2.11.3.3. Особенности конструкции жрд

Конструктивно ЖРД состоит из: камеры ЖРД (рис. 2.36); элементов автоматики (пусковые и отсечные клапаны, регулируемые дроссельные краны и др.); системы топливоподачи (ТНА, трубопроводы, ГГ).

К

Рис. 2.36. Конструкция камеры ЖРД

амера ЖРД (КС + РС) (рис. 2.36). представляет собой агрегат в котором компоненты ЖРТ или продукты газогенерации преобразуются в газообразные продукты сгорания (ПС), создающие при истечении реактивную тягу

Корпуса камеры ЖРД бывают следующих видов: оболочечные; трубчатые; комбинированные. Наибольшее распространение получили оболочечные корпуса, которые подразделяются на: одностенные неохлаждаемые и двустенные охлаждаемые.

О

Рис. 2.37. Конструкция одностенной

камеры ЖРД: 1 – стенка КС; 2 – ТЗП КС; 3 – вкладыш; 4 – ТЗП РС; 5 – корпус РС.

а б

Рис. 2.38. конструкция корпуса

камеры ЖРД

дностенные неохлаждаемые корпуса (рис. 2.37) используются в ЖРД малой тяги (ЖРД управления и коррекции траектории) и работают в импульсном режиме. Изготавливаются из тугоплавких вольфрамоникеливых и никель-молибденовых сплавов или из высокопрочной стали на хромоникеливой основе ЭП-56 (1Х16Н4Б), СП33 (33Х3СНМВФА) с обляционным покрытием (охлаждением). То есть внутри камера покрывается легкими органическими материалами (например – углепластики), которые при нагреве разлагаются с поглощением тепла, а газообразные продукты разложения уносятся с продуктами сгорания. Камеры с обляционным теплозащитным покрытием (ТЗП) легки, просты в изготовлении, но время их работы ограничено временем полного разложения ТЗП, а внутренняя геометрия изменяется при работе.

Двустенные охлаждаемые корпуса (рис. 2.38) используются в маршевых ЖРД и обеспечивают работу камеры ЖРД в течение длительного времени, при этом масса их небольшая, а геометрия внутреннего тракта не меняется при работе. Изготавливаются из жаростойких сплавов на основе и и состоят из двух оболочек, связанных между собой гофрами (см. рис. 2.38, а) или спиральными ребрами (см. рис. 2. 38, б). Отдельные секции (см. рис. 2.36) соединяют электродуговой сваркой в защитной среде аргона или электронно-лучевой сваркой в вакууме. Наружное регенеративное охлаждение (отбор тепла от внутренней оболочки) осуществляется одним из КРТ, обычно горючим, протекающим между оболочками и выполняющим роль хладогента.

И

Рис. 2.39. Тепловые потоки:

1 - конвективный; 2 - лучевой;

3 - интегральный.

з распределения тепловых потоков q внутри камеры ЖРД (рис. 2.39) видно, что конвективные тепловые потоки 1, воздействующие на стенки камеры, преобладают над лучевыми (радиационными) 2. Максимальных значений суммарные (интегральные) тепловые потоки 3 достигают в критическом сечении, что объясняется быстрым ростом скорости газового потока до местной скорости звука на коротком участке сужающейся части сверхзвукового РС при незначительном снижении температуры газа. Высота ребер или гофров и шаг спирали выбирается из условия обеспечения заданной скорости течения хладогента для снятия теплового потока. В районе критического сечения высота ребер и шаг спирали минимальные для обеспечения большей скорости хладогента.

Жесткий тепловой режим работы камеры ЖРД определил применение совместно с наружным регенеративным охлаждением, завесного пленочного охлаждения и теплоизоляционных покрытий на основе двуокиси циркония или пористого хрома.

