Соединение между задней стенкой камеры сгорания исоплом ракетного двигателя - RU2330172C2
Код документа: RU2330172C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области твердотопливных ракетных двигателей и, более конкретно, к осуществлению соединения между задней стенкой камеры сгорания и соплом.
Уровень техники
Названное соединение содержит механическую конструкцию, расположенную, по меньшей мере, в осевом направлении между задней стенкой и соплом, и устройство уплотнения (прокладку) для предотвращения выхода газов сгорания через зоны сопряжения (стыки) между смежными поверхностями задней стенки и сопла.
Механическое соединение обычно осуществляют при помощи винтов. Такой метод соединения доказал свою практическую применимость, но требует выполнения длительных и трудоемких операций затягивания и контроля состояния винтов, число которых может быть крайне велико, доходя в некоторых случаях приблизительно до сотни. Уплотнение обычно осуществляют в виде, по меньшей мере, одной, а чаще двух кольцевых прокладок: первичной прокладки и вторичной прокладки, расположенных последовательно между соединяемыми поверхностями.
В патентном документе FR 1283721 раскрыто соединение между задней стенкой камеры сгорания и соплом твердотопливного ракетного двигателя, которое может быть выбрано в качестве аналога заявленного изобретения. Соединение содержит кольцевую уплотнительную прокладку, подобную упомянутым выше, расположенную в зоне сопряжения между указанными задней стенкой и соплом, как показано на фиг.5.
Уплотнительные прокладки традиционно изготавливают из эластомерного материала, не обладающего высокой и длительной устойчивостью к температурам газов сгорания, образующихся в камере. В зону сопряжения между соединяемыми элементами обычно дополнительно вводят тепловой барьер, расположенный между концом зоны сопряжения, находящимся с внутренней стороны камеры, и уплотнительными прокладками, с целью охлаждения газов сгорания, проникающих в зону сопряжения и способных контактировать с первичной прокладкой.
Согласно известным решениям тепловой барьер обычно образуется слоем смазочного материала. Однако было замечено, что в некоторых случаях такой слой смазочного материала может пропускать газы сгорания в достаточном количестве для того, чтобы они достигали первичной прокладки, имея еще чрезмерно высокую температуру.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении вышеописанного недостатка и в предложении более эффективного теплового барьера.
Для решения поставленной задачи предлагается соединение между задней стенкой камеры сгорания и соплом ракетного двигателя, содержащее средства механического соединения, связывающие сопло с задней стенкой, по меньшей мере, в осевом направлении, а также тепловой барьер и, по меньшей мере, одну уплотнительную прокладку, расположенные в зоне сопряжения, ограниченной расположенными одна напротив другой смежными поверхностями задней стенки и сопла.
При этом в соответствии с изобретением тепловой барьер содержит, по меньшей мере, один материал из жаропрочного волокна, образующий шнур, намотанный в зоне сопряжения вокруг продольной оси камеры, причем шнур (шнуры) обеспечивает (обеспечивают) непрерывность теплового барьера в направлении по окружности.
Использование шнура из жаропрочного волокна, например углеродного и/или керамического, позволяет придать тепловому барьеру высокую устойчивость к температурам газов сгорания.
Шнур или каждый из нескольких шнуров может иметь форму плетеного жгута или наложенных один на другой двумерных волокнистых слоев, например слоев ткани. Вид волокнистого материала (жгут или слои) и степень его сжатия в зоне сопряжения определяют проницаемость теплового барьера для газов. При этом время прохождения газами теплового барьера должно быть достаточно велико для того, чтобы обеспечить достаточное охлаждение этих газов в результате отбора волокнистым материалом тепла газов. Это тепло затем передается стенкам, между которыми зажат волокнистый материал.
В оптимальном варианте эффективность теплового барьера увеличивается благодаря расположению шнура или шнуров в той части зоны сопряжения, которая образует зигзагообразный заслон на пути газов сгорания, проникающих в зону сопряжения. Действительно, такая зигзагообразная форма удлиняет путь прохождения газов сгорания и предотвращает прямое воздействие излучения камеры сгорания на тепловой барьер.
