2.2.Основные агрегаты и узлы двигателя РД-107…….8
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Балтийский Государственный Технический Университет
' ВОЕНМЕХ '
Е. С. Потехин
| Учебно-методическое пособие по лабораторной работе ' Изучение изделий РД-107-РД-108 ' | Утверждено на заседании Кафедры А3 Протокол № 2 от 07.10.97 Зав. Кафедрой А3 Ю.Н. Филимонов |
Санкт-Петербург
1997
Содержание.
Введение ……………………………………………….. 1
1.Основные параметры двигателей РД-107 и РД-108...3
2.Двигатель РД-108……………………………………..5
2.1.Пневмогидравлическая схема……………………...5
2.2.Основные агрегаты и узлы двигателя РД-107…….8
2.2.1.Основная камера сгорания……………………….8
2.2.2.Турбонасосный агрегат………………………….11
2.2.3.Газогенератор……………………………………14
2.2.4.Агрегаты автоматики двигателя РД-107……….15
2.2.4.1.Редукторы РД-107…………………………..15
2.2.4.2.Регуляторы РД-107………………………….16
2.2.4.3.Клапаны жидких компонентов РД-107……18
2.2.4.4.Газовые клапаны РД-107……………………21
2.2.5.Рулевые агрегаты ДУ РД-107……………………21
2.2.5.1.Рулевая камера сгорания……………………23
2.2.5.2.Узлы подвода горючего и окислителя……..23
3.Отличие двигателя РД-108 от РД-107………………23
Список использованных источников…………………27
Список использованных источников.
1.Альбом конструкций ЖРД (часть III) (п/р Глушко В.П. ).
Военное издательство МО СССР, М.,1969.
2. Атлас конструкций ЖРД . Часть I. ( п/р Гахуна Г.Г.),
МАИ, М., 1969.
3.Атлас конструкций ЖРД. Часть II. (п/р Гахуна Г.Г.),
МАИ , М., 1973.
4.Атлас конструкций ЖРД. Часть III. (п/р Гахуна Г.Г.),
МАИ , М., 1981.
Введение.
Разработка многокамерных двигателей РД-107, РД-108 тягой в пустоте 1,0 Мн и 0,92 Мн соответственно была начата в опытно-конструкторском бюро под руководством главного конструктора В.П. Глушко в 1954 году. За сравнительно короткий срок были созданы двигатели, работающие при большом по тому времени давлении в камере и значительно превосходящие по своим характеристикам (тяга, удельный импульс, надежность и др.) все раннее созданные двигатели. Этому способствовала хорошо отработанная система смесеобразования и ряд принятых конструктивных решений. Создание двигателей РД-107, РД-108 явилось
выдающимся событием в ракетостроении. С 1957 года советские космические и межконтинентальные ракеты были оснащены этими двигателями или их модификациями. С помощью РД-107 и РД-108 выводились на орбиту спутники Земли , Луны и Солнца, автоматические станции к Луне, Марсу и Венере, пилотируемые корабли-спутники 'Восток', 'Восход', 'Союз' .
На ракетах для которых были созданы двигатели РД-107, РД - 108 и их модификации, устанавливается по пять двигателей : по четыре двигателя РД-107- на боковых блоках каждой ракеты, представляющих собой первую ступень ,и по одному двигателю РД-108- на центральном блоке, представляющим собой вторую ступень ракеты, запускающуюся одновременно с первой.
Двигатели РД-107 и РД-108 многокамерные. Они аналогичны по схеме и конструкции. Каждый двигатель состоит из четырех основных камер сгорания ( КС ) , одного турбонасосного агрегата ( ТНА ), газогенератора ( ГГ ), испарителя азота для наддува баков ракеты , комплекта агрегатов автоматики, узлов и деталей общей сборки. Кроме того, на двигателе РД-107 имеются два рулевых агрегата ,а на двигателе РД- 108 четыре рулевых агрегата , которые служат для управления полетом ракеты. Рулевые агрегаты включа-
ют в себя рулевые камеры и узлы, обеспечивающие их качание и подвод компонентов. Рулевые агрегаты питаются от основного ТНА.
Схема установки двигателей на ракете приведена на рисунке (рис. 1).
1.Основные параметры двигателей РД-107 и РД-108 .
