Раздел I. Двигатели КБ главного конструктора Глушко В.П. Камера двигателя РД-214 (листы 1,2)
Двигатель РД-214 предназначен для силовых установок боевых и космических ракет. Разработка двигателя началась в 1955 г. С 1959 г. двигатель находится в серийном производстве.
Двигатель РД-214 устанавливается на одноступенчатую боевую БРДД и двухступенчатую РН, используемую для запусков спутников Земли с научной аппаратурой серии «Космос».
Двигатель работает на стабильных высококипящих компонентах топлива и развивает тягу 64,8 тс (у земли). Удельная тяга у земли с учетом топлива, расходуемого на привод насосов, 230 с; удельный вес 11,7 кг/тс.
Двигатель РД-214 многокамерный; состоит из четырех камер сгорания, ТНА, газогенератора, комплекта агрегатов автоматики, узлов и деталей общей сборки.
Четыре камеры двигателя соединены в блок при помощи двух рядов опор. К верхнему ряду опор крепится рама, на которой устанавливается турбонасосный агрегат с газогенератором.
Двигатель крепится непосредственно к несущим элементам корпуса ракеты через опоры, приваренные в верхней части камер, по одной на каждой камере.
Основные параметры камеры
тяга, тс:
|
|
– у земли (номинальная, на режиме главной ступени)
|
16,2
|
– в пустоте
|
18,5
|
– на режиме дросселирования (в %% от номинальной тяги)
|
35
|
Топливо:
|
|
– окислитель
|
АК-27И
|
– горючее
|
ТМ-185
|
– пусковое горючее
|
ТГ-02
|
секундный расход, кг/с:
|
|
– окислителя
|
55,3
|
– горючего
|
13,9
|
весовое соотношение компонентов топлива
|
3,97
|
коэффициент избытка окислителя
|
0,768
|
давление газов, ата:
|
|
– в камере сгорания
|
44,5
|
– в выходном сечении сопла
|
0,7
|
удельная тяга, с:
|
|
– у земли
|
233,6
|
– в пустоте
|
267,3
|
относительная расходонапряжённость сечения у головки, г/(с·см2·ата)
|
0,85
|
объём камеры сгорания до критического сечения, л
|
81
|
время пребывания продуктов сгорания в камере, мс
|
5,2
|
литровая тяга, кгс/л
|
200
|
коэффициент полноты давления в камере
|
0,971
|
коэффициент полноты удельной тяги
|
0,944
|
масса камеры, кг
|
88
|
Камера представляет собой паяно-сварную неразъёмную конструкцию и состоит из цилиндрической камеры сгорания с форсуночной головкой и сопла.
Форсуночная головка
Форсуночная головка состоит из силового кольца (9), внутреннего (1), среднего (2) и наружного (5) днищ с фланцем (3), на котором устанавливается пироклапан (пироклапан, открытый при работе, перекрывает доступ окислителя в камеру при подаче команды на выключение двигателя).
Внутреннее и среднее днища, совместно с силовым кольцом, образуют полость горючего. Горючее в головку поступает через сверления в силовом кольце (9) из межрубашечного пространства, охлаждает внутреннее днище и через форсунки горючего (б) впрыскивается в камеру сгорания.
Среднее и наружное днища с верхней частью силового кольца образуют полость окислителя. Окислитель подводится в форсуночную головку через фланец (3) и через форсунки окислителя (7) впрыскивается в камеру.
Среднее днище соединено с наружным днищем и фланцем обечайкой (4), имеющей шесть отверстий для равномерного распределения окислителя по площади днища головки.
Среднее и внутреннее днища связаны между собой форсунками окислителя. Для обеспечения необходимой прочности связи днищ в местах с большим расстоянием между форсунками устанавливаются форсунки окислителя с упрочненными корпусами (см.лист 2 сеч. ИИ). Для обеспечения заданного расстояния между внутренним и средним днищами на части форсунок установлены дистанционные втулки (8).
На головке размещены 793 однокомпонентные центробежные форсунки с шнековыми завихрителями: 480 форсунок окислителя и 313 форсунок горючего. Форсунки расположены по концентрическим окружностям. Взаимное расположение форсунок близко к сотовому, шаг между форсунками переменный (см.рис.1-1).
Для обеспечения устойчивого горения разработана и применена трехъярусная система смесеобразования. В этой схеме часть форсунок окислителя и горючего создает конусы распыла с относительно большими углами, равными 2 = 110° (первый ярус), другая часть форсунок – конусы распыла с углами 2 = 40° (второй ярус). В завихрителях форсунок, имеющих большие углы распыла, выполнены центральные отверстия, создающие возможность струйного впрыскивания части компонентов (третий ярус).
