Камера сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя из композиционных материалов

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к камерам сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

В камерах сгорания по принципу действия ракетных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей создается высокотемпературная газовая среда - газовый поток с повышенным давлением в их объеме и далее по тракту истечения, которое воспринимается их корпусами или наружными оболочками. Требования прочности, тепло- и эрозионной стойкости предъявляются, соответственно, и к их материалам, а при многослойных конструкциях предъявляются требования к их температурной и механической совместимости.

Известен углерод-углеродный композиционный материал по пат. RU №2520281 С2, МПК F02K 9/62 (2006.01) с защитным покрытием из карбида кремния с герметизирующим слоем из металла: никель, молибден, ниобий. Повышается долговечность и надежность, может быть использован при изготовлении жидкостных ракетных двигателей.

Известна камера сгорания по заявке RU №99115664 А, МПК⁷ F02K 9/62, содержащая корпус со стальной наружной и бронзовой внутренней оболочками с системой перепуска хладагента для охлаждения корпуса и сопла. Изобретение касается оформления системы перепуска хладагента в жидкостных ракетных двигателях.

Известна камера сгорания силовой установки крылатой ракеты по пат. RU №2554690 С1, МПК F02K 9/34 (2006.01), выполненная в виде многослойного изделия, содержащего обечайку, несущую механическую нагрузку внутреннего давления, и слой теплозащитного керамического композиционного материала, контактирующего с горячими газами с температурой до 2000°С. Толщина теплозащитного слоя подобрана таким образом, что не требуется дополнительного наружного воздушного охлаждения обечайки.

Предложение направлено на решение вопросов температурной и механической совместимости теплозащитного слоя с материалом обечайки.

Известен корпус камеры сгорания летательного аппарата по пат. RU №24300306 С1, МПК F02K 9/34 (2006.01), выполненный как многослойное изделие с металлической обечайкой, воспринимающей механическую нагрузку от внутреннего давления. Обечайка имеет слой кремнеземной ткани, пропитанной высокотемпературным клеем и соединенной им с внутренней поверхностью металлической обечайки, на который нанесен слой керамического композиционного материала, армированного углеродными волокнами, слой коррозионностойкого связующего материала и слой керамического композиционного высокотемпературного материала, контактирующего с образующимися при сжигании топлива горячими газами с температурой порядка 1600°С.

Толщина каждого из слоев подобрана так, что температурная нагрузка на металлическую обечайку снижена до уровня, не требующего ее дополнительного воздушного охлаждения.

Примененные материалы слоев подобраны с учетом механической и температурной совместимости, а предложение направлено на улучшение характеристик двигателя.

Известна камера сгорания (варианты) по заявке RU №97112747 А, МПК⁶ F02K 9/62, содержащая смесительную головку с устройством подавления колебаний.

Сущность изобретения касается выполнения устройства подавления колебаний в виде усеченного конуса с равномерно расположенными радиальными пластинами и определения соответствующих зазоров от внутренней стенки и расстояний расположения сопел форсунок.

То же касается и камеры сгорания по пат. RU №2551707 С2, МПК F23R 3/16 (2006.01), состоящей из двух оболочек, внутренняя из которых предназначена для работы при более высокой температуре, чем внешняя. Обечайки соединены гибкими пластинами для их связи и компенсации температурных деформаций.

Известна камера сгорания по пат. RU №2258150 С1, МПК⁷ F02K 7/10, конструктивно относящаяся к типу призматических и состоящая из комплекта наружных и внутренних стенок, оформляющих наружный облик камеры и внутренний газовый канал, в которой наружная стенка защищена слоем из газонепроницаемого термоструктурируемого композиционного материала, а отстоящая от нее к центру камеры перегородка, названная в патенте «наружным слоем», наоборот, выполнена из проницаемого для топлива термоструктурированного композиционного материала, топливо подается в зазор между этими термоструктурируемыми слоями и частично отбирается в камеру сгорания. Им же производится и охлаждение стенки камеры сгорания.

