности внутренней стенки 1 охлаждаемой секции сопла. Созданный при этом уступ исключает прямое воздействие газового потока на жидкую пленку до того сечения во втулке 13, в котором меридианы внутренних поверхностей двух стенок (охлаждаемой и неохлаждаемой) совпадут. Втулка 13 предохраняет неохлаждаемую секцию от высокотемпературной эрозии. При необходимости длина втулки 13 по оси сопла может быть увеличена.
Предлагаемая конструкция замка по своим механическим и техническим свойствам представляет собой корпусной замок, которых может применяться при воздействии высоких давлений и тепловых потоков. Поэтому такой замок может применяться не только для соединения секций закритической части сопла, но и секций камеры сгорания.
В предлагаемом корпусном замке (КЗ) реализуется четыре основные функции:
- соединение деталей из разнородных материалов;
- обеспечение необходимой герметичности;
- защита от воздействия высоких тепловых потоков со стороны газовой среды;
- защита деталей соединения от эрозионного разрушения.
При этом КЗ обладает благодаря форме соединяемых деталей следующими необходимыми свойствами: статической определимостью при сборке и статической неопределенностью при нагружении. Это достигается применением зуба или полки в деталях соединения. Последнее способствует существенному повышению несущей способности КЗ на рабочем режиме камеры. В качестве крепежных деталей в КЗ применяются штифты и ввертные болты, обеспечивающие штифто-болтовое соединение (ШБС).
Обеспечение герметичности осуществляется благодаря применению уплотнительной прокладки в виде стальной газонаполненной трубки. При воздействии теплового потока давление инертного газа, заполняющего трубку, возрастает согласно второму закону Гей-Люссака и, тем самым, компенсирует снижение жесткости нагреваемой стальной трубки. При этом контактное давление, обеспечивающее герметичность соединения, не только не снижается, но может возрастать.
Защита от воздействия высоких тепловых потоков со стороны газовой среды обеспечивается применением в соединении так называемого коллектора пленочного охлаждения в виде обеспечения истечения жидкой пленки, контактирующей с соплом и предохраняющей неохлаждаемую секцию от высокотемпературной эрозии.
Эрозионная защита деталей неохлаждаемой секции сопла обеспечивается применением эрозионно-стойкой втулки.
Каждая из названных четырех основных функций КЗ реализуется в PC, применяемых в ракетной и авиационной технике. Так, PC с болтами и штифтами в виде штифто-болтового соединения (ШБС) широко применяются в конструкциях ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ). Газонаполненные трубки как уплотнительные элементы известны в общем машиностроении и авиации. Коллекторы внутреннего (завесного) охлаждения широко применяются в конструкциях камер современных ЖРД. Эрозионно-стойкие облицовки из тугоплавких металлов и соответствующих композиционных материалов также широко применяются в конструкциях РДТТ.
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.
Соединение секций происходит при помощи кольца 7 крепежными деталями: ввертными болтами 8 и штифтами 9. Штифты 9 размещают в гнездах концевой части неохлаждаемой секции 5 и закрывают защитными пробками 10.
Резьбовые соединения болтов и штифтов фиксируются традиционными для общего машиностроения пластичными замками (не показаны).
Применение предложенного замка обеспечивает также существенное повышение несущей способности на рабочем режиме камеры, а также предохраняет детали замка от воздействия высоких тепловых потоков и высокотемпературной газовой эрозии и сохраняет необходимую плотность соединения при высоких температурах.