Параметры Двигатели
РД-107 РД-108
Тяга в пустоте, (МН) 1,0 0,92
Тяга у земли , (МН) 0,82 0,73
Удельный импульс в
пустоте , ( М/СЕК) 3067 3087
Удельный импульс у
земли , (М/СЕК ) 2509 2430
Коэффициент полноты
удельного импульса
камеры сгорания 0,938 0,944
Давление в КС ,( МПА) 5,85 5,10
Мощность ТНА ,( МВТ) 3,827 3,238
Габариты , ( М )
диаметр 2,58 1,95
высота 2,86 2,86
Давление на срезе
сопел основных
КС (МПА) 0,039 0,033
Окислитель Жидкий кислород
Горючее Керосин -' Т-1 '
Компоненты
Газогенерации Перекись водорода 82%
Катализатор марки Ж-30-С-О
Массы двигателя(кг) 1190 1279
На двигателях РД-107 и РД-108 было впервые осуществлено регулирование по тяге и соотношению компонентов топлива при работе их на основном режиме , что позволило существенно повысить эффективность ракеты как за счет обеспечения более полной и синхронной выработки компонентов топлива из баков ( система СОБ ), так и за счет обеспечения полета ракеты с заранее рассчитанной оптимальной скоростью по всей траектории полета ( система регулирования кажущейся скорости - РКС ). Применение рулевых КС с достаточно высоким удельным импульсом ( в пустоте -3070 м/сек, у земли- 2470 м/сек ) позволило обеспечить необходимую эффективность системы управления полетом ракеты с малыми потерями удельного импульса двигательной установки в целом .
2. ДВИГАТЕЛЬ РД-107.
Внешний вид этого двигателя показан на рис.2
2.1 Пневмогидравлическая схема двигателя.
На рис. 3 приведена упрощенная пневмогидравлическая схема (ПГС) двигателя РД-107 . (С подробной ПГС можно ознакомится в / 1/) . Рассмотрим ее функционирование при запуске, работе на режиме номинальной тяги и отсечке ДУ.
Перед запуском автоматика двигателя находится в следующем положении: все электропневмоклапаны (ЭПК) обесточены ; редуктор (1) настроен на давление , обеспечивающее номинальный режим работы двигателя ; дроссель горючего установлен в положение , обеспечивающее номинальное соотношение компонентов ; в основных и рулевых камерах установлены пирозажигающие устройства ( ПЗУ ) (32); клапаны горючего (24) и окислителя (23) удерживаются в закрытом положении воздухом , подаваемым в их управляющие полости через редуктор (12) и открытые ЭПК (21) и (22) от бортового баллона
( дублирование на случай неисправности бортовой системы ВВД осуществляется от наземной установки – см. ПГС , рис.3) ; перекрывной клапан перекиси водорода (15) и клапан азота (11) закрыты под действием своих пружин ; ЭПК (17), (9), (13) закрыты. При этом происходит стравливание воздуха через предохранительный клапан в выходной полости редуктора (1).
Для предотвращения попадания в зарубашечные полости и в форсуночную головку КС паров кислорода ( из – за возможной негерметичности клапана окислителя ) и влаги из окружающей среды с момента начала охлаждения магистрали окислителя перед заправкой ракеты начинается продувка указанных полостей небольшим расходом воздуха через обратные клапаны (25). За 3-5 мин. До запуска начинается интенсивная продувка этих полостей азотом .
Запуск двигателя на режим номинальной тяги ( главная ступень тяги) осуществляется через предварительную и две промежуточные ступени для предотвращения заброса давления в КС . Выход двигателя на режим , соответствующие промежуточным ступеням тяги осуществляется изменением
давления воздуха в управляющей полости регулятора расхода перекиси (10) за счет стравливания воздуха через жиклеры (8) и (14) при неизменной настройке редуктора (1).
Перед включением двигателя подается напряжение на ЭПК (9) и (13), и они открываются ,обеспечивая стравливание воздуха через жиклеры (8) и (14) . При этом в управляющей полости регулятора (10) устанавливается давление , равное ~ 66 % от номинального, на которое настроен редуктор (1).
Включение двигателя производится подачей команды на замыкание всех ПЗУ(32). Дальнейшее протекание всех операций по запуску осуществляется автоматически . В результате воспламенения всех ПЗУ перегорают установленные в них сигнализаторы. После регистрации перегорания сигнализаторов во всех камерах подается напряжение на ЭПК (22), управляющий работой клапана окислителя (23) . ЭПК (22) закрывается , воздух из управляющей полости клапана (23) стравливается в атмосферу и последний открывается на предварительную ступень , что контролируется замыканием контакта . Кислород начинает самотеком поступать к основным и рулевым КС. При условии замкнутости контакта клапана окислителя (23) через 2,5+-0,3 сек после подачи напряжения на ПЗУ подается напряжение на ЭПК (21), открывающий клапан горючего (24) на предварительную ступень .Через 2,2+0,2 сек после команды на открытие клапана горючего , до того, как успеют заполнится керосином зарубашечные полости КС, подается команда на выключение продувки . При попадании керосина в КС он воспламеняется и двигатель выходит на режим предварительной ступени. При этом замыкаются контакты реле (27).