Для организации завесного пленочного охлаждения по окружности внутренней стенки верхней части камеры сгорания выполняется ряд отверстий, через которые часть охлаждающего КРТ из межстенных каналов попадает внутрь КС в жидкой фазе. Тонкая жидкая пленка из относительно холодного КРТ защищает внутреннюю стенку КС от высоких температур зоны горения. Защитное покрытие из пористого хрома обладает высокими теплозащитными свойствами, но низкой износостойкостью, и поэтому применяется в КС, где температура газа очень высокая, а скорость газового потока относительно мала. РС изнутри покрывают двуокисью циркония, обладающего повышенной износостойкостью, но уступающим пористому хрому по теплозащитным свойствам.

Смесительная головка (рис. 2.40) является частью камеры ЖРД и предназначена для ввода КРТ в зону горения и первоначального перемешивания их между собой.

а б

Рис. 2.40. Схемы смесительных головок ЖРД: а - без дожигания; б - с дожиганием

Конструктивно СГ состоит из: 1 – форсунок (жидкостных или газо-жидкостных); 2 – внутреннего днища; 3 – среднего днища; 4 – наружного днища (ЖРД без «дожигания»); 5 – спрямляющей решетки (ЖРД с «дожиганием»); 6 – газовода (ЖРД с «дожиганием»); 7 – силового кольца.

Качество распыливания КРТ, характеризующееся размером капель и равномерностью распределения КРТ в зоне горения, оказывает большое влияние на обеспечение высокой полноты сгорания топлива и обеспечивается топливными форсунками. В камерах сгорания ЖРД для подачи КРТ используются форсунки с механическим распылом. Механические форсунки бывают струйные, центробежные и комбинированные, которые, в свою очередь могут быть однокомпонентными или двухкомпонентными (рис. 2.41).

Рис. 2.41. Классификация топливных форсунок ЖРД

В струйной форсунке топливо подается через цилиндрическое сопло (рис. 2.42, а) под действием перепада давлений на форсунке Δр_ф. Вытекающая струя топлива, дробится на капли при взаимодействии с окружающей газовой средой. Величина расходов КРТ зависит от режима работы двигателя и определяется величиной Δр_ф.

Однокаскадные струйные форсунки просты в изготовлении, но не обеспечивают качественного распыла КРТ и практически не применяются в современных ЖРД.

Рис. 2.42. Типы топливных форсунок: а – струйная однокомпонентная; б – центробежная тангенциальная; в – центробежная шнековая; г – комбинированная двухкомпонентная

газожидкостная.

Центробежные тангенциальные (рис. 2.42, б) и шнековые (рис. 2.42, в) форсунки за счет закрутки КРТ позволяют получить на выходе мелкодисперсный распыл, что определило их широкое применение в РД без дожигания генераторного газа.

В ЖРД с «дожиганием» используются комбинированные двухкомпонентные газожидкостные форсунки (рис. 2.42, г).

Элементы автоматики: отсечные клапаны; пусковые клапаны; регулируемые дроссельные краны и др., обеспечивают регулирование подачи топлива при пуске, останове, изменении режима работы ЖРД.

Система подачи топлива (СПТ) ЖРД – это совокупность конструктивно и функционально связанных пневмо и гидробаков, трубопроводов, агрегатов и узлов, предназначенных для размещения и подачи КРТ в камеру ЖРД.

Важнейшим узлом насосной СПТ является турбо-насосный агрегат (ТНА) (рис. 2.43). Частота вращения ротора ТНА, для обеспечения необходимой производительности насосов горючего и окислителя, составляет десятки тысяч оборотов в минуту. При этом не допускается перетекание компонентов самовоспламеняющегося топлива в зоне контакта ротора и статора, так как это может вызвать воспламенение КРТ и взрыв ТНА. Поэтому особое внимание при проектировании ТНА должно уделяться надежности контактных уплотнений.

Рис.2.43. Схема ТНА: 1 - пусковая ГТ; 2 - насос горючего; 3 - насос окислителя; 4 – ГТ