54.Конструкция и расчет сопловых блоков двигателей.

Односопловые блоки получили наибольшее распростра­нение в РДТТ. Такие блоки в меньшей степени подвержены несим­метричному эрозионному разрушению и возникновению эксцен­триситета тяги; им свойственны меньшие потери удельного им­пульса. Конструкция односоплового блока позволяет реализовать большую степень расширения и применять такие способы упра­вления, как вдув газа и впрыск жидкости в сверхзвуковую часть. К недостаткам односопловых блоков можно отнести значительные размеры и массу. В простейших небольших двигателях с кратко­временной работой сопло может быть выполнено в едином узле сопловой крышки, а раструб коническимрис. 1

рис. 1

Профиль конического сопла образуется двумя конусами: входным — сужающимся и выходным — расширяющимся. Оба конуса сопрягаются между собой радиусами r и г₂ или соеди­няются цилиндрической проточкой, образуя относительно оси поверхность критического сечения сопла (рис. 6.2). Центры радиу­сов расположены в плоскости критического сечения. Радиусы рекомендуется выбирать в следующих пределах: = (0,5 ... 2)r , г₂ = (0,5 ... 3) r. Цилиндрическая поверхность, по диаметру равная D_Kp и шириной в несколько миллиметров, создает условия для лучшего сохранения D_кр в процессе работы двигателя и яв­ляется удобной технологической базой при изготовлении сопла.

Входной конус обычно конструируют исходя из геометрических соотношений днища и сопла, расположения заряда в камере сгора­ния и др. Однако, если входная часть сопла спроектирована с от­клонениями от рекомендованных соотношений, можно ожидать заметных потерь удельного импульса двигателя, появления скач­ков уплотнений в сверхзвуковой части сопла.

Для входной части рекомендуется выбирать угол _BX = 30 ... 60° к продольной оси сопла. При увеличении угла свыше 60° возрастают тепловые потоки, направленные к стенке. В некоторых случаях входную часть сопла выполняют по дуге ок­ружности или эллипса. Выходной конус рекомен­дуется выбирать с углом к продольной оси _вых = = 7 ... 25°. Увеличение угла вых вызывает уменьшениедоли потерь на трение и увеличение потерь на рассеяние. Умень­шение угла вых приводит к обратным результатам. Опыт эксп­луатации конических сопл показывает, что оптимальным является значение угла _вых = 9 ... 12°.

Длина расширяющейся части определяется, в основном, отно­шением =D_а/D_Kp. Если D_а выбирать для условий полного расширения газов, сопло получается длинным и тяжелым. Для получения приемлемых характеристик по тяге и массе сопла для одноступенчатых ракет класса земля—земля рекомендуется проектировать с= 1,5 ... 2,5.

При большом удлинении расширяющейся части сопла прирост тяги (удельного импульса) не компенсирует увеличение массы сопла. Укорочение сопла производится по тому сечению, где увеличение тяги становится меньше прироста массы сопла (рис. 6.3).

Наиболее ответственным является размер диаметра критиче­ского сечения сопла. В первом приближении его можно найти по заданному значения тяги двигателя с помощью уравнения

откуда гдеK_R - коэффициент тяги РДТТ.

Для построения контура сверхзвуковой части сопла должны быть известны следующие параметры:

радиус минимального сечения, г_ф;

длина сверхзвуковой части сопла, L;

радиус среза сопла, г_а\

радиус скругления горловины сопла, г₂;

показатель изоэнтропы, п.

Газовые потоки современных РДТТ содержат в своем составе жидкие или твердые частицы продуктов сгорания. Воздейст­вие такого потока на стенки сопла сопровождается эрозией. Особен­но заметно эрозионное воздействие проявляется на входе в крити­ческую часть сопла и на выходной кромке. Защита критического сечения сопла от эрозии осуществляется применением эрозионностойких материалов, таких, как графит, стекло- и углепластики и других материалов на их основе.

Применение односопловых блоков, особенно в крупногабарит­ных двигателях, приводит к увеличению длины РДТТ.С цельюсокращения длины сопло частично утапливают внутрь камеры дви­гателя. В существующих конструкциях степень утопленности сопла различна и колеблется в пределах от 0,15 до 1,0. Под степенью утопленности сопла понимаем отношение расстояния от плоскости входного сечения сопла до плоскости, проходящей через фланец крепления сопла,к общей длине сопла: L_n = L/L, где L_П — глубина погружения; L — общая длина сопла. Для двигателей небольших размеров сопло можно заглублять значительно больше, чем для крупных двигателей. Неподвижные сопла можно заглублять на всю длину. Для сопл с газодинамиче­ским управлением степень утопленности определяется местом расположения органов управления, приводов и удобством обслу­живания системы. Входная часть сопла должна быть хорошо защищена от термо­эрозионного воздействия газового потока. Для этого применяется комбинация различных материалов,каждый из которых выполняет определенные функции. Наружной поверхности утопленной части сопла придают такую форму и задают зазоры между зарядом и соплом, чтобы скорость течения продуктов сгорания была мини­мальной. При недостаточных зазорах возрастает интенсивность разрушения и унос теплозащитного покрытия. Кроме того, возни­кают кольцеобразные вихри, которые, срываясь, могут усиливать акустические продольные колебания, возникающие в результате вибрационного горения топлива. Профиль входа внутренней части выполняется по дуге эллипса с соотношением осей 3 : 2. Все сопрягающиеся поверхности должны сопрягаться радиусами. Наибольший унос материала наблюдается на входной кромке утопленной части сопла, поэтому необходимо делать эту часть из эрозионно стойких композицион­ных материалов. Наружная часть сопла имеет металлическую или стеклопластиковую (органопластиковую) силовую оболочку с эле­ментами крепления к корпусу двигателя. Внутренняя поверх­ность стенки сопла защищена слоем эрозионно стойкого покры­тия (ЭСП).

