Подверженный во время работы воздействию высоких тепловых нагрузок элемент конструкции и способ егоизготовления - RU2289035C2

Чертежи

Показать все 14 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к подверженному во время работы воздействию высоких тепловых нагрузок элементу конструкции, который имеет образующую внутреннюю полость для прохода газа оболочку и состоит из первой части, состоящей из внутренней стенки, наружной стенки и по меньшей мере одного расположенного между стенками канала охлаждения, и второй части, которая соединена с концом внутренней стенки первой части. Изобретение относится также к способу изготовления такого элемента конструкции.

Во время работы подверженные воздействию высоких тепловых нагрузок элементы конструкции активно охлаждаются соответствующим охладителем, протекающим через имеющиеся в них каналы охлаждения. Нагретый в каналах охлаждения охладитель можно затем использовать в качестве сжигаемого в камере сгорания горючего вещества.

Элемент конструкции, о котором идет речь в приведенном ниже описании, предназначен для использования в качестве элемента конструкции ракетного реактивного двигателя. Такое применение предлагаемого в изобретении элемента конструкции следует рассматривать только как предпочтительное. Возможны и другие варианты его применения, в частности в качестве элемента конструкции любого другого реактивного двигателя или газовой турбины.

В ракетных реактивных двигателях предлагаемый в изобретении элемент конструкции образует часть камеры сгорания и/или сопла, в котором происходит расширение газообразных продуктов сгорания топлива. Камеру сгорания вместе с соплом обычно называют тяговой камерой.

По технологическим соображениям тяговую камеру, как правило, изготавливают из нескольких секций, которые соединяют друг с другом в направлении оси камеры. Настоящее изобретение может найти применение для соединения друг с другом соседних секций тяговой камеры. Изобретение может также найти применение для соединения тяговой камеры с другими элементами ракетного реактивного двигателя, например с коллектором.

Известные в настоящее время элементы ракетных реактивных двигателей, выполненные в виде тяговой камеры, состоят из нескольких секций, соединенных друг с другом в осевом направлении. Каждая секция имеет форму оболочки с внутренней стенкой, наружной стенкой, параллельной внутренней стенке, и расположенными между стенками каналами охлаждения. В окружном направлении оболочка имеет непрерывную форму и постоянное поперечное сечение. Примеры подобных решений камер ракетного двигателя известны из патентов US 6107596 (ближайший аналог изобретения), US 5765360 и US 4055044.

Соединяемые друг с другом внутренние стенки соседних секций тяговой камеры имеют длину, которая больше длины наружных стенок, и выступающие в осевом направлении с одной стороны секции концы. Выступающий конец внутренней стенки одной секции соединяют с выступающим концом внутренней стенки другой секции сваркой. После сварки внутренние стенки соседних секций образуют сплошную внутреннюю стенку тяговой камеры. Сварочный шов, соединяющий друг с другом концы внутренних стенок, снаружи закрывают кольцом, которое соединяют с концами наружных стенок соседних секций тяговой камеры. Таким способом каналы охлаждения одной секции соединяются с каналами охлаждения другой секции.

Выполненный таким образом элемент ракетного реактивного двигателя работает достаточно хорошо, что, однако, не исключает необходимости повышения срока его службы и увеличения количества рабочих циклов двигателя.

Одна из положенных в основу настоящего изобретения задач состояла в разработке подверженного во время работы воздействию тепловых нагрузок элемента конструкции, который отличается от известных в настоящее время элементов конструкции подобного типа повышенным сроком службы.

Эта задача решается с помощью предлагаемого в изобретении элемента конструкции, в котором место соединения секций расположено на некотором расстоянии от его внутренней стенки. Расположенное на расстоянии от внутренней стенки место соединения не испытывает непосредственного воздействия горячих газов, протекающих во время работы внутри элемента. Предлагаемое в изобретении расположение места соединения позволяет уменьшить по сравнению с известными элементами ракетного реактивного двигателя возникающие в нем во время работы двигателя тепловые напряжения.