Через 9,5 сек после подачи команды на ПЗУ включается контроль режима предварительной ступени. Если в течении 1+0,2 сек. не произойдет замыкание контактов реле (27) и контакта клапана окислителя , то поступает команда на включение первой промежуточной ступени . При этом подается питание на ЭПК (17). Он открывается и подает воздух в управляющие полости клапанов (11( и (15) , открывая их .Перекись водорода начинает поступать в ГГ (19),а жидкий азот в испаритель(6) и затем на наддув всех баков .
В ГГ перекись водорода , попав на катализатор , разлагается на образовавшийся парогаз поступает на лопатки турбины (5). ТНА начинает работать. При этом увеличивается давление компонентов за насосами (2,3,4,7). Под действием возрастающего давления клапан горючего (24) открывается на главную ступень. Затем при достижении давления за насосом окислителя (4)~2,6 МПа осуществляется разрыв болта, удерживающего клапан окислителя (23) в положении предварительной ступени, и клапан открывается на главную ступень, что контролируется соответствующими контактами. При достижении в основных КС давления ~ 2,45Мпа размыкаются контакты реле давления(28), контролирующего выход двигателя на первую промежуточную ступень. Переход на режим второй промежуточной ступени осуществляется закрытием
(обесточиванием ) ЭПК (13). Стравливание воздуха осуществляется только через жиклер (8), что приводит к увеличениюдавления в управляющей полости регулятора (10) и, следовательно, расхода и давления подачи перекиси водорода в ГГ ( 19). Это влечет за собой изменение в режиме работы ТНА. Давление подачи компонентов увеличивается. Двигатель выходит на режим второй промежуточной ступени.
Перевод двигателя на режим главной ступени тяги осуществляется после отделения ракеты от стартового стола, на шестой секунде после срабатывания контакта подъема. При этом закрывается ( обесточивается ) ЭПК (9). Стравливание воздуха через жиклер (8) прекращается . В управляющей полости регулятора (10) устанавливается давление , соответствующее главной ступени тяги, на которое был настроен перед запуском
редуктор(1). Давление подачи и расходы компонентов повышаются до номинальных значений. Двигатель выходит на режим главной ступени тяги.
Регулирование тяги в полете осуществляется при совместной работе систем РКС и СОБ. Исполнительным элементом системы РКС является редуктор точной настройки(1) с электроприводом. Для улучшения процесса регулирования в систему РКС введена обратная связь по давлению в КС, осуществляемая с помощью прецизионного датчика давления (26). Исполнительным элементом системы СОБ является дроссель горючего (18) с электроприводом.
Включение двигателя производится ступенчато с целью уменьшения импульса последействия. Предварительно открываются ЭПК (9) и (13); при этом воздух стравливается через жиклеры (8) и (14). Двигатель переходит на режим первой промежуточной ступени. Одновременно срабатывают пироклапаны (29) рулевых камер, прекращая подачу окислителя в них. Через 1 сек обесточиваются ЭПК (17), (21) и (22).При этом закрывается перекрывной клапан перекиси водорода (15).ТНА перестает работать. Давление за насосом снижается, и закрываются клапаны горючего (24), окислителя (23) и жидкого азота (11). Двигатель выключается.
2.2 Основные агрегаты и узлы двигателя РД-107.
2.2.1 Камера сгорания (основная).
Камера сгорания представляет собой паяно-сварную неразъемную конструкцию и состоит из форсуночной головки ,средней части и сопла (см. схему рис.4). Конструкция камеры представлена в /1/ и /2/.
На форсуночной головке установлены 277 двухкомпонентных тангенциальных центробежных форсунок открытого типа и 60 однокомпонентных центробежных форсунок горючего(Г) в периферийном ряду для создания пристеночного слоя с избытком горючего.
Все двухкомпонентные форсунки одинаковы по конструкции и расположены равномерно по 9 концентрическим окружностям(плюс одна форсунка в центре головки). Окислитель(О) поступает в форсунку через 4 тангенциальных отверстия, горючее через 3. Двухкомпонентные форсунки по точности изготовления (по расходу через них) разбиты на 9 классов- для каждой из полостей ( 'Г' и 'О') устанавливаются по три градации расхода (размеров). Форсунки различных классов достаточно равномерно распределяются по площади головки. Такая компоновка головки позволила получить стабильные характеристики системы смесеобразования и явилась достаточно эффективным методом подавления высокочастотных пульсаций давления в КС.
