Камера згоряння

1. Камера згоряння, що містить сопло, металевий корпус з теплозахисним покриттям і кришкою, яка відрізняється тим, що теплозахисне покриття корпусу виконано у вигляді вставного багатошарового циліндра, який включає щонайменше один ерозійностійкий шар та щонайменше один теплоізолюючий шар, ерозійностійкий шар виконаний з композиційного матеріалу, переважно на основі вуглецю, а теплоізолюючий шар виконаний з матеріалу на основі кремнеземної тканини і фенолформальдегідного зв'язуючого, між ерозійностійким і теплоізолюючим шарами циліндра поміщений шар з антифрикційного матеріалу, що сублімує при нагріві, наприклад фторопласту, кришка оснащена теплозахисним покриттям, що включає ерозійностійкий і теплоізолюючий шари, виконані з матеріалів, аналогічних матеріалам покриття корпусу, а на торці ерозійностійкого шару U 2 (19) 1 3 обмежується теплостійкістю і характеристиками міцності металу, і не перевищує 1000-1300°С. Найближчою до пропонованого рішення за технічною суттю є камера згоряння [патент США №4030875, НПК 431/352, МПК F23D 15/02], яка виконана з декількох з'єднаних уздовж осі секцій, при цьому деякі секції, включаючи кришку (головку камери), виконані цілком з теплостійкого металевого сплаву без теплозахисту, через отвори в стінках такої секції надходять повітря і паливо, що охолоджують секцію, інші секції, суміжні з першими, містять силову металеву оболонку, усередині якої встановлений циліндр з ерозійно-стійкого керамічного матеріалу, теплоізольований від металевої оболонки шаром термічної ізоляції, який розташований між металом оболонки і керамікою, при цьому керамічний циліндр пружне опертий в осьовому і радіальному напрямах. Переваги цієї конструкції полягають у відсутності зазорів меж металом и керамікою, можливості теплового розширення шарів теплозахисту і поліпшеної працездатності камери згоряння при дії високотемпературного газового потоку. Недоліком є обмеженість робочої температури, причому для секцій, виконаних цілком з металу, працездатність визначається теплостійкістю металу, а для секцій з теплостійкою керамікою працездатність визначає шар еластичної теплоізоляції, що контактує з керамікою. Оскільки теплостійкість відомих марок еластичної теплоізоляції невисока, тому допустима температура гарячого газу для даної конструкції камери не перевищує 1400°С і для тривалого режиму роботи буде потрібно виконувати шар еластичної ізоляції збільшеної товщини, що збільшує габарити і масу конструкції. Ще одним недоліком прототипу є недостатньо надійна працездатність в початковий період роботи камери згоряння. У момент запуску камери відбувається короткочасний пік тиску через затримку запалювання компонентів палива, що приводить до підвищення тиску продуктів згоряння в 1,5-2 рази більше ніж тиск на сталому режимі роботи камери. При цьому перепад тиску впливає на крихкий ерозійностійкий шар покриття в радіальному напрямі, що приводить до зламу цього матеріалу. Технічною задачею пропонованого рішення є виконання конструкції камери згоряння з підвищеною стійкістю до ерозії і термічного впливу, яка не допускає проникнення газу високої температури до металевої стінки і перегрів її. Технічним результатом даного рішення є підвищення надійності роботи на 10% і зменшення маси камери в 1,3 рази. Рішення поставленої задачі здійснено за рахунок використання наступних відомих суттєвих ознак: камера згоряння, що містить сопло, металевий корпус з теплозахисним покриттям і кришкою, а також наступних відмінних суттєвих ознак: теплозахисне покриття корпусу виконано у вигляді вставного багатошарового циліндра, який включає щонайменше один ерозійно-стійкий шар та щонайменше один теплоізолюючий шар, ерозійностійкий шар виконаний з композиційного матеріалу переважно на основі вуглецю, а теплоізолюючий шар виконаний з матеріалу на основі кремнезем 50573 4 ної тканини і фенолформальдегідного зв'язуючого, між ерозійно-стійким і теплоізолюючим шарами циліндра поміщений шар з антифрикційного сублімуючого при нагріві матеріалу, наприклад, фторопласту, кришка оснащена теплозахисним покриттям, що включає ерозійно-стійкий і теплоізолюючий шари, виконані з матеріалів, аналогічних матеріалам покриття корпусу, а на торці ерозійно-стійкого шару кришки виконані кільцева западина і виступ, що контактують з торцем ерозійно-стійкого шару циліндра, при цьому між торцем ерозійно-стійкого шару циліндра і соплом встановлений пружний герметизуючий елемент. Виконання теплозахисту з ерозійностійким шаром з