УЗЕЛ КАЧАНИЯ КАМЕРЫ ЖРД
LIQUID PROPELLANT ENGINE SWING ASSEMBLY

Изобретение относится к области ракетостроения, в частности к узлам качания камер ЖРД, может быть использовано в космической технике и авиации.
Узел качания камеры является составной частью двигателя, имеет сильфонные компенсаторы для герметизации полостей подвижных частей магистрали и рамочное или шаровое карданное устройство, позволяющее обеспечить поворот двигателя или камеры в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях при управлении вектором тяги и передать это усилие на корпус ракеты - носителя (РН).
По сведениям открытой печати, это решение применяется на значительном количестве двигателей.
Такие же устройства обнаружены при патентном исследовании - патент ФРГ №1153657 кл. 72D 19/01, патенты России №2444652 С2, МПК F16С 11/06, №2161263 С2, F02K 9/66.
Недостатком этих устройств является использование в магистралях большого диаметра (газовод, входные магистрали и т.д.) громоздких и дорогих уплотнительных средств, в частности сильфонных компенсаторов, которые увеличивают как поперечные, так и осевые размеры двигателя, особенно для двигателей больших тяг.
Попытка установки шарового карданного устройства на головке камеры внутри сильфона газового тракта сокращает количество применяемых сильфонов в двигателе, в том числе во входных магистралях. Однако это не решает проблемы уменьшения габаритов и массы, особенно двигателей больших тяг.
Из патента США №330288 известно, что поворотное сопло ракетного двигателя, принимаемого за аналог, соединено с остальной частью камеры подвижно с возможностью поворота сопла в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью рамочного кардана и уплотнено с помощью упругого элемента. Это решение может быть применено только для двигателей небольших тяг, с небольшой температурой и давлением продуктов сгорания. Для двигателей больших тяг применение этого решения является сложной конструктивной задачей, требующей проведения значительного объема проектно-конструкторских, исследовательских и экспериментальных работ.
Из патента №2160376 С2 МПК F02K 9/66 (России) известный узел качания камеры для магистрали с дожиганием генераторного газа (газовода) принят за прототип. Прототип содержит камеру, газовод, расположенное между ними герметизирующее уплотнительное устройство, имеющее сферический неподвижный корпус, подвижный стакан камеры с гнездом, в котором устанавливается уплотнительный элемент, выполненный из материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта, и поджатый к корпусу, например, пружиной, подвижные и неподвижные экраны, образующие центральный продольный канал, рамочный кардан, обеспечивающий возможность поворота камеры в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях относительно общего центра.
В узле качания силовая часть выполнена в виде рамочного кардана, а герметизация полостей при качании обеспечивается сильфонами или уплотнительными кольцами, поджимаемыми к сферической поверхности пружинами (прототип). Из анализа известной конструкций следует:
1. Увеличенная масса узла вызвана значительной толщиной несиловых стенок узла уплотнения при использовании в его полостях высокого давления и больших размеров уплотнительных элементов.
2. Использование силового рамочного кардана в силовой схеме двигателя, как менее жесткого элемента, в сочетании со сферическим уплотнительным узлом дополнительно увеличит габариты и массу.
3. Использование в прототипе типовых уплотнительных элементов (фторопластовые кольца гильзы, пружины и др.) при больших габаритах и малых сечениях усложняет технологию и повышает трудоемкость их изготовления.
4. Малые зазоры в уплотнительном соединении, предусмотренные нормативно-технической документацией, гарантируют герметичность соединения. Применение в конструкции узла уплотнительных элементов больших размеров сверх предусмотренных этой документацией из-за больших погрешностей изготовления приведет либо к увеличению этих зазоров и, следовательно, к разгерметизации полостей, либо к уменьшению их, что, в лучшем случае, приведет к несанкционированному трению.
5. Применение уплотнительных элементов в магистрали газогенераторного газа с избытком окислителя способствует возгоранию конструкции. В прототипе нет конструктивных мероприятий, препятствующих этому.
Следует отметить, что указанные недостатки усложняют создание двигателей больших тяг.
