Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 74
Текст из файла (страница 74)
5 40) и больше прочность стенки; б) высокой жаропрочностью', так как они работают при значительных температурах, несмотря на все меры, принимаемые для снижения температур; в) хороптим свойством сопротивления износу (эрозии) при высоких скоростях газа и в условиях окислительной среды, т. е. быть жаростойкими. 3. Материалы, применяемые в ЖРД, должны быть по возможно. сти легкими, т. е. иметь возможно меньший удельный вес. При данном усилии, определяемом давлением рь действующим на конструкцию, вес ее определяется толщиной материала и его удельным весом. В свою очередь толщина материала определяется величиной допустимого напряжения и„„.
По этой причине весовые качества материала зависят от отношения — "". т В настоящее время нет ни одного материала, который хотя бы удовлетворительно отвечал одновременно всем изложенным требованиям. ' Жаропрочность — способность материала сохранять свои механические свойства при высоких температурах. Жаростойкость — способность металла длительное время сопротивляться воздействию высоких температур, 390 Основные материалы, применяемые в ЖРД, можно разделить по степени их теплопрозодностн на следующие группы: Материалы высокой теплопроводностн. К их числу относятся медь и алюминий, а также сплавы их с другимв металлами. Эти материалы имеют низкие по сравнению со сталями допускаемые напряжения, а также малую жаропрочность Алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются.
Существовали конструкцив камер двигателей, например, камера двигателя Р-3395 (см. фиг. 128), с внутренней оболочкой из алюминия. Медь обладает более высокой теплопроводностью, но так же как и алюминий, может применятвся в таких конструкциях камер двигателей, где внутренние стенки путем скреплений частично разгружены от механической нагрузки. Материалы средней теплопроводности. В первую очередь ~к ним относятся малоуглеродистые стали, обладающие коэффициентом теплопроводности 1=40 — 50 ккал/м час 'С. Этн стали хорошо штампуются и свариваются, По сравнени~ю с медными и алюминиевыми сплавами они имеют большую жаропрочность, что компенсирует меньшую величину вх теплопроводности.
Малоуглеро«««и дистые стали немеют удовлетворительную величину "", дешевы и т широко распространены в технике. Несмотря на их недостатки: легкую окисляемость и малую эрозионную стойкость эти стали являются основнымп материалами для камер ЖРД. Камеры двигателей А-4, «Вассерфаль» и «Рейнтохтер» изготовлены именно из таких сталей. К числу материалов средней теплопроводности; имеющих повышенную химическую стойкость н жаропрочность, относится никель, однако он очень дорог и для камер двигателей, работающих на обычном топливе, не применяется. Материалы нмзкой теалопроводности, К этим материалам относятся легированные и жаропрочныв сплавы типа~ 1Х18Н9; 1Х18Н9Т и др, Они„хорошо работают при высоких температурах и устойчивы против коррозии.
Однако, как правило, они плохо поддаются штамповке и сварке. К тому жв это дорогие и дефицитные материалы. Для камер ЖРД они применяются только в конструкциях двигателей многоразового действия, работающих на агрессивных компонентах. Примером такого ЖРД может служить камера двигателя «Вальтер» (см.
фиг. 125). В заключение можно сказать, что наиболее удобным матервалом для ЖРД многоразового действия, работающих на неагрессивных компонентах, и для ЖРД многоразового действия, работающих на агрессивных компонентах, является малоуглеродистая сталь. При.мером тому может служить двигатель ракеты А-4 (см. фиг. 124), изготовленный из малоуглеродистой стали. В табл. 31 приведены свойства некоторых конструкционных материалов.
391 Условия работы материала стенок камеры двигателя Условия работы материала различных элементов камеры резко отличаются друг от друга. Материал наружной стенки камеры, а также дннщ головки работает практически прн низких (нормальных) температурах, поэтому особые требования к этому материалу не предъявляются. Нагрузка на эти детали определяется давлением, действующим в рубашках охлаждения.
Кроме прочностных свойств, эти детали, а также места их соединений друг с другом должны обладать определенной жесткостью, особенно ввиду возможности возникновения в камере ЖРД вибрационнога сго- иЫ/юста рания, когда давление меняется в короткие промежутки времени. гааа Вибрационное сгорание при недоРа статочной жесткости узлов двнгателя может привести к их разрушению. Наружные стенки двигателя и головки рассчитываются обычно, как тонкостенные сосуды, нагру- Р женные внутренним давлением. ахл Значительно сложнее и более изменчивы условия работы внутренней оболочки камеры.