Рисунок 1.1
Расходы горючего через разные типы основных форсунок одинаковы, так же как и расходы окислителя. На периферии головки установлены центробежные форсунки горючего с уменьшенным расходом.
Форсунки окислителя и горючего с малым углом распыла отличаются от форсунок с большим углом распыла уменьшенным диаметром сопла, большим шагом и глубиной винтовой нарезки завихрителя (и отсутствием центрального отверстия в завихрителе).
Схема расположения форсунок на головке, их характеристики, геометрия к результаты расчета смесеобразования в пристеночном слое приведены на рис.1-1, 2, 3, 4.
Для обеспечения условий комплектации камер в двигатель (для уменьшения разброса гидравлических сопротивлений) форсунки при проливке делятся по расходу на три класса. Диапазон изменения расхода в классе составляет 2%. На каждой форсуночной головке устанавливаются форсунки только одного класса.
На силовой кольце головки приварено три штуцера. Два из них (см.сеч. РР) предназначены для замера давления газа в камере сгорания и сообщаются каналами с огневой полостью. Третий (сеч. ХХ) сообщается с полостью окислителя и предназначен для замера давления окислителя перед форсунками. Замер давления горючего на входе в форсуночную головку производится через штуцер, установленный на соединительном кольце (11) (сеч.НН).
Цилиндрическая часть камеры и докритическая часть сопла
Внутренняя стенка состоит из двух секций – цилиндрической (14) и профилированной (16),– сваренных встык. После сварки шов проковывается. Наружная рубашка состоит из секций (13) и (17) и переходного кольца (12), привариваемого к наружной рубашке со стороны форсуночной головки для обеспечения необходимой прочности и надежности сварного шва, соединяющего рубашку с силовым кольцом форсуночной головки.
Скрепление рубашки со стенкой осуществляется через пять гофрированных проставок (15) (см.сеч. ББ), припаиваемых твердым припоем.
Закритическая часть сопла
Внутренняя стенка (20) профилированная. Рубашка состоит из двух секций (21) и (24), кольца коллектора (23) и переходного кольца (19), привариваемого к рубашке со стороны критического сечения.
Рисунок 1.2
Рисунок 1.3
Рисунок 1.4
Связь мезду стенкой и рубашкой осуществляется через пять гофрированных проставок (22) (см.сеч. ВВ) и кольцо жесткости (26), устанавливаемое на срезе сопла. Допускаемая величина неподкрепленного гофром участка сопла и технологические зазоры под сварку на срезе сопла приведены на листе 7 (позиция Е).
Коллектор (23) сопла состоит из двух секторов, приваренных к круговым буртам кольца коллектора, и двух патрубков со штуцерами. В кольце коллектора имеются отверстия для прохода горючего в межрубашечное пространство. На кольце (26) установлена сливная бобышка (сеч. ГГ).
Для уплотнения хвостового отсека ракеты у среза сопла приваривается обечайка (25) с резьбовыми бобышками (место 1).
Соединение частей
Соединение докритической и закритической частей сопла осуществляется путем сварки внутренних стенок встык и через соединительное кольцо (18), состоящее из двух полуколец, привариваемое к переходному кольцу (19) и рубашке докритической части сопла. После сборки узлы оболочек камеры сгорания и сопла проходят рентгенирование, испытания на прочность и герметичность и окончательную механическую обработку под стыковку с головкой.
Соединение цилиндрической части камеры с форсуночной головкой (см. сеч. ЖЖ, лист 2) осуществляется при помощи сварки. Внутренняя стенка (14) приваривается к силовому кольцу (9) до постановки на место разъемного соединительного кольца. Рубашка соединяется с форсуночной головкой через кольцо (11), образованное двумя полукольцами (сеч. ДД, лист 1).
Соединительные кольца (11) и (18) имеют бурты, воспринимающие усилия от усадок сварочных швов приварки этих колец к рубашкам, для разгрузки внутренней стенки.
Подготовка указанных стыков для постановки соединительных полуколец показана на листе 7, позиции А и Б.
Толщины стенок и геометрия гофров
Внутренняя стенка имеет толщину 1 мм. Рубашка, исключая переходные кольца, на участке от головки до критического сечения имеет толщину 2,5 мм, на участке закритической части сопла – 1,5 мм. Толщина гофрированных проставок 0,5 мм.
Величина зазора в межрубашечном пространстве на большинстве участков составляет 3 мм; в районе критического сечения (для обеспечения охлаждения)зазор уменьшен до 2,3 мм. Форма полуколец соединительного кольца (18) выбрана таким образом, чтобы скорость охлаждающей жидкости в критическом сечении была такой же, как на прилегающих участках, где установлены гофрированные проставки.