В одном из предпочтительных вариантов внутренняя стенка одной части предлагаемого элемента конструкции имеет выступающий наружу конец и соединяется этим концом с внутренней стенкой другой части на некотором расстоянии от края внутренней стенки, за которым расположен ее выступающий наружу конец. При соответствующем расстоянии от края внутренней стенки до конца выступающего наружу участка место соединения внутренних стенок соседних частей можно расположить на таком расстоянии от внутренней полости элемента, при котором тепловые напряжения, возникающие в месте соединения секций во время работы двигателя, существенно уменьшаются. Кроме того, при соответствующих конструктивных решениях можно добиться того, чтобы место соединения секций предлагаемого в изобретении элемента конструкции имело температуру, близкую к температуре охладителя.

Расположенное на расстоянии от внутренней стенки место соединения исключает необходимость в использовании в месте соединения внутренней стенки с постоянным поперечным сечением. Более того, между двумя соседними секциями предлагаемого в изобретении элемента конструкции может оставаться небольшой зазор или узкая щель. Наличие такого зазора или щели позволяет уменьшить в месте соединения стенок возникающие в нем осевые тепловые напряжения. Кроме того, при наличии зазора осевые механические напряжения, возникающие в оболочке под действием внешних нагрузок, не передаются на ее внутреннюю стенку.

В разновидности этого варианта осуществления изобретения выступающий наружу конец внутренней стенки первой секции расположен по существу перпендикулярно остальной примыкающей к нему части внутренней стенки. Такая форма конца внутренней стенки очень удобна для соединения секций предлагаемого в изобретении элемента конструкции в направлении его продольной оси.

В другом предпочтительном варианте конец наружной стенки секции находится на некотором в направлении оси элемента расстоянии от выступающего наружу конца ее внутренней стенки и между наружной стенкой и концом внутренней стенки остается зазор, образующий канал для прохода попадающего в него из канала охлаждения охладителя. Такое решение обеспечивает простое и надежное прохождение охладителя из одной секции предлагаемого в изобретении элемента конструкции в его другую секцию.

В предлагаемой в изобретении разновидности этого варианта наружная стенка соединена с концом внутренней стенки и имеет по меньшей мере одно расположенное рядом с краем внутренней стенки отверстие, образующее канал для прохода попадающего в него из канала охлаждения охладителя. Соединение наружной и внутренней стенок увеличивает радиальную несущую способность секции и позволяет увеличить рабочее давление предлагаемого в изобретении элемента конструкции.

В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения первая и вторая части предлагаемого в нем элемента конструкции представляют собой две соседние в осевом направлении секции элемента ракетного реактивного двигателя. Обе эти секции являются непрерывными и имеют постоянное поперечное сечение в направлении окружности элемента.

Еще одна задача настоящего изобретения состояла в разработке рентабельного и эффективного способа изготовления элемента ракетного реактивного двигателя, отличающегося от аналогичных элементов, известных в настоящее время, большим сроком службы.

Эта задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа, представленного в п.15 формулы изобретения.

Другие преимущества предлагаемого в изобретении элемента ракетного реактивного двигателя и способа его изготовления рассмотрены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения и в приведенном ниже описании.

Ниже изобретение рассмотрено на примере нескольких вариантов его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - аксонометрическая проекция с местным вырывом тяговой камеры ракетного реактивного двигателя с предлагаемым в изобретении элементом,

на фиг.2 - аксонометрическая проекция с местным вырезом одной из секций ракетного реактивного двигателя, выполненной в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения,

на фиг.3 - поперечный разрез выполненного по первому варианту места соединения двух соседних секций предлагаемого в изобретении элемента двигателя,

на фиг.4 - аксонометрическая проекция схематично показанной в разрезе секции ракетного реактивного двигателя, изображенной на фиг.2 и 3,

на фиг.5 - вид сбоку в поперечном разрезе показанной на фиг.4 секции ракетного реактивного двигателя, иллюстрирующий один из технологических этапов процесса ее изготовления,

на фиг.6-8 - аналогичные фиг.3-5 изображения, иллюстрирующие второй вариант осуществления изобретения,

на фиг.9-10 - аналогичные фиг.3-4 изображения, иллюстрирующие третий вариант осуществления изобретения,

на фиг.11-12 - аналогичные фиг.3-4 изображения, иллюстрирующие четвертый вариант осуществления изобретения,

на фиг.13 - аналогичное фиг.3 изображение, иллюстрирующее пятый вариант осуществления изобретения,

на фиг.14 - аксонометрическая проекция с местным вырезом шестого варианта осуществления изобретения, в котором показанная на фиг.2 секция соединена с коллектором тяговой камеры ракетного реактивного двигателя, и

на фиг.15 - иллюстрирующий шестой вариант осуществления изобретения поперечный разрез места соединения коллектора с показанной на фиг.14 секцией тяговой камеры двигателя.