В процессе работы двигателя материал ! внутренней оболочки испытывает нагрузку от перепада давления 1 — между давлением в рубашке охлаждения и давлением в камере Фиг. !47. РаапРелалеиие давлений двигателя (фиг. 147). Эта нагруз- ка различна для различных пеахлажлением.
риодов работы двигателя. При запуске, когда давление в камере двигателя отсутствует, перепад давления во всех сечениях примерно постоянен и меняется только за счет уменьшения давления вдоль рубашки охлаждения вследствие гидравлического сопротивления ее. Максимальный перепад давления будет ~в том сечении, где охлаждающий компонент вводится в рубашку охлаждения, Во время работы двигателя перепад давления Лр, вызывающий нагружение внугренней рубашки камеры, имеет различную величину по ее длине. Он изменяется за счет того, что внутреннее давление в камере и давление в рубашке охлаждения переменны по длине камеры двигателя.
При обычном способе подвода охлаждающего компонента оо стороны сопловой части максимальный перепад давления будет в выходном сечении сопла. Кроме того, условия работы внутренней оболочки на~меры ослож- няются высокой ее температурой. Как известно„прочность материала сильно зависит от его температуры, поэтому прочность стенок камеры двигателя различна как по сечениям двигателя, так и в различные периоды его работы. Большое значение для надежной работы внутренней оболочки имеет также ее жесткость, так как оболочка во время работы всегда подвержена наружному давлению.
При высоких температурах внутренняя оболочка может довольно легко потерять устойчивость, что быстро приведет к ее выпучиванию и прогару. Нв фиг. 148 схематично показано, как может потерять устойчивость оболочка камеры двигателя. Для предохранения внутренней оболочки камеры двигателя от потери устойчивости под воздействием давления в охлаждающем тракте применяют так называемые скрепленные оболочки, при которых внутренняя оболочка тем или иным способом скреплена с наружной оболочкой камеры.
Исходя из описанных выше условий работы камеры двигателя можно привести два наиболее характерных режима, при которых следует производить проверочный расчет камеры: 1, Режим запуска двиг а т е л я. На этом режиме ~наблюдается наибольший перепад дав- дфоп ления на внутренней оболочке. Расчету подлежит сечение с максимальным перепадом давления (сечение 3, фиг.
147) и сечение с наибольшим диаметром. Прочно- Фяс 148. Потеря устойчивости каместные свойства металла берутся Рм хвягвгеяя. при этом для нормальных температур. Расчет проводится на прочность и на устойчивость оболочки. 2. Р еж им р а боты двигателя. При этом перепады давления во всех сечениях, кроме среза, уменьшаются, но зато сильно увеличивается температура и резко падает прочность стенок В этом случае нужно учитывать зависимость допускаемого сопротивления и модуля упругости материала Е от температуры. В расчетах можно принимать, что механические свойства материала определяются средней температурой стенки, т.
е. Гг. ст+ у'ж. сг Расчетными сечениями являются срез сопла, критическое сечение и цилиндрическая часть камеры двигателя, Расчет проводится на прочность оболочки и на потерю ею устойчивости. 393 Некоторые замечания по конструкции камеры Обычно окончательную компоновку головки и .камеры сгорания производят на одном чертеже. При этом решаются.
следующие вопросы: способ соединения головки с камерой сгорания, способ подвода компонентов к камере, а также способ отвода охлаждающего компонента из рубашки охлаждения в головку ЖРД. Кроме того, здесь же определяется метод и место крепления всего двигателя на раме, центровки двигателя и пр.
Соединения головки с камерой сгорания ЖРД, так же как и вообще конструкция головки и камеры сгорания, могут быть сварные н разъемные. Следует отдать предпочтение сварным конструкциям; поскольку они проще, легче и дешевле в изготовлении. Только для двигателей многоразового действия с большим ресурсом целесообразно применять разъемные соединения. Различные виды соединения камеры сгорания и головки см.
на фиг. 124 — 129. У небольших ЖРД компоненты к головке подводят по одной трубке. При больших расходах компонент подают по нескольким трубам, равномерно расположенным на головке. Кроме уменьшения диаметра подводящих труб, в этом случае достигается |более равномерное распределение перепада давления на форсунках. Компонент, используемый для охлаждения камеры двигателя, следует подводить по трем-четырем патрубкам. Это создает более ра~вномерное течение охлаждающей жидкости.
К тому же обычно при компоновке двигателя в установке всегда очень мало свободного пространства и подвести компонент к сопловой части камеры одной трубой почти невозможно. Из охлаждающего тракта в головку ЖРД компонент подается или непосредственно (например, в А-4), или несколькими патрубками (при разъемных конструкциях).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