Длина и количество гофрированных проставок на докритической и закритической частях сопла определяются из условий, чтобы шаг гофров со стороны большего диаметра не превышал допустимых с точки зрения прочности значений. Принят максиальный шаг гофра 6 мм. Со стороны меньшего диаметра шаг выбран из условия обеспечения необходимой для пайки величины прямолинейного участка у вершины гофра при минимально возможной величине радиуса загиба материала гофра. Принят шаг 4 мм при радиусе загиба 0,4 мм.
Система охлаждения
Камера охлаждается горючим, поступающим через два патрубка, приваренных к коллектору. Далее через сверления в кольце коллектора горючее попадает в канавки гофрированной проставки, примыкающие к рубашке. Часть горючего (5,2 кг/с) идет к срезу сопла и возвращается обратно по канавкам, непосредственно примыкающим к огневой стенке. Остальная часть горючего идет в сторону критического сечения. В конце крайней от среза сопла гофрированной проставки оба потока соединяются и продолжают движение в сторону форсуночной головки.
Результаты расчета теплопередачи в камере при максимальном соотношении компонентов в пристеночном слое æСТ = 1,97 ( СТ = 0,382) и скорости охлаждающей жидкости, возрастающей от 3,7 м/с у выходного сечения сопла до 24,7 м/с в критической области и имеющей порядок 7 м/с в цилиндрической части, следующие: максимальный удельный тепловой поток в области критического сечения составляет 7,84·106 ккал/м2·ч; в выходном сечении сопла – 0,79·106 ккал/м2·ч, и в конце цилиндрического участка 4,3·106 ккал/м2·ч.
Максимальная температура огневой стенки камеры со стороны газов 755°С (в критическом сечении). Максимальная температура огневой стенки камеры со стороны охлаждающей жидкости 385°С (в сечении конца цилиндрического участка). Максимальная температура рубашки в месте спая с гофрами
220°С (в начальном сечении камеры сгорания). Охлаждающая жидкость при начальной температуре на входе в коллектор камеры 15°С, на входе в форсуночную головку имеет температуру 204°С.
Потери давления (на трение и местные) в зарубашечдом тракте по экспериментальным данным составляют в среднем 10,8 ат.
Узлы крепления
На камере установлены два кронштейна. Верхний (28) на стыке цилиндрической части с форсуночной головкой и нижний (27) на докритической части сопла. Каждый кронштейн состоит из стойки и приваренного к ней ушка.
Кронштейны служат для соединения камеры с соседними камерами в блок. Для возможности соединения кронштейнов соседних камер предусмотрено смещение одного из кронштейнов каждого ряда относительно базовой плоскости Т (опоры 10) на толщину ушка (сеч. ЛЛ и сеч. ММ). Геометрическая неизменяемость блока камер обеспечивается за счет углового смещения кронштейнов верхнего и нижнего рядов (см.вид А).
На стыке цилиндрической части с форсуночной головкой приварена опора (10) (вид по стрелке Е). Опора выполнена из поковки и служит для крепления двигателя к несущим элементам ракеты.
Материалы
В конструкции камеры использованы различные виды сталей, в том числе и специальные, стойкие по отношению к окислительной среде (табл. 1-1).
Таблица 1-1
наименование деталей
|
материал
|
Детали головки: днища, силовое кольцо, фланец
|
Ст. ЭИ-654
|
Форсунки, соединительные полукольца
|
Ст. Х18H9T
|
Внутренняя стенка, детали коллектора
|
Ст. Х18Н10Т
|
Рубашка цилиндра и докритической части сопла
|
Ст. 21Х2НВФА
|
Рубашка закритической части сопла
|
Ст. 12Х2НВФА
|
Гофрированные лроставки
|
Ст. 10КП
|
Опора
|
Ст. 20ХГСА
|
Кронштейны
|
Ст. 25ХГСА
|
Припой для пайки форсуночной головки
|
кислотостойкий припой №87
|
Припой для пайки узлов цилиндрической части, сопла
|
ПрМНЦ 5,5+11,5
|
После приварки опор и кронштейнов камера проходит термообработку при температуре 250±30°С и гидропневмоиспытания при давлениях,соответственно,75 и 20 ати. Затем камера проходит проливку и промывку по трактам горючего.
Воспламенение компонентов
Для воспламенения основных компонентов топлива применяется химическое зажигание. После заправки баков ракеты 4-камерный двигатель заправляется пусковым горючим в количестве 30 л. Пусковым горючим заполняются магистрали горючего от насоса до клапана, установленного непосредственно перед входом горючего в камеру двигателя. Пусковое и основное горючие разделяются специальным клапаном.
В процессе запуска двигателя обеспечивается опережение поступления окислителя в камеру сгорания. Пусковое горючее, соприкасаясь с окислителем в камере, воспламеняется. Начинается процесс горения. Система подачи обеспечивает непосредственный переход процесса горения с пусковым горючим на горение с основным горючим.
|
Скачать 0.87 Mb.