Все форсунки припаяны к плоским внутреннему и среднему днищам, между которыми находится полость горючего.
Полость окислителя образована средним днищем и наружным сферическим днищем (см. схему рис.4). Для увеличения прочности между средним и наружным днищами установлены две кольцевые перегородки с отверстиями для прохода окислителя.
Средняя часть камеры включает в себя цилиндрический участок КС, докритическую часть и начальный участок закритической части сопла. Огневая (внутренняя) стенка средней части состоит из двух секций. Профилированная секция для улучшения условий охлаждения выполнена фрезерованной (см. схему рис.4) На менее теплонапряженном цилиндрическом участке огневая стенка гладкая. Она соединена с рубашкой
пайкой через гофрированную проставку.
Конструкция сопловой части аналогична и ясна из схемы Рис.4. На этом же рис. Представлена схема наружного охлаждения КС. Для уменьшения габаритов двигателя подвод горючего осуществляется на некотором удалении от среза сопла. При этом на входе в охлаждающий тракт горючее делится на два потока. Один поток по каналам между рубашкой и гофрированной проставкой направляется в сторону форсуночной головки, второй по таким же каналам доходит до среза сопла и возвращается обратно по каналам, образованным гофрированной проставкой и огневой стенкой. В месте стыка гофрированных проставок оба потока соединяются и продолжают движение в сторону форсуночной головки.
Материалы , применяемые при изготовлении КС.
Наименование деталей Материал
Внутренние стенки, внутреннее
днище, форсунки Бронза БрХ08
Гофрированные проставки Сплав № 5 (на мед-
ной основе )
Днища среднее и наружное,
патрубки, фланцы, силовые
кольца, перегородки и т.д. Сталь ЭИ654
Трубы, соединительное
кольцо средней части и
сопла Сталь Х18Н10Т
Рубашка сопла Сталь 12Х2НВФА
Рубашка средней части Сталь 21Х2НВФА
Припои
1- для пайки форсунок ПСр 37,5
2- для пайки средней
части и сопла ПСрМНЦ-38
Основные параметры КС.
Расход горючего (кг/с) 20,8
Расход окислителя (кг/с) 52,2
Диаметр цилиндрической
части КС (мм) 430
Диаметр критического
сечения (мм) 165,8
Диаметр выходного
сечения сопла (мм) 720
Объем КС докритического
сечения (м^3) 0,085
Относительная расходонапря-
женность (расход отнесенный
к давлению в КС и к площади
форсуносной головки кг/с*м^2*па) 86*10 (-6)
Время прибывания продуктов в КС (с) 5,59*10(-3)
2.2.2. Турбонасосный агрегат
ТНА РД-107 (см. схему рис.5) состоит из турбины, насосов окислителя, горючего, перекиси водорода и жидкого азота. В РД-107 с ТНА совмещен также испаритель жидкого азота.
Турбина- осевая, двухступенчатая, высокоперепадная, активного типа с консольным расположением ротора, работает на продуктах разложения перекиси водорода.
Насос окислителя шнекоцентробежный с двухсторонним подводом компонента. Выходная рабочая полость выполнена в виде спирального отвода (улитки) и комбинации с диффузором.
Турбина и насос окислителя имеют общий вал, насос горючего имеет свой вал. Валы расположены соосно и соединены рессорой.
Крутящий момент на валы вспомогательных насосов перекиси водорода и жидкого азота передается через мультипликатор, ведущая шестерня которого расположена консольно на валу насоса горючего. Применение мультипликатора позволило использовать для вспомогательных насосов более высокие частоты вращения, что повысило экономичность, уменьшило вес и габариты как насосов перекиси водорода и жидкого азота, так и всего ТНА. Вспомогательные насосы центробежные, имеют односторонний подвод, преднасосов нет.
В ТНА применяются комбинированные уплотнения, состоящие из фторопластовых (в насосе окислителя) и резиновых (в насосе горючего), манжет чугунных разрезных колец, отражателя и лабиринтов.
Смазка и охлаждение шариковых подшипников, применяемых в ТНА РД-107, осуществляется различно: в насосе окислителя- небольшим расходом жидкого кислорода из полости высокого давления через специальные сверления, в насосе горючего- с помощью специальной консистентной смазки, стойкой к горючему, в насосе перекиси водорода тоже консистентной смазкой, а в насосе жидкого азота – жидким азотом.