Непрерывность теплового барьера в направлении по окружности может быть обеспечена различными способами. Так, в соответствии с одним из вариантов осуществления тепловой барьер содержит, по меньшей мере, два отдельных шнура, причем угловое положение концов одного из шнуров относительно оси камеры отличается от углового положения концов другого шнура. В соответствии с другим вариантом осуществления тепловой барьер содержит, по меньшей мере, один шнур, спирально намотанный более чем в один оборот по окружности зоны сопряжения. Также может быть предусмотрено использование одного или нескольких непрерывных замкнутых шнуров.
В предпочтительном варианте каждый из шнуров расположен между находящимися напротив друг друга поверхностями, ограничивающими зону сопряжения. Часть поверхности, сжимающая шнур, может быть расположена радиально или параллельно оси. Она также может иметь коническую форму.
В соответствии с одним из вариантов осуществления тепловой барьер расположен в зоне сопряжения задней стенки с соплом между его краем, находящимся с внутренней стороны камеры сгорания, и уплотнительной прокладкой или прокладками.
В соответствии с другим вариантом осуществления, в котором тепловой барьер представляет собой волокнистый материал, сжатый в зоне сопряжения, в частности в части зоны сопряжения, имеющей зигзагообразную форму, тепловой барьер может образовывать и уплотнительную прокладку.
Согласно другому аспекту изобретения средства механического соединения содержат, по меньшей мере, один осевой кольцевой запирающий элемент, частично удерживаемый в канавке, предусмотренной с внешней стороны задней стенки, в который упирается поверхность края сопла.
Такое средство механического соединения представляет собой значительное упрощение по сравнению с винтами, используемыми в известных решениях.
В соответствии с одним из вариантов осуществления осевой запирающий элемент представляет собой разрезное кольцо, установка и снятие которого могут быть осуществлены путем его упругого деформирования.
В соответствии с другим вариантом осуществления средства механического соединения содержат кольцо, состоящее из нескольких секторов, фиксируемых кольцевым зажимом.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи и не налагающего каких-либо ограничений. На чертежах:
- фиг.1 крайне упрощенно изображает в осевом разрезе заднюю часть ракетного двигателя;
- фиг.2 изображает в увеличенном масштабе первый вариант осуществления соединения по изобретению между задней стенкой камеры сгорания и соплом ракетного двигателя, например по фиг.1;
- фиг.3 подробно иллюстрирует пример намотки шнура, образующего тепловой барьер в соединении по фиг.2;
- фиг.4 и 5 подробно иллюстрируют два варианта осуществления шнура, образующего тепловой барьер в соединении по фиг.2;
- на фиг.6-9 представлены изображения, аналогичные фиг.2 и соответствующие различным вариантам осуществления теплового барьера;
- на фиг.10 приведено изображение, аналогичное фиг.6 и представляющее другой вариант осуществления соединения между задней стенкой и соплом.
Осуществление изобретения
Рассмотрим фиг.1, на которой в упрощенном виде изображена конструкция задней части твердотопливного ракетного двигателя.
Ракетный двигатель содержит камеру 10 сгорания, ограниченную оболочкой 12, которая заканчивается в задней части камеры задней стенкой 14.
К задней стенке 14 присоединено сопло 20. В представленном примере сопло может быть установлено в заданное положение посредством поворота относительно продольной оси А камеры сгорания. Для этой цели конструкция, образованная сужающейся частью 20а, горловиной 20b и расширяющейся частью 20с сопла, установлена на кольцевом основании (выступе) 22 при помощи сферического шарнирного упора 24. Упор 24 может быть, например, упором слоистого типа, образованным совокупностью сферических слоев, в которой чередуются жесткие металлические слои и эластомерные слои, скрепленные одни с другими. Упор 24 изолирован от внутреннего объема камеры сгорания мембраной 26. Средства управления, например домкраты (не представлены), установленные на оболочке 12 и воздействующие на управляющее кольцо, расположенное с внешней стороны расширяющейся части сопла, позволяют придать оси сопла и, следовательно, направлению выброса газов сгорания требуемую ориентацию относительно оси А.
Выступ 22 неподвижен относительно оболочки 12 и соединен с задней стенкой 14. Средства механического соединения (не представлены на фиг.1) связывают выступ 22 и заднюю стенку 14 в осевом направлении. Задняя стенка 14 и выступ 22 соединены на протяжении зоны 30 сопряжения, ограниченной лежащими одна напротив другой поверхностями выступа 22 и задней стенки 14 и расположенной в осевом направлении, по существу, между внутренней и внешней поверхностями камеры сгорания. Зона 30 сопряжения снабжена уплотнительными прокладками, защищенными тепловым барьером (не представлен на фиг.1).
