CC BY
30УДК 621.791.18
диффузионно-вакуумная технология изготовления крупных осесимметричных узлов из металлических сетчатых материалов для теплообменных трактов
© 2021 г. Пелевин ф.в.
Московский государственный технический университет (национальный исследовательский университет) имени Н.Э. Баумана
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, г. Москва, Российская Федерация, 105005,
e-mail: bauman@bmstu.ru
Требования по повышению надёжности, ресурса, увеличению удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя обосновывают необходимость перехода к новым конструкциям и технологиям изготовления регенеративной системы охлаждения двигателя. В работе рассмотрена перспективная диффузионно-вакуумная технология изготовления тракта регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя на основе принципа межканального движения теплоносителя сквозь пористый металлический сетчатый материал. Метод диффузионной сварки металлических тканых сеток в вакууме позволяет получать крупные осесимметричные заготовки металлических сетчатых материалов, необходимые для изготовления тракта регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя и рекуперативного теплообменного аппарата. Экспериментально подтверждена возможность создания высокоэффективного малоперепадного пористого теплообменного тракта, полученного с использованием металлического сетчатого материала (МСМ). В качестве исходного материала для изготовления МСМ рекомендуется использовать металлические тканые полотняные и саржевые фильтровые сетки типоразмера П24-П60, С120.
Ключевые слова: диффузионно-вакуумная технология, пористый металлический сетчатый материал, регенеративная система охлаждения, межканальное движение теплоносителя.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2021-4-66-77
diffusion-vacuum technology of manufacturing large axisymmetric assemblies of metal mesh materials for heat exchange paths
pelevin F.V.
Bauman Moscow State Technical University (National Research University) (Bauman MSTU) 5 bld. 1,2nd Bauman str, Moscow, 105005, Russian Federation, e-mail: bauman@bmstu.ru
Requirements for improving the reliability, service life, and increasing a specific pulse of liquid-propellant rocket engines justify a need for transfer to new designs and manufacturing technologies of regenerative engine cooling system.
The paper describes an advanced diffusion-vacuum technology of manufacturing a regenerative cooling circuit for liquid-propellant rocket engine based on the concept of inter-channel coolant transpiration through a porous metal mesh material. The method of diffusion welding of metal wire mesh in vacuum makes it possible to obtain large axisymmetric blanks of metal mesh materials necessary to manufacture the regenerative cooling path of the liquid-propellant rocket engine and recuperative heat exchanger. The possibility of developing a high-efficient low-gradient porous heat exchange path obtained using a metal mesh material (MMM) has been experimentally confirmed. It is recommended to use metal woven cloth and twill filter screens of standard size n24-n60, C120 as a basic material for manufacturing MMM.
Key words: diffusion-vacuum technology, porous mesh material, regenerative cooling system, inter-channel coolant transpiration.
ПЕЛЕВИН Федор Викторович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Ракетные двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, e-mail: pel@bmstu.ru
PELEVIN Fedor Viktorovich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Professor of Department «Rocket engines» at Bauman MSTU, e-mail: pel@bmstu.ru
ПЕЛЕВИН Ф.В.
Введение
Металлические сетчатые материалы (МСМ) используются в промышленности как фильтрующие материалы [1, 2], в качестве капиллярных систем отбора жидкости из баков космических двигательных установок [3], в смесительных головках жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) [4] и как материалы для систем тепловой защиты [5]. МСМ обладают самой высокой прочностью среди металлических пористых проницаемых материалов [1, 6, 7]; высоким поверхностным и объёмным внутрипоровым теплообменом; прогнозируемостью и стабильностью гидравлических характеристик [8], так как они изготовляются из гостированных фильтровых тканых сеток; высокой теплопроводностью по сравнению с другими металлическими пористыми проницаемыми материалами [9].
В настоящее время МСМ изготавливают по двум технологиям:
1 — методом горячей прокатки в вакууме нескольких слоёв сеток [1, 6, 7];
2 — методом диффузионной сварки крупного пакета металлических сеток в вакууме [10].
Технология изготовления МСМ методом горячей прокатки нескольких слоёв сеток в вакуумированном пакете не позволяет получить крупные осе-симметричные заготовки из МСМ, которые необходимы для изготовления рекуперативного теплообменного аппарата (РТА) с использованием МСМ [11] и регенеративной системы охлаждения ЖРД с МСМ [5]. Металлические сетчатые материалы, изготовленные методом диффузионной сварки пакета металлических тканых сеток в вакууме, отвечают этому требованию.