При анализе данных источников информации можно выделить два способа тепловой защиты стенок камер сгорания и соответствующего им конструктивного оформления:

1. Посредством отвода тепла от стенок камер сгорания при омывании их протекающим хладагентом, которым является топливо (заявка RU №99115664 и пат. RU №2258150), с эрозионной защитой со стороны газового потока другими элементами конструкции;

2. Посредством ограничения передачи тепла от газового потока к наружным стенкам за счет теплозащитных свойств материалов покрытий, в том числе многослойных, самой силовой оболочки (пат. RU №№2554690, 2430306). При этом последний слой покрытия является наиболее подверженным тепловому и одновременно эрозионному воздействию и является защищающим от него.

В качестве прототипа для корпусов камер сгорания, конструктивное оформление которых больше соответствует приближенным к телам вращения, может быть взят корпус камеры сгорания по пат. RU №2430306, в котором тепловая и эрозионная защита обеспечивается соответствующими слоями покрытий.

Для прямоточных воздушно-реактивных двигателей более характерными являются призматические и многоканальные камеры сгорания. Поэтому в качестве прототипа взята и камера по пат.RU №2258150, состоящая из комплекта стенок, оформляющих составные части камеры.

В ней верхние стенки, контактирующие с потоком горячих газов, охлаждаются поступающим в форсунки топливом с частичным проникновением его через материал стенки (5-15%). Однако боковые стенки и нижние по данной схеме являются неохлаждаемыми.

Предпочтение имело бы однотипное техническое решение теплозащиты и эрозионной стойкости, включая и камеры сгорания с оболочками, приближенными к телам вращения.

Задачей данного предлагаемого изобретения является создание камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с повышенной (усовершенствованной) теплозащитой наружной оболочки, эрозионной стойкостью и разгрузкой от давления газа внутренней.

Основными отличительными признаками конструкции камеры сгорания являются:

- заполнение пространства между наружной и внутренней оболочками или наружными и внутренними стенками пористой теплоизоляцией с закреплением высокотемпературным клеем на одной из оболочек или соответствующих им стенках или без него;

- выполнение наружной оболочки или комплекта соответствующих ей стенок из углерод-углеродного композиционного материала с антиокислительным и герметизирующим покрытием с внутренней стороны;

- выполнение внутренней оболочки из эрозионностойкого материала с регулируемой газопроницаемостью, например, перфорацией.

Предлагаемая камера сгорания поясняется фиг. 1, на которой представлен фрагмент разреза камеры.

Камера состоит из наружной 1 и внутренней 2 оболочек при выполнении камер в виде тел вращения или соответствующих им комплектов наружных и внутренних стенок при другом конструктивном оформлении камер. Пространство между оболочками заполнено пористой теплоизоляцией 3 с закреплением высокотемпературным клеем на одной из них, или на соответствующих им стенках, или без него.

Наружная оболочка или комплект соответствующих ей стенок выполнена из углерод-углеродного композиционного материала с антиокислительным и герметизирующим покрытием с внутренней стороны, а внутренняя оболочка, или комплект соответствующих ей стенок, выполнена из эрозионностойкого материала с регулируемой газопроницаемостью, например, с перфорацией 4.

Принцип работы камеры заключается в следующем.

При прохождении высокотемпературного газа по каналу, образованному внутренней 2 оболочкой, она подвергается эрозионному, тепловому и механическому воздействию от давления газа.

От проникающего тепла газового потока наружная оболочка 1 защищена пористой теплоизоляцией 3. Эрозионная стойкость внутренней оболочки 2 обеспечивается соответствующими свойствами ее материала, а разгрузка от внутреннего давления газа - выполнением материала оболочки с регулируемой газопроницаемостью, например, перфорацией. При этом давление газа, заполнившего поры изоляции, воспринимается силовой наружной оболочкой, защищенной с внутренней стороны антиокислительным покрытием от окислительного действия, проникшего через поры газа.

Таким образом, производится разгрузка внутренней оболочки от давления газа, а проникший в пористую теплоизоляцию газ создает спокойную среду с существенным замедлением массообменных процессов с основным газовым потоком и соответствующим замедлением подвода окисляющих компонентов к наружной силовой оболочке.

По данному предлагаемому изобретению проведены расчеты теплового состояния фрагмента камеры сгорания и испытания макетного образца с подтверждением возможности реализации предложения.