Показанный на фиг.1 элемент 1 представляет собой тяговую камеру ракетного реактивного двигателя. Стенка тяговой камеры выполнена в виде осесимметричной оболочки и имеет горловину 2. С одной стороны горловины расположена камера сгорания 3, а с другой - расширяющееся выхлопное сопло 4, которое является продолжением отделенной от него горловиной камеры сгорания. Тяговая камера 1 состоит из трех частей, выполненных в виде первой, второй и третьей секций, которые соединены друг с другом в направлении продольной оси камеры. Каждая секция 5-7 тяговой камеры в окружном направлении имеет непрерывную форму и постоянное поперечное сечение.

Все секции оболочки тяговой камеры имеют внутреннюю стенку 8 и расположенную от нее на некотором в радиальном направлении расстоянии наружную стенку 9.

Между внутренней и наружной стенками 8, 9 расположено множество перегородок 10, проходящих от входного конца первой секции до ее выходного конца и образующих стенки идущих в направлении продольной оси тяговой камеры каналов 11 охлаждения. Таким образом, перегородки 10 отделяют друг от друга соседние каналы 11 охлаждения.

Первый вариант выполнения предлагаемого в изобретении элемента ракетного реактивного двигателя показан на фиг.2-5. На фиг.2 показан элемент 105 первой секции 5 тяговой камеры двигателя. Этот элемент 105 имеет форму оболочки с постоянным в окружном направлении поперечным сечением. Элемент 105 состоит из внутренней стенки 8а и вытянутых в направлении продольной оси секции перегородок 10, которые в окружном направлении расположены с отступом друг от друга. Один из концов 12 внутренней стенки выполнен в виде фланца, вытянутого в радиальном направлении наружу от внутренней полости элемента 105. Внутренняя стенка 8а имеет край 13, за которым начинается вытянутый в радиальном направлении наружу конец 12 стенки. Этот конец 12 внутренней стенки 8а расположен по существу перпендикулярно к примыкающей к нему остальной части 14 стенки.

Расположенные между продольными перегородками 10 канавки образуют каналы охлаждения. Изготовить на внутренней стенке продольные перегородки и придать каналам охлаждения требуемую форму можно путем механической обработки, например фрезерованием соответствующей заготовки. Внутреннюю стенку и каналы охлаждения элемента 105 закрывают наружной стенкой 9, которую соединяют с продольными перегородками внутренней стенки, например, сваркой, с получением готовой полой оболочки или корпуса расширяющегося выхлопного сопла тяговой камеры.

На фиг.3 показано место соединения первой и второй секций 5 и 6 тяговой камеры. Внутренняя стенка 8а первой секции 5 проходит параллельно наружной стенке 9а и имеет выступающий наружу на некотором расстоянии от конца наружной стенки 9а конец 12. Вторая секция 6 тяговой камеры также имеет внутреннюю стенку 8b с вытянутым в радиальном направлении наружу от внутренней полости элемента секции концом 15. Внутренняя стенка 8b имеет край 16, за которым начинается вытянутый в радиальном направлении наружу конец 15 стенки. Этот выступающий в радиальном направлении наружу конец 15 внутренней стенки 8b расположен по существу перпендикулярно примыкающей к нему остальной части 17 стенки. Концы 12, 15 внутренних стенок двух секций 5, 6 соединяют друг с другом сварным швом 18 на некотором расстоянии от внутренней полости секций.

Показанные на фиг.3 наружные стенки секций обозначены позициями 9а, 9b. Каждая наружная стенка 9а, 9b заканчивается на некотором расстоянии от выступающего в осевом направлении конца 12, 15 соответствующей внутренней стенки. Зазоры между наружной стенкой 9а, 9b и концом 12, 15 внутренней стенки образуют соединенные друг с другом радиальные каналы для прохода охладителя из одной секции в другую.