Особенности металлических сетчатых материалов
Известно, что заполнение тепло-обменного тракта пористым высокотеплопроводным сетчатым материалом (ПСМ) с малым термическим сопротивлением между стенкой и пористым материалом максимально интенсифицирует
теплообмен [12]. Теплота от охлаждаемой стенки отводится вглубь пористого материала теплопроводностью по каркасу ПСМ и передаётся теплоносителю за счёт объёмной теплоотдачи в порах. Чем выше теплопроводность пористого металлического материала в направлении распространения теплоты, тем большие объёмы пористого материала и теплоносителя будут участвовать в теплообмене. Кроме того, пористый материал увеличивает прочность и жёсткость РТА и камеры ЖРД.
Одна из главных причин ограниченного применения пористых материалов в теплообменных аппаратах и системе охлаждения — их высокое гидравлическое сопротивление при продольно-канальном движении теплоносителя сквозь ПСМ и большой протяжённости теплообменного тракта. Возникает необходимость перехода к другой схеме движения теплоносителя сквозь пористый металлический материал [5, 13, 14].
Применение диффузионно-вакуумной сварки пакета тканых металлических сеток для изготовления МСМ [10] и принципа межканального движения теплоносителя (МКДТ) [5, 13, 14] является основой для создания новых высокоэффективных пористых теплооб-менных трактов для систем тепловой защиты и компактных теплообмен-ных аппаратов.
На рис. 1 представлена схема движения теплоносителя в цилиндрическом тракте с МКДТ сквозь МСМ.
Рис. 1. Схема движения теплоносителя в цилиндрическом сквозь МСМ
Примечание. Обозначения см. в тексте.
Организовать межканальное движение теплоносителя сквозь МСМ можно следующим образом (рис. 1). Теплоноситель из подводящего коллектора 1 поступает в продольно расположенные в осесимметричной наружной оболочке 2 тракта подводящие каналы 3, заполняет их и под действием перепада давления движется сквозь МСМ 4 в соседние отводящие каналы 5. Внутренняя оболочка 6 и торцы каналов непроницаемы для теплоносителя. Из отводящих каналов теплоноситель поступает в сборный коллектор 7. Подводящие и отводящие каналы чередуются и расположены симметрично друг другу. Изменяя число каналов, можно добиться допустимых потерь давления и скоростей движения теплоносителя сквозь МСМ, не увеличивая толщину пористой вставки. Расстояние между подводящими и отводящими каналами может быть соизмеримо с толщиной пористого металлического материала 5 (шириной кольцевой щели) [5].
На рис. 2 представлена схема регенеративной системы охлаждения камеры ЖРД с МКДТ [5].
Схема с МКДТ сквозь МСМ может применяться и для рекуперативных теплообменных аппаратов для наддува топливных баков ЖРД (рис. 3) [5].
Экспериментально установлено, что МСМ является анизотропным материалом [8]. При МКДТ происходит движение теплоносителя, и, как следствие, уменьшение гидравлических потерь.
МСМ из тканых фильтровых сеток, в отличие от других пористых материалов, обладают регулярной структурой и стабильным гидравлическим сопротивлением, так как они изготовляются диффузионно-вакуумной сваркой гостирован-ных фильтровых тканых сеток (ГОСТ 3187-76. Сетки проволочные тканые фильтровые. Технические условия) при определённой их укладке [1].
межсеточное
тракте с МКДТ
Рис. 2. Разрез камеры ЖРД с межканальным движением теплоносителя сквозь МСМ [5]: а — общий вид камеры ЖРД с МКДТ в разрезе; б — общий вид камеры сгорания в разрезе; 1 — коллектор подвода охладителя; 2 — внутренняя огневая стенка камеры; 3 — наружная силовая стенка камеры; 4 — пористый сетчатый материал; 5 — подводящие и отводящие каналы
Рис. 3. Рекуперативный теплообменный аппарат с межканальным движением теплоносителя [5]: 1 —
фланец; 2 — вставка из пористо-сетчатого материала; 3 — корпус; 4 — подводящий и отводящий коллекторы; 5 — внутренняя стенка; 6 — подводящие и отводящие каналы
Пористые МСМ обладают наилучшими механическими и гидравлическими свойствами среди других пористых материалов [1, 8]. МСМ имеют явно выраженную анизотропию структурных, гидравлических, тепловых и механических свойств по трём пространственным осям (х, у, г), так как исходный материал для МСМ (сетка) сам является анизотропным.
