ГАЗОВОД ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДОЖИГАНИЕМ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА.

Газовод жидкостного ракетного двигателя с дожиганием генераторного газа
Полезная модель относится к области ракетного двигателестроения и, в частности, к газоводу жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с дожиганием генераторного газа, и предназначенному для подвода окислительного газа от выхлопного коллектора турбины к смесительной головке камеры двигателя.
Предшествующий уровень техники
Газовод ЖРД с дожиганием является одной из наиболее ответственных в прочностном отношении составных частей двигателя. При работе двигателя его корпус подвержен широкому спектру нагрузок: силами давления генераторного газа и термическими напряжениями (температура генераторного газа составляет Т≈550°С, давление внутри корпуса может достигать (20÷30)МПа). Кроме того, корпус газовода подвержен изгибающим моментам, возникающим в результате жесткого соединения его корпуса с коллектором турбины турбонасосного агрегата (ТНА). Все это создает проблему в обеспечении надежной работы газовода и двигателя в целом.
Надежное решение этих проблем достигается применением конструкционных материалов с большой жаропрочностью и усталостной прочностью, а также выполнением корпусов газовода с проточным охлаждением.
Эффективность работы проточного охлаждения газовода в значительной степени зависит от конструкции устройств, через которые осуществляется ввод охлаждающей жидкости в проточные каналы газовода. Задача этих устройств состоит в обеспечении заданных равных расходов во всех проточных каналах газовода.
Известен газовод ЖРД американского двигателя SSME (фирма Rocketdyne). Его корпус выполнен двустенным с охлаждающим трактом, по которому протекает водород. Внешняя оболочка газовода выполнена из жаропрочного никелевого сплава Инконеля 718, а внутренняя оболочка имеет сложную конструкцию, и выполнена в виде «слоеного пирога». В нее входит слой сетки из коррозионно-стойкой стали и слои из перфорированного листа: эти слои окружены со стороны охладителя листом выполненным из сплава Хайнес 188. Такое выполнение корпуса газовода позволило обеспечить необходимую жесткость и предотвратить усталостное разрушение из-за большого перепада температуры.
В этом газоводе не приведена конструкция узла подвода охладителя в проточные каналы газовода, поэтому определить эффективность ее работы не представляется возможным (кн. «Конструкция и проектирование ЖРД под общей ред. проф. Г.Г. Гахуна, М.: Маш., с. 351, рис. 14/1, 1989 г.).
Известно другое техническое решение - блок газоводов, предназначенный для подвода окислительного газа от выхлопного коллектора турбины к смесительным головкам четырех камер. В состав блока газовода входит выхлопной коллектор турбины, четыре проставки, четыре газовода с узлами качания. Каждый газовод (фиг. 1) включает в себя охлаждаемый корпус 1, состоящий из внутренний 2 и наружной 3 оболочек, соединенных между собой пайкой по вершинам ребер 4, выфрезерованных на наружной поверхности внутренней оболочки 2 с образованием каналов регенеративного охлаждения 5. Газовод соединен с выхлопным коллектором турбины ТНА двигателя через неохлаждаемую проставку 6. В указанной проставке выполнена кольцевая полость 7, которая с одной стороны соединена через радиальные отверстия 8 с каналами регенеративного охлаждения 5, а с другой стороны - со штуцером 9, через который осуществляется подвод охлаждающей жидкости в кольцевую полость. Штуцер 9 закреплен на кольцевой накладке 10, которая приварена к проставке 6. Соединения торцевых поверхностей неохлаждаемой проставки с корпусом 1 газовода осуществляется аргонодуговой сваркой - швы 12 и 13, через концевые участки неохлаждаемой проставки и концевые участки внутренних 2 и наружных 3 оболочек корпуса 1 газовода (см. НПО Энергомаш им. Академика В.П. Глушко «Техническое описание двигателя ЖРД РД-170» под ред. д.т.н., проф. Б.И. Каторгина, с. 50-51 1995 г.) Прототип.
Недостатки прототипа состоят в том, что при подводе охлаждающей жидкости в кольцевую полость проставки через один штуцер не обеспечивается равномерное давление по сечению, т.к. вблизи штуцера создается зона пониженного статического давления, в результате чего создаются условия для неравномерного расхода охлаждающей жидкости в каждый канал регенеративного охлаждения газовода. Это может быть причиной недопустимых концентраций термических напряжений в отдельных участках газовода.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в обеспечении подвода равного расхода охлаждающей жидкости в каждый канал регенеративного охлаждения газовода.