Концы 19 наружных стенок 9а, 9b имеют утолщения, увеличивающие их прочность. Кроме того, место 18 соединения внутренних стенок соседних секций снаружи закрыто кольцом 20, которое перекрывает зазор между наружными стенками 9а, 9b секций. Образующаяся внутри кольца 20 полость 24 сообщается с каналами охлаждения первой и второй секций 5, 6. Вместе с упомянутыми выше радиальными каналами эта полость образует канал для прохода потока 21 охладителя из каналов охлаждения второй секции 6 в каналы охлаждения первой секции 5. Кольцо 20 предпочтительно соединяют с наружными стенками 9а, 9b сваркой.

На фиг.4 в аксонометрической проекции и частично в разрезе схематично показана вторая секция 6, показанная на фиг.3. Для упрощения секция на этом чертеже изображена не криволинейной формы, а плоской. Края продольных перегородок 10 проходят под углом от края 21 наружной стенки 9b до края 16 внутренней стенки 8b. Следует отметить, что в месте соединения и вторая секция 6, и первая секция 5 имеют фактически одну и ту же конструкцию.

На фиг.5 показана секция 6 на одном из этапов технологического процесса ее изготовления. В предварительно изготовленной секции внутренняя стенка 8b, расположенная параллельно наружной стенке 9b, имеет бóльшую длину, чем наружная стенка, и выступающий на некоторое расстояние от края 21 наружной стенки конец. Этот выступающий наружу конец внутренней стенки 8b сгибают в направлении края 21 наружной стенки с получением выступающего наружу в радиальном направлении конца 16 внутренней стенки. Отогнутый конец внутренней стенки 8b обозначен позицией 15 и изображен на чертеже в вертикальном положении пунктирными линиями.

На фиг.6-8 показан второй вариант осуществления изобретения. Этот вариант отличается от первого варианта наличием продольных перегородок 10с на конце 15 внутренней стенки 8с. При изготовлении имеющей такую конструкцию секции сначала изготавливают деталь 106, у которой продольные перегородки проходят по всей длине внутренней стенки. Затем рядом с краем 21 наружной стенки в продольных перегородках выполняют постепенно сужающиеся к основанию вырезы 22, позволяющие согнуть конец внутренней стенки 8с. Выступающий наружу конец 15 внутренней стенки отгибают в направлении края наружной стенки 9с, используя в качестве упоров концы выполненных в оболочке между ее внутренней и наружной стенками продольных перегородок, отделяющих друг от друга соседние каналы охлаждения и заканчивающихся по существу в том месте, где заканчивается наружная стенка оболочки.

На фиг.9-10 показан третий вариант осуществления изобретения. Этот вариант отличается от первого варианта тем, что наружная стенка 9d секции доходит до отогнутого выступающего наружу конца 15 внутренней стенки 8d. Кроме того, в этом варианте наружная стенка 9b соединена, предпочтительно сваркой, с концом 15 внутренней стенки. В этом варианте выполняют две сварочные операции - одну при соединении концов 12, 15 внутренних стенок соединяемых секций и образовании первого сварного соединения 18, а вторую при соединении наружных стенок 9d с выступающими концами внутренних стенок и образовании второго сварного соединения 180. В этом варианте, кроме того, в наружной стенке 9d рядом с концом 15 внутренней стенки 8d выполняют расположенные на расстоянии друг от друга сквозные отверстия 23. Эти отверстия 23 образуют сообщающиеся с каналами охлаждения радиальные каналы для прохода охладителя из одной секции в другую.

На фиг.11-12 показан четвертый вариант осуществления изобретения. Этот вариант отличается от первого варианта тем, что все перегородки 10е не имеют срезанных под углом краев и по всей своей высоте прилегают к радиально выступающему наружу концу 15 внутренней стенки. В этом варианте продольные перегородки выполнены за одно целое с внутренней стенкой 8d и проходят по всей длине до самого конца 15 внутренней стенки 8d.

Предлагаемую в четвертом варианте осуществления изобретения оболочку с внутренними продольными перегородками изготавливают механической обработкой, предпочтительно фрезерованием, из листового металла с плоским краем 26, формируя в ней, в частности, фрезерованием множество вытянутых в длину, по существу параллельных прямых каналов 210, боковые стенки которых расположены перпендикулярно плоскости листа. Эти каналы 210 не доходят до края листа, и остающаяся необработанной часть листа образует упомянутый выше конец 15 внутренней стенки.