Кратко описанная выше конструкция задней части ракетного двигателя хорошо известна как таковая. Область применения изобретения, разумеется, не ограничивается ракетными двигателями с изменяемым направлением сопла, но включает также и ракетные двигатели с неподвижным соплом.
Один из вариантов осуществления в соответствии с изобретением соединения между задней стенкой 14 и выступом 22 сопла ракетного двигателя, например по фиг.1, подробно изображен на фиг.2.
В этом примере задняя стенка 14 по известной технологии содержит внешнюю стенку 14а, выполненную, например, из металла и снабженную расположенным с внутренней стороны элементом 14b тепловой защиты, выполненным, например, из эластомера. Аналогичным образом выступ 22 сопла содержит внешнюю стенку 22а, выполненную, например, из металла, которая соответствует внешней стенке 14а и/или является ее продолжением, и элемент 22b тепловой защиты, выполненный, например, из эластомера, который является продолжением элемента 14b тепловой защиты стенки.
Зона 30 сопряжения имеет в осевом сечении непрямолинейный профиль, причем поверхность выступа 22, смежная с зоной 30 сопряжения, имеет диаметр, изменяющийся без уменьшения вдоль зоны 30 сопряжения, начиная от ее края, расположенного с внутренней стороны камеры сгорания.
В представленном примере уплотнительная прокладка или в предпочтительном с точки зрения безопасности варианте, по меньшей мере, две уплотнительные прокладки (первичная уплотнительная прокладка 32 и вторичная уплотнительная прокладка 34) последовательно установлены в зоне 30 сопряжения. Каждая из прокладок 32, 34 образована уплотнительным кольцом из эластомерного материала. Каждая прокладка размещена в кольцевом пазу 36, 38 соответственно, предусмотренном в одной из расположенных друг напротив друга поверхностей задней стенки 14 и выступа 22 (в представленном примере - в поверхности выступа 22), и сжата другой из этих поверхностей. Прокладки 32 и 34 удалены от края зоны 30 сопряжения, расположенного с внутренней стороны камеры сгорания, и предпочтительно расположены в той части зоны 30 сопряжения, которая ограничена металлическими стенками 14а и 22а.
Тепловой барьер 40 расположен в зоне 30 сопряжения, между ее краем, расположенным с внутренней стороны камеры сгорания, и уплотнительными прокладками 32, 34. Тепловой барьер 40 может находиться, например, в части зоны 30 сопряжения, ограниченной элементами 14b и 22b тепловой защиты. В оптимальном варианте он удален от края зоны 30 сопряжения, расположенного с внутренней стороны камеры сгорания, во избежание его преждевременного разрушения при разъедании элементов 14b, 22b тепловой защиты газами сгорания. Таким образом, тепловой барьер находится вблизи металлических стенок 14а, 22а. Он может быть расположен в части зоны 30 сопряжения, находящейся между этими металлическими стенками 14а, 22а.
В представленном примере тепловой барьер 40 содержит шнур 42 из жаропрочных волокон, например из углеродных волокон, намотанный между уступами 14с и 22с, предусмотренными в находящихся напротив друг друга задней стенке 14 и выступе 22.
Шнур 42 намотан более чем в один оборот вокруг оси А так, чтобы непрерывность теплового барьера не нарушалась на концах шнура. Наматывание шнура 42 может быть осуществлено, например, приблизительно в два оборота, как изображено на фиг.3. На этом чертеже непрерывный шнур 42 образует два прилежащих один к другому круговых витка. Участок 42с, соединяющий два витка, проходит между концами 42а и 42b шнура. Концы 42а и 42b сомкнуты, чтобы минимизировать зазор, расположенный в направлении по окружности между участком 42с и этими концами.
Шнур 42 может представлять собой, например, плетеный жгут из углеродных волокон, который представлен на фиг.4.