Эта задача решена за счет того, что в известном газоводе ЖРД с дожиганием генераторного газа, включающим в себя корпус, состоящий из внутренней и наружной оболочек, соединенных между собой пайкой по вершинам ребер, выфрезерованных на наружной поверхности внутренней оболочки с образованием каналов регенеративного охлаждения газовода, кроме того, газовод содержит неохлаждаемую проставку, соединенную с корпусом газовода через наружный и внутренний патрубки сваркой, при этом в проставке выполнена кольцевая полость, которая с одной стороны соединена через радиальные отверстия с каналами регенеративного охлаждения газовода, а с другой стороны - со штуцером, через который осуществляется подвод охлаждающей жидкости в кольцевую полость, при этом, в кольцевой полости неохлаждаемой проставки вдоль оси штуцера выполнено глухое отверстие, диаметр которого в 3-5 раз больше диаметра отверстия в штуцере, а глубина глухого отверстия составляет не более половины диаметра глухого отверстия. Другими отличиями являются:
- наружная оболочка корпуса газовода выполнена из стали марки ЭП810-ВД, внутренняя оболочка корпуса выполнена из жаропрочного никелевого сплава ХН78Т-ВД, а проставка - из стали ЭП-202.
- в качестве охлаждающей жидкости газовода использован штатный компонент топлива двигателя - жидкий кислород.
Технический результат состоит в том, что благодаря этим существенным отличиям обеспечивается надежная работа газовода при высоких температурах и высоких давлениях в высоко агрессивной среде, каковой является окислительный генераторный газ.
Краткий перечень чертежей
На фиг. 1 представлено продольное сечение газовода (прототип), на фиг. 2 представлено продольное сечение газовода (предлагаемого изобретения), на фиг. 3 представлено сечение А-А на фиг. 2.
Газовод (фиг. 1) включает в себя корпус 1, который состоит из внутренней 2 и наружной 3 оболочек. Соединение оболочек между собой осуществляется пайкой по вершинам ребер 4 (фиг. 2), выфрезерованными на наружной поверхности внутренней оболочки 2. Между ребрами 4 образованы каналы регенеративного охлаждения 5.
1
2
Между коллектором турбины ТНА (не показано) и корпусом газовода установлена кольцевая неохлаждаемая проставка 6. Внутри проставки 6 выполнена кольцевая полость 7, которая через радиальные отверстия 8 соединена с каналами регенеративного охлаждения 5. Подвод охлаждающей жидкости в кольцевую полость 7 осуществляется через штуцер 9. Указанный штуцер закреплен на накладке 10, приваренный к проставке 6. На внутренней цилиндрической поверхности кольцевой полости 7 вдоль оси щтуцера О′-О′ выполнено глухое отверстие 11. Диаметр D глухого отверстия в 3-5 раза больше внутреннего диаметра штуцера D, а его глубина h составляет не меньше половины внутреннего диаметра штуцера 9. Соединения торцевых поверхностей неохлаждаемой проставки с корпусом 1 газовода осуществляется аргонодуговой сваркой - швы 12 и 13, через концевые участки неохлаждаемой проставки и концевые участки внутренних 2 и наружных 3 оболочек корпуса 1 газовода. Выполнение глухого отверстия 11 в кольцевой полости 7 позволяет преобразовать динамический напор охлаждающей жидкости в статическое давление, что приводит к выравниванию статического давления жидкости во всему сечению кольцевой полости.
Все детали газовода и проставки выполнены металлическими, при этом наружная оболочка корпуса газовода выполнена из стали марки ЭП810-ВД, внутренняя оболочка корпуса газовода выполнена из жаропрочного никелевого сплава ХН78Т-ВД, а неохлаждаемая проставка выполнена из стали ЭП202.
В качестве охлаждающей жидкости используется штатный компонент двигателя - жидкий кислород.
Работа устройства.
При работе двигателя, окислительный газ высокой температуры и высокого давления с выхода турбины (не показано) поступает внутрь проставки, а из нее в газовод и далее поступает в смесительную головку камеры (не показано). Подвод охлаждающей жидкости (жидкого кислорода) из полости окислителя газогенератора (не показано) в каналы регенеративного охлаждения 5 осуществляется через штуцер 9. Далее поток жидкого кислорода с выхода из штуцера 9 попадает в глухое отверстие 11, в котором он разворачивается на 180° и заполняет кольцевую полость 7. В результате этого происходит преобразование динамического напора охлаждающей жидкости в статическое давление и происходит выравнивание давления по всему сечению кольцевой полости. После этого поток охлаждающей жидкости через радиальные отверстия 8 поступает с равным расходом в каналы регенеративного охлаждения 5. После охлаждения поверхностей газовода кислород сбрасывается в газовую полость перед смесительной головкой камеры (не показано).
Все детали газовода и проставки выполнены из металла, при этом наружная оболочка газовода выполнена из стали марки ЭП810-ВД, внутренняя оболочка корпуса выполнена из жаропрочного никелевого сплава ХН78Т-ВД, а проставка выполнена из стали ЭП202. В качестве охлаждающей жидкости используется штатный компонент двигателя - жидкий кислород.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить надежность работы газовода за счет улучшения качества его охлаждения и двигателя в целом.
Промышленное применение.
Предлагаемая полезная модель найдет применение в ракетной технике, и, в частности, в мощных многокамерных жидкостных ракетных двигателях с дожиганием генераторного газа.