композиційного матеріалу переважно на основі вуглецю і шаром теплоізоляції на основі кремнеземної тканини з фенолформальдегідним зв'язуючим дозволяє виконати покриття менше по масі в 1,2-1,3 рази. Виконання всіх шарів теплозахисту жорстко сполученими один з одним дозволяє пусковому піку тиску передаватися через шари теплозахисту на металевий корпус, який у цей момент має низьку температуру і щонайвищу міцність, тому надійність всієї конструкції буде забезпечена. Виконання на торці ерозійностійкого шару теплозахисту кришки кільцевій западини і виступу, що контактують з торцем ерозійно-стійкого шару корпусу, підвищує міцність і надійність конструкції камери згоряння. Виконання торцевої пружної опори для ерозійностійкого шару теплозахисту корпусу у вигляді м'якого пружного елемента, наприклад сильфона, захищеного від нагріву деталями ущільнювачів у вигляді кілець, дає можливість осьового теплового розширення ерозійностійкого шару при мінімальній в ньому напрузі і одночасно виключає проникнення гарячого газу до металевої стінки корпусу, що в результаті підвищує міцність і надійність роботи камери. Виконання системи некрізних пазів на теплоізоляції в стику її зі стінкою корпусу зменшує і локалізує напругу в цьому стику і сумісних шарах, що підвищує надійність роботи камери згоряння. Конструкція і робота запропонованої камери згоряння пояснюється наступними ілюстраціями: Фіг.1 - схема конструкції, Фіг.2 - схема герметизуючого пружного елемента. Камера згоряння містить сопло 1, металевий корпус 2, кришку 3, теплозахисне покриття корпусу у вигляді циліндра, що складається з шарів ерозійно-стійкого матеріалу 4, антифрикційного сублімуючого матеріалу 5, термоізолюючого матеріалу 6 і клею 7, а також теплозахисне покриття кришки, що складається з шарів ерозійностійкого матеріалу 8, клею 9, термоізолюючого матеріалу 10, клею 11. На торці шару 8 виконані кільцева западина 12 і виступ 13, яки контактують з торцем 14 шару 4. Між торцем 14 шару 4 і западиною 16, виконаної в соплі 1, встановлений пружний герметизуючий елемент 17 з накладкою 18, теплоізолюючим кільцем 19 з матеріалу на основі кремнеземної тканини і фенолформальдегідного зв'язуючого і теплостійкім кільцем 20 з терморозширеного графіту. На зовнішній поверхні 21 термоізоляції 6 виконані 5 50573 некрізні пази 22 для зменшення і локалізації напруги, в пази встановлені герметизуючі теплостійкі прокладки 23 у вигляді шнура з боросилікатного або азбестового волокна, аналогічні прокладки 24 і 25 встановлені на торцях шару 6, термостійкі герметизуючі прокладки 26 і 27 встановлені в стику шару 6 з шаром 10 і в стику шару 4 з соплом 1. Пружний герметизуючий елемент 17 виконаний у вигляді тонкостінного гнучкого елементу типу сильфону. Робота запропонованої конструкції камери згоряння відбувається таким чином. Після запуску у міру розігрівання ерозійностійкого шару 4 цей шар розширюється і рухає по антифрикційному шару 5, при цьому сили тертя і напруга в шарах покриття 4 матимуть малу величину. При подальшому нагріві ерозійностійкого шару 4 відбувається сублімація (випаровування) проміжного антифрикційного шару 5 і ерозійностійкий шар 4 вільно розширяється в радіальному і осьовому напрямах в простір, що звільнився від шару 5. Теплове розширення ерозійно-стійкого шару 4 приводить до зсуву його торця 15 у напрямку до сопла 1, при цьому сильфон 17 стискається, а Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 6 ущільнююче кільце 20 і теплоізоляційне кільце 19 герметизують зазор і захищають сильфон від нагріву. Протягом роботи камери починає прогріватися і розширятися також шар теплоізоляції 6. При цьому він рухається відносно ерозійно-стійкого шару 4 по проміжному шару 5 з антифрикційного матеріалу, а відносно корпусу 2 - по шару клею 7, на якому теплозахисний циліндр встановлений всередину металевого корпусу 2. Через різницю коефіцієнтів теплового розширення матеріалів в стику теплоізоляції 6 і корпусу 2 можливо появлення напруги, яка зменшується і локалізується пазами 22 завдяки орієнтованої деформації теплоізоляції 6 уздовж цих пазів, при цьому на дні пазів внаслідок напруги можливо місцеве порушення суцільності матеріалу, тому для виключення проникнення газу в пазах установлені ущільнюючи прокладки 23. Виконання камери згоряння відповідно пропонованого рішення забезпечує в порівнянні з прототипом товщину покриття в 1,2-1,5 рази меншу, масу на 20-30% меншу, а надійність камери на 10% вищу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601