Уступы 14с и 22с выполнены таким образом, чтобы обеспечить размещение шнура 42, в то же время сжимая его для уменьшения его проницаемости для газов. Кроме того, уступы 14с, 22с придают той части зоны 30 сопряжения, в которой находится тепловой барьер, зигзагообразную форму. Эта зигзагообразная форма в сочетании с ограниченной проницаемостью шнура 42 предотвращает быстрое прохождение теплового барьера газами сгорания, проникающими в зону 30 сопряжения из камеры сгорания. Газы, преодолевающие в итоге тепловой барьер, могут достаточно охладиться в результате соприкосновения с расположенными напротив друг друга задней стенкой 14 и выступом 22, прежде чем достигнут первичной прокладки 32. Преодоление газами сгорания теплового барьера позволяет им обеспечить сжатие первичной прокладки 32 с целью повышения эффективности этой прокладки.
Следует отметить, что поверхности уступов 14с, 22с, сжимающих шнур 42, расположены в радиальном направлении. Они также могут быть коническими.
Для изготовления шнура теплового барьера помимо волокнистого жгута могут быть использованы и другие волокнистые материалы.
Так, на фиг.5 представлен шнур 42', образованный наложенными один на другой волокнистыми слоями, каждый из которых состоит из ленты, изготовленной из двумерного волокнистого материала, например ткани из углеродного волокна. Наложенные один на другой слои согнуты по длине шнура, что сообщает ему U-образный профиль. Шнур расположен в зоне 30 сопряжения таким образом, что открытая сторона U-образного профиля обращена к той стороне этой зоны, которая расположена со стороны внутренней поверхности камеры. Таким образом, газы сгорания, приходящие в соприкосновение со шнуром 42', прижимают его продольные края к расположенным одна напротив другой поверхностям, которые ограничивают зону 30 сопряжения.
Хотя в данном варианте предусмотрено изготовление шнура 42 из углеродных волокон для этой цели также могут быть использованы другие жаропрочные волокна, например керамические.
В момент установки на заднюю стенку 14 или на выступ 22, до его сжатия между этими деталями, шнур 42 может удерживаться, например при помощи наложения слоя смазки или локального приклеивания.
Механическое соединение задней стенки 14 с выступом 22 сопла может быть осуществлено по известной технологии при помощи винтов. Однако в представленном примере использован более простой метод, по которому это соединение осуществлено при помощи запирающего элемента 50 (фиг.2).
Элемент 50 имеет форму разрезного металлического кольца с L-образным осевым сечением. Один участок 50а кольца частично входит в канавку 52, предусмотренную в поверхности 14d задней стенки, являющейся продолжением с внешней стороны поверхности, которая ограничивает зону 30 сопряжения.
Радиальный край выступа 22 сопла содержит поверхность 22d, которая упирается в часть участка 50а, выступающую из канавки 52. Другой участок 50b элемента 50 упирается в поверхность 14d для компенсации давления выступа 22 на участок 50а.
Элемент 50 может быть установлен или снят при помощи упругого деформирования этого элемента в направлении по окружности.
Фиксация выступа 22 сопла относительно задней стенки 14 в осевом направлении осуществляется за счет взаимодействия запирающего элемента 50 с локальными опорными поверхностями, расположенными непараллельно оси камеры между поверхностями задней стенки 14 и выступа 22 смежно с зоной 30 сопряжения.
На фиг.6 изображен один из вариантов осуществления теплового барьера 40 по фиг.2. В соответствии с этим вариантом шнур 42 из жаропрочного волокна спирально намотан между двумя спиральными (винтовыми) уступами 14е и 22е, предусмотренными в расположенных напротив друга задней стенке 14 и выступе 22. Шнур 42 намотан более чем в один оборот вокруг оси А так, чтобы непрерывность теплового барьера не нарушалась на концах шнура.
На фиг.7 изображен другой вариант осуществления теплового барьера 40 по фиг.2. В соответствии с этим вариантом в радиальном уступе 22а поверхности выступа 22 сопла, смежной с зоной сопряжения, предусмотрен спиральный паз 22f, например, V-образного сечения.
Шнур 42 намотан вокруг оси А в пазу 22f и зажат между его стенкой и радиальным уступом 14g поверхности задней стенки 14, смежной с зоной 30 сопряжения, который расположен напротив уступа 22g.
Уступы 14g и 22g придают зоне 30 сопряжения в месте расположения теплового барьера зигзагообразную форму.