Задачей предлагаемого изобретения является создание недорогого, компактного узла качания камеры для двигателей больших тяг, с малой массой, небольшими габаритами, высоким уровнем герметичности, износостойкости и небольшим сопротивлением качанию, исключающего возможность возгорания конструкции.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. В известном узле качания камеры, расположенный между камерой и газоводом, включающий герметизирующее устройство, сферический неподвижный корпус, подвижный стакан, неподвижный и подвижный экраны, образующие центральный продольный канал, рамочный кардан, имеющий возможность качаться с камерой и герметизирующим устройством в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях относительно общего центра и газовода, согласно изобретению, герметизирующее устройство конструктивно совмещено с силовыми элементами и содержит силовой опорный вкладыш, жестко закрепленный на стакане и имеющий шаровую поверхность, эквидистантную сферической поверхности корпуса, покрытую материалом с низким коэффициентом трения и высоким уплотняющим свойством, например «Афталом». Кроме того, рамочный кардан имеет регулировочные прокладки, устанавливаемые между вилками кардана и сферическим корпусом для регулирования распределения осевого усилия на шаровом вкладыше и кардане. Неподвижный экран с входным участком газовода выполнен в виде конфузора, с минимальным диаметром на 25÷30% меньше входного диаметра и последующим переходом в диффузор, а подвижный экран выполнен в виде диффузора с каналами регенеративного охлаждения. Полный угол диффузоров составит 7,5÷8,5°.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется общим видом узла качания камеры ЖРД (фиг. 1 и 2), где:
1 - сферическая подвеска;
2 - кардан;
3 - входной участок газовода;
4 - неподвижный экран;
5 - подвижный экран;
6 - камера;
7 - опорный вкладыш;
8 - сферический корпус;
9 - регулировочные прокладки;
10 - стакан;
11 - конические уплотнительные прокладки;
12, 13 - каналы охлаждения;
14 - канал регенеративного охлаждения;
15 - дренажный вкладыш;
16 - манжета;
17 - пружина.
Сферический узел качания камеры состоит из сферической подвески 1 и кардана 2. Проточная часть подвески состоит из полости входного участка газовода 3, центрального канала неподвижного экрана 4, подвижного экрана 5 и полости камеры 6. Конфигурация центрального канала выполнена в виде конфузора с диффузором для неподвижного экрана и диффузора для подвижного экрана. Причем минимальное сечение конфузора должно быть на 25-30% меньше входного диаметра, а полный угол диффузоров составляет 7,5÷8,5°. Уменьшение диаметра канала конфузора более чем на 30% приведет к недопустимым гидравлическим потерям, а уменьшение менее 25% - к увеличению габаритов и массы узла. Уменьшение или увеличение полного узла диффузоров, сверх указанного диапазона, также увеличивает гидравлические потери. Это определяет минимальную поперечную зону установки и прокачки опорного вкладыша 7. Опорный вкладыш 7 имеет шаровую поверхность, покрытую «Афталом» с низким коэффициентом трения и высоким допустимым удельным давлением, поджат карданом к сферическому корпусу 8 с помощью регулировочных прокладок 9 и жестко закреплен на стакане 10.
На стакане 10 имеются цапфы для установки кардана 1. Сферический корпус 8 и стакан 10 соединены соответственно с входным участком газовода 3 и камерой 6 с помощью разъемных соединений и уплотненных металлическими кольцами 11 конической формы. Эти кольца 11 охлаждаются жидким компонентом - горючим, протекающим по каналам 12, 13 и 14 экранов.
Для организации отвода утечек на стакане 10 установлен дренажный вкладыш 15. В нем и опорном вкладыше 7 установлены стандартные уплотнения - манжеты 16, состоящие из фторопластовой манжеты и резинового кольца - эластомера. Поджатие дренажного вкладыша 15 к сферической поверхности корпуса 8 обеспечивается прорезной пружиной 17.
Кардан 2 устанавливается на цапфы стакана 10 и крепится к сферическому корпусу 8 с помощью регулировочных прокладок 9, обеспечивая совмещение центра сферы корпуса 8 с центром качания кардана.