В неуправляемых ракетах многосопловой блок приме­няется для сокращения длины двигателя, отклонения газовой струи от деталей и устройств, на которые не допускается воздей­ствие струи, стабилизации ракеты в полете вращением.

В управляемых ракетах многосопловые блоки применяются для размещения исполнительных органов управления, создания управляющих усилий и моментов.

Многосопловой блок по сравнению с односопловым имеет следующие недостатки:в нем ухудшаются условия входа газов в сопло, что приводит к более интенсивному уносу теплозащитного слоя и неравномерному разгару критических сечения и раструбов сопл;разнотяговость сопл вследствие разброса размеров при изго­товлении и неравномерного разгара в процессе работы РДТТ; относительно большие потери в удельном импульсе.

Сопла, с установленным внутри центральным телом, получили название кольцевых. Критическое кольцевое сечение мо­жет лежать в плоскости, перпендикулярной оси сопла, или быть наклоненным к ней под некоторым углом. Многочисленные схемы кольцевых сопл можно свести к двум основным разновидностям: сопло с внешним расширением или штыревое (рис.а, б) и сопло с внутренним расширением или тарельчатое сопло (см. рис. в).

По сравнению с круглыми соплами, кольцевые сопла само­регулируются по высоте, что позволяет получать лучшие характе­ристики удельной тяги по траектории полета ракеты. С помощью центрального тела кольцевого сопла можно регулировать вектор тяги по величине и направлению. Свободный объем центрального тела может быть использован для размещения приводов, заряда воспламенителя и др.К недостаткам кольцевых сопл следует отнести некоторые потери, связанные с установкой опор для закрепления центрального тела, для уменьшения тепловых потоков, поступающих в центральное тело, применяют тепловую защиту.

Существует реальная возможность увеличения удель­ного импульса высотной ступени ракеты путем увеличения геометрической степени расширения сопла

Раздвижные сопла. Общим в этой группе является принцип складывания и развертывания сопла, состоящего из отдельных конических или профилированных элементов. В сло­женном состоянии насадки располагаются вокруг неподвижной части сопла и удерживаются в таком положении фиксаторами. Пневмоцилиндр имеет телескопическую конструкцию и в сложен­ном положении располагается под большим углом к оси сопла. Пневмоцилиндры могут приводиться в действие сжатыми инерт­ными газами или газами, отобранными из двигателя. Недостатками этой конструкции является необходимость иметь громоздкие уст­ройства для развертывания — пневмоцилиндры; возможная герметичность узлов стыка секций; возможность перекоса из-за неодновременного раздвижения нескольких пневмоцилиндров. Разворачивание сопла без пневмоцилиндров может производится с помощью щитков, которые помещаются в газовую струю дви­гателя. После того как сопло развернется, щитки сбрасываются. Такое решение значительно упрощает и облегчает конструкцию. Для соосного и равномерного движения секций необходимо иметь направляющие

сопла с деформируемым насадком . Подвижная часть сопла изготавливается из тонкого листа жаропрочной стали или ниобиевого сплава. Один торец оболочки соединен с неподвижной частью сопла. Выходная часть закрыта мембраной из прорезиненной ткани. В сложенном состоя­нии подвижная часть располагается вокруг неподвижной части сопла. Под действием незначительного давления газов в момент запуска двигателя сопло разворачивается. При этом в тонкой оболочке происходит пластическая деформация, способствующая образованию жесткой оболочки. После того как сопло полностью развернется, мембрана разрушается. Конструкция имеет достаточную жесткость и малую массу.

Конструкциясопла с продольно-гофрированным насадком позволяет сократить D_a в нерабочем положении. Насадок выполняется из тонколистового ниобиевого сплава. С одной стороны насадок крепится к неподвижной части сопла. В нерабочем положении насадок укладывается за срезом неподвижной части сопла с образованием продольных гофров. Перевод в рабочее положение может производиться телескопическими пневмоцилиндрами или другими подобными механизмами. При подъеме на высоту уменьшается внешнее давление и появляется перепад давлений, в результате происходит расширение насадка и образование конического сопла, при этом гофрированная поверхность расправляется.

Разворачивающееся сопло с мягким насадком,закрепленным на неподвижной части сопла, укладывается внутри сопла с образованием гофров. Эластичная часть сопла выпол­нена из армированного каучука или листового асбеста, армиро­ванного проволокой и пропитанного тефлоном. Перевод в рабочее положение происходит под действием истекающих газов. Недостат­ком конструкции является малая жесткость насадка, которая может привести к потере устойчивости .

Другая конструкция эластичного разворачивающегося сопла Конструкция компактна, имеет малую массу. Разворачивающаяся часть сопла изготовлена из ткани, основу которой составляют кварцевые волокна «ковер». Внутренняя поверхность сопла армирована пучками углеродных волокон, которые заделаны в ткань наподобие ковра. Углеродные волокна со стороны заделки в ткань закреплены слоем эластомера.