В рассмотренных выше вариантах первая и вторая части, или секции, элемента конструкции могут соединяться с внешней стороны первой части (секции).

На фиг.13 показан пятый вариант осуществления изобретения. Этот вариант отличается от первого варианта тем, что внутренние стенки 8е, 8f двух соединяемых секций изготовлены из разных материалов. Внутренняя стенка 8е первой секции изготовлена, например, из нержавеющей стали или жаропрочного сплава на основе никеля, а внутренняя стенка 8f второй секции изготовлена из меди. Продольные перегородки второй секции выполнены за одно целое с внутренней стенкой 8f и поэтому изготовлены из такого же материала, что и сама внутренняя стенка. Наружная стенка 9f второй секции изготовлена не из меди и соединяется с перегородками слоем припоя 27. Первое соединение 18', которым в этом варианте соединены друг с другом концы внутренних стенок 8е, 8f, также выполнено пайкой, а второе соединение 180' - сваркой.

На фиг.14-15 показан шестой вариант осуществления изобретения. В этом варианте первая секция 5 ракетного реактивного двигателя соединена с его второй частью 28, которая выполнена в виде канала для прохода охладителя. Обычно такой канал 28 называют коллектором. Коллектор 28 охватывает снаружи конец первой секции, и через него проходит охладитель, циркулирующий по каналам охлаждения. Такой коллектор называют также проточным коллектором. Направление потока охладителя показано на фиг.15 стрелками 31.

В поперечном сечении коллектор 28 имеет U-образную форму и соединяется одной своей стороной 29 с выступающим концом 12 внутренней стенки 8, а другой стороной 30 - с концом наружной стенки 9.

Для изготовления описанных выше секций предпочтительно использовать такие материалы, как нержавеющая сталь, сплавы с высоким содержанием железа и никеля и жаропрочные сплавы на основе никеля.

Первая часть предлагаемого в изобретении элемента конструкции, выполненная в виде секции 5 ракетного реактивного двигателя, имеет криволинейную форму и расположенную на вогнутой стороне внутреннюю стенку, а также расположенную на выпуклой стороне наружную стенку.

Изобретение не ограничено рассмотренными выше вариантами и не исключает возможности внесения в них различных изменений и усовершенствований, не выходящих за объем изобретения, определяемый его формулой. Так, например, продольные перегородки можно выполнить отдельно от внутренних стенок в виде пластин, соединенных с внутренней стенкой. Вместо множества отверстий 23, выполненных на расстоянии друг от друга в наружной стенке 9d рядом с концом 15 внутренней стенки, в верхней стенке можно выполнить только одно расположенное рядом с концом 15 отверстие, имеющее форму узкой прорези, вытянутой в направлении окружности секции.

Две описанные выше операции, связанные с образованием соединений 18, 180 и 18', 180', можно заменить одной операцией, предпочтительно сваркой, соединив друг с другом в одном месте и внутренние, и наружные стенки секций.

В рассмотренных выше вариантах осуществления изобретения первая часть предлагаемого в нем элемента конструкции имела круглое по форме поперечное сечение. В этой связи необходимо отметить, что изобретение можно также использовать, и для соединения деталей с поперечным сечением другой криволинейной формы, и, в частности, для соединения деталей, у которых форма поперечного сечения в окружном направлении не является непрерывной. Изобретение можно также использовать и для соединения деталей, имеющих по существу плоское поперечное сечение. Одну из секций предлагаемого в изобретении элемента конструкции можно изготовить из множества отдельных пластин, соединенных друг с другом в окружном направлении секции. Изготовленная таким образом секция в поперечном сечении будет иметь многоугольную форму.

Реферат

Изобретение относится к ракетной технике. Элемент (1) конструкции имеет оболочку, образующую внутреннюю полость для прохода газа, и образован по меньшей мере первой частью (5), состоящей из внутренней стенки (8), наружной стенки (9) и по меньшей мере одного расположенного между стенками канала (11) охлаждения. Конец (12) внутренней стенки первой части элемента соединяется со второй частью (6) элемента. Место (18) соединения расположено на некотором расстоянии от внутренней полости элемента. В изобретении предлагается также способ изготовления такого элемента конструкции. Изобретение обеспечивает повышенный срок службы элементов конструкции, а также рентабельный и эффективный способ изготовления элементов ракетного реактивного двигателя. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 15 ил.

Формула