На фиг.8 изображен еще один вариант осуществления теплового барьера 40 по фиг.2. Спиральный паз 22h, например, V-образного сечения, предусмотрен в части стенки 22i поверхности выступа 22 сопла, параллельной оси и смежной с зоной 30 сопряжения. Шнур 42 намотан вокруг оси А в пазу 22h и зажат между его стенкой и радиальным уступом 14i поверхности задней стенки 14, смежной с зоной 30 сопряжения. Изображенная на фиг.8 зона 30 сопряжения не имеет зигзагообразной формы в месте расположения теплового барьера. Тем не менее, зигзагообразная форма может быть придана зоне сопряжения при помощи уступов в находящихся одна напротив другой поверхностях задней стенки 14 и выступа 22 в непосредственной близости от места расположения шнура 42.
На фиг.9 изображен еще один вариант осуществления теплового барьера 40 по фиг.2.
В соответствии с этим вариантом тепловой барьер содержит два кольцевых шнура 421, 422, расположенных последовательно, поблизости один от другого, в зоне 30 сопряжения.
Шнур 421 расположен на стыке осевой части 22i поверхности выступа 22 сопла, смежной с зоной 30 сопряжения, с радиальным уступом 22k той же поверхности. Он зажат между поверхностями 22i, 22k и частью конической стенки 14k поверхности задней стенки 14, смежной с зоной 30 сопряжения.
Шнур 422 намотан в пазу 22l, например, V-образного сечения, предусмотренном в части поверхности выступа 22 сопла, параллельной оси и смежной с зоной 30 сопряжения. Он зажат между стенками паза 22l и частью стенки 14l поверхности задней стенки 14, параллельной оси и смежной с зоной 30 сопряжения.
Каждый из шнуров 421, 422 полностью окружает ось А. Концы шнура 421 смещены в угловом направлении относительно концов шнура 422 с целью сохранения непрерывности теплового барьера в осевом направлении.
Разумеется, помимо вышеописанных могут быть предусмотрены многочисленные другие варианты расположения одного или нескольких шнуров между частями радиальных, осевых или конических стенок. Например, может использоваться спиральный шнур в сочетании с одним или несколькими кольцевыми шнурами.
Кроме того, следует отметить, что тепловой барьер также может образовывать уплотнительную прокладку, что позволяет обойтись без первичной уплотнительной прокладки 32 или даже без обеих уплотнительных прокладок 32 и 34. Такая ситуация возможна, в частности, если тепловой барьер представляет собой шнур из сжимаемого волокнистого материала, намотанный более чем в один оборот в сжатом состоянии в зоне 30 сопряжения; в частности, если шнур располагается в одном или нескольких углублениях зигзагообразной поверхности зоны 30 сопряжения.
На фиг.10 изображен другой вариант осуществления механического соединения задней стенки 14 с выступом 22 сопла, причем элементы, общие для этого варианта осуществления и варианта осуществления по фиг.2, имеют те же обозначения.
В соответствии с этим вариантом используют несколько запирающих элементов в виде кольцевых секторов. Каждый элемент 50' имеет L-образное сечение, как и элемент 50 по фиг.2, и содержит участок 50'а, частично находящийся в канавке 52, предусмотренной в поверхности 14d задней стенки 14, и участок 50'b, внутренняя сторона которого упирается в эту поверхность 14d.
Выступ 22 сопла упирается в участки 50'а элементов 50'.
Каждый из элементов 50' имеет угловой размер, не превышающий 180°, и фиксируется кольцевым зажимом 54. Этот кольцевой зажим прикреплен винтом 56 к выступу 22 сопла и упирается во внешнюю сторону участка 50'b.
Реферат
Изобретение относится к области твердотопливных ракетных двигателей, в частности к соединению между задней стенкой камеры сгорания и соплом. Соединение между задней стенкой (14) камеры сгорания и соплом (20) ракетного двигателя содержит средства (50) механического соединения, связывающие сопло с задней стенкой, по меньшей мере, в осевом направлении, а также тепловой барьер (40) и, по меньшей мере, одну уплотнительную прокладку (32, 34), расположенные в зоне (30) сопряжения, ограниченной расположенными одна напротив другой смежными поверхностями задней стенки и сопла. Тепловой барьер (40) содержит, по меньшей мере, один материал из жаропрочного волокна, образующий шнур (42), намотанный в зоне сопряжения вокруг продольной оси (А) камеры, причем шнур или шнуры обеспечивают непрерывность теплового барьера (40) в направлении по окружности. Изобретение обеспечивает улучшение охлаждения газов сгорания путем повышения эффективности теплового барьера. 16 з.п. ф-лы, 10 ил.