В полость мультипликатора заливается специальная жидкая смазка.
Материалы применяемые в ТНА.
Наименование Материал
деталей Насосы
' О ' ' Г ' Перекись Азот
водорода
Корпус Алюминиевый сплав Ал.4
Крыльчатка Алюминиевый сплав Ал.4
Вал сталь сталь сталь сталь
38ХА 38ХА 2Х13 38ХА
Шнек Ал.
сплав АК8 - - -
Осевая крыльчатка - сталь - -
ОХ18Н9Л - -
Лабиринт бронза сталь сталь сталь
БрОС5-25 2Х13 2Х13 2Х13
Кольцо уплотнения
на валу чугун чугун
СЧ18-36 СЧ18-36
Турбина
Диск ротора сталь 2Х13
Рабочие лопатки сталь 2Х13
Сопловой аппарат сталь 25
Лопатки направляю-
щего аппарата Алюм.сплав АК4
Выхлопной коллектор сталь 12Х2А
Основные параметры ТНА.
Мощность ТНА (МВт) 3,827
Число оборотов турбины и основных 8300
Насосов (' Г ' и ' О ') (об/мин)
Число оборотов вспомогательных
насосов (об/мин) 18100
Расход окислителя (кг/с) 226
Расход горючего (кг/с) 91,4
Расход перекиси водорода (кг/с) 8,8
Расход жидкого азота (кг/с) 1,75
Минимальное давление на входе в
насос ( ' О ') (Мпа) 0,44
Минимальное давление на входе в
насос ( ' Г ) (Мпа) 0,27
Минимальное давление на входе в
насос перекиси водорода (Мпа) 0,28
Минимальное давление на входе в
насос (Мпа) 0,35
Давление на выходе из насоса 'О' (Мпа) 7,84
Давление на выходе из насоса 'Г' (Мпа) 9,26
Давление на выходе из насоса перекиси 8,03
водорода (Мпа)
Давление на выходе из насоса жидкого
азота (Мпа) 3,82
КПД насоса ' О ' 0,67
КПД насоса ' Г ' 0,65
Эффективный КПД турбины 0,57
Температура парогаза на входе в
турбину ( К ) 833
Давление на входе в турбину (Мпа) 5,34
Давление на выходе из турбины (Мпа) 0,14
Сухая масса ТНА (кг) 237
Относительная масса ТНА (масса ТНА,
заполненного компонентами, отнесен
ная к единице тяги двигателя у Земли) (кг/Мн) 330
Подробное описание конструкции ТНА, его характеристик, методов проведения испытаний и ряд других вопросов изложены в /1/, / 3 /.
2.2.3. Газогенератор.
Газогенератор предназначен для выработки рабочего тела для ТНА. В нем происходит каталитическое разложение маловодной перекиси водорода , в результате чего образуется парогаз - смесь водяного пара и газообразного кислорода .
В качестве катализатора используется твердый катализатор марки ' Ж-30-С-О ', представляющий собой смесь зерен неправильной формы размером от 6 до10 мм. Зерна представляют собой спеченное из карбонильного порошкового железа, натриевой селитры и соды пористое окисленное железо. 50% общего количества зерен покрывается активным слоем, состоящим из водного раствора перманганата калия и соды. Эти зерна и являются соответственно катализатором.
Схема ГГ представлена на рис.6 . Наличие 2-х пакетов катализатора позволяет увеличить поверхность контакта перекиси водорода с катализатором при небольшом диаметре ГГ и уменьшить перепад давления на катализаторе. Перекись водорода через жиклер подается в полость между пакетами. Неразложившаяся в пакетах перекись доразлагается в устанавливаемых для этой цели сетках и шнеках. ГГ заключен в теплоизолирующий кожух.
Основные характеристики ГГ.
Давление парогаза на выходе из ГГ (Мпа) 5,35
Расход перекиси водорода (кг/с) 8,8
Удельная нагрузка (кг перекиси/кг катализ.) 3,8
Время работы с обеспечением выходных
параметров ( с ) > 140
Масса ГГ с катализатором (кг) 19,5
Подробное описание устройства ГГ дано в / 1 /.
2.2.4. Агрегаты автоматики двигателя РД-107.
В этом разделе будут рассмотрены принципиальные схемы регуляторов, редукторов, топливных клапанов, газовых клапанов и других элементов ПГС. Конструкция и подробное описание этих элементов представлены в / 1 /, /4 /.
2.2.4.1 Редукторы РД-107.