Узел качания камеры двигателя работает следующим образом. Газ через входной участок газовода 3 по центральному каналу подвески 1 поступает в камеру 6, где создается усилие тяги, которое передается на сферический корпус. Это усилие в сочетании с обратным усилием от давления в полости опорного вкладыша 7 создает результирующее осевое усилие по контактной линии шаровой и сферической поверхностей опорного вкладыша 7 и сферического корпуса 8. Одновременно на эти поверхности воздействует разгрузочное усилие от упругости кардана 2, возникающее при регулировании усилия поджатия с помощью регулировочных прокладок 9. Эти усилия в шаровой опоре 7 и кардане 2 определяют момент трения узла качания. Для получения минимальной массы кардана при допустимом моменте трения усилие в кардане составляет ~13% от усилия на шаровой опоре.
Поворот камеры 6 совместно со стаканом 10, опорным и дренажным вкладышами 7, 15 и карданом 2 обеспечивается вокруг общего центра, лежащего на продолжении оси камеры, в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях двумя рулевыми приводами. При этом опорный и дренажный вкладыши 7 и 15 перемещаются по сферической поверхности без потери герметичности.
Техническими результатами внедрения предлагаемого изобретения являются:
1. Исключение типовых уплотнительных элементов (фторопластовые кольца, гильзы, пружины и др.), а также замена деталей с большими габаритами и значительной толщиной стенки на силовые за счет совмещения силовых элементов с уплотнительными приводят к упрощению конструкции, ее компактности, снижению массы, габаритов и трудоемкости изготовления.
2. В подвижных уплотняемых соединениях повышение уровня герметичности обеспечивается за счет использования повышенного контактного давления, а износостойкости (ресурса) - за счет применения покрытия «Афтал». При этом в целях исключения зазоров и неравномерного прилегания контактная поверхность «Афтала» притирается к сферической поверхности корпуса на стадии изготовления. Это, а также толщина покрытия 1÷1,5 мм исключают несанкционированное трение в соединении при больших нагрузках и размерах узла. Герметичность узла, покрытого «Афталом», подтверждена экспериментальными работами на полномасштабной модели двигателя 14Д12, а износостойкость (ресурс) - наземными и летными испытаниями двигателя 11Д122.
Уменьшение габаритов узла на 28% и размещение в этой зоне опорного вкладыша определяется конфигурацией проточной части, выполненной в виде конфузора и диффузоров, при низких гидравлических потерях, допустимых в ЖРД.
3. Снижение трудоемкости наиболее эффективно при наземной отработке узла, так как заданные параметры - степень герметичности, износостойкости и момента сопротивления качанию - могут быть получены на изготовленном узле за счет перераспределения усилий на кардане и опорном вкладыше с помощью регулировочных прокладок. Это снизит количество матчасти для отработки и затраты на ее изготовление.
4. Уменьшить моменты сопротивления качанию, несмотря на большие осевые нагрузки и размеры узла, в предполагаемой конструкции возможно за счет разгрузки опорного вкладыша при работе на величину незадействованного усилия кардана, используемого при выключении двигателя.
5. Исключение возгорания узла в предлагаемом изобретении обеспечивается следующими конструктивными мероприятиями:
- применение термостойких конструктивных материалов и покрытия, например «Афтала», толщиной 1-1,5 мм, исключающей несанкционированное трение;
- применение регенеративного охлаждения полости уплотнения и использование барьерной завесы охладителем, разделяющей проточную высокотемпературную полость от полости установки уплотнения;
- впрыск холодного охладителя в полость установки уплотнений;
- снижение контактного давления на опорном вкладыше за счет осевых сил давления и упругости кардана;
- уменьшение скоростей скольжения;
- использование узла в магистрали газогенераторного газа с избытком горючего («сладкие» схемы двигателей).
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет не только создать узел с улучшенными характеристиками, но и получить его с новым качеством - возможностью изменять величину осевого усилия и перераспределять его между карданом и опорным вкладышем и, следовательно, получить заданные характеристики на изготовленном узле. Это позволяет провести отработку и доводку на малом количестве используемой матчасти и готовых узлов, что снизит трудоемкость и затраты.