При производстве МСМ наиболее широко применяют тканые сетки: фильтровые (ГОСТ 3187-76) и с квадратной ячейкой (ГОСТ 6613-73) [1] (рис. 4).
а)
б)
в)
Рис. 4. Тканые сетки и пакеты из них: а — фильтровая полотняная сетка; б — фильтровая саржевая сетка; в — сетка с квадратной ячейкой
Фильтровые сетки обладают регулярной и контролируемой структурой. При нагрузках сдвиг проволочек (утков и основ) в них невозможен. Анизотропность наиболее ярко проявляется у МСМ, изготовленных из фильтровых сеток, что необходимо учитывать при изготовлении теплообменных трактов (рис. 4, а, б).
технология изготовления металлического сетчатого материала
В настоящее время МСМ изготавливают по двум технологиям (рис. 5). Характеристики МСМ, получаемых по этим технологиям, различны.
Хорошо известна технология изготовления пористых металлических листов методом горячей прокатки в вакууме нескольких слоёв сеток, разработанная в МВТУ им. Н.Э. Баумана [6]. Однако, при изготовлении из пористого металлического листа цилиндрических, конических оболочек не удаётся сохранить повторяемость структурных, а, следовательно, и гидравлических свойств, что существенно ограничивает их область применения [15]. В то же время результаты работ по изготовлению сложных осесимметрич-ных пористых сварных соединений показали, что эти проблемы могут быть решены с использованием второй технологии — диффузионно-вакуумной сварки пакета металлических фильтровых сеток.
При диффузионно-вакуумной сварке сетка в виде широких колец укладывается на оправку, покрытую керамикой А1203, устанавливается в вакуумной камере, сдавливается усилием Р
а)
б)
Рис. 5. Методы изготовления МСМ (ПСМ): а — диффузно-вакуумная сварка переплетения
и нагревается тепловым потоком q при помощи высокочастотного генератора до рабочей температуры
Т б = 0,8-0,9Т . Необходимая
раб ' ' плавления материала сетки ^
пористость МСМ достигается изменением усилия сжатия Р. При изготовлении сложных осесимметричных пористых узлов типа сопла Лаваля по этой технологии не нарушаются структура сеток и МСМ на всех технологических этапах изготовления сопла Лаваля.
Прочность межсеточного соединения определяется относительной прочностью соединения при сварке ф (0 < ф < 1). Качество межсеточной сварки улучшено за счёт увеличения времени контакта проволок сеток при диффузионной сварке. Относительная прочность сварного соединения ф ~ 1 [10]. Прочность соединения зависит от диффузионных процессов, протекающих во времени. Если время воздействия и давление сжатия сеток малы и недостаточны для полной релаксации напряжений в контакте, то не исключается обрыв образовавшихся связей вследствие известного эффекта упругого последействия. С этих позиций можно объяснить относительно низкие значения св и ф у пористых сетчатых материалов, полученных горячей прокаткой пакета сеток в вакууме. Действительно, при скорости прокатки 0,15-0,50 м/с время пребывания единичного контакта под воздействием деформационного фактора составляет (0,6-2,0) ■ 10-3 с (длина контакта принята 0,5 диаметра проволоки утка полотняной сетки П60). Этого времени недостаточно для протекания диффузионных процессов. Поэтому для МСМ, полученных прокаткой сеток, ф = 0,25-0,35. МСМ, полученные диффузионной сваркой сеток в вакууме, имеют ф = 1 из-за длительного контакта проволок при сварке (5-10 мин).
При диффузионно-вакуумной сварке металлических тканых фильтровых сеток саржевого С200 и
сеток (ПСМ); б — прокатка пакета сеток
степени обжатия пакета
сеток в > 0,45 достигается очень высокая прочность МСМ. Такие сетки с большим числом основ и утков рекомендуются для особо ответственных пористых изделий. Если в < 0,45, то необходимая механическая прочность МСМ может быть обеспечена при ведении процесса диффузионной сварки в режиме спекания. На первом режиме идёт формирование пакета до заданных линейных размеров в области температур, достаточных для полной релаксации упругих напряжений. На втором режиме идёт спекание в вакууме или инертном газе при температуре Т = 0,8-0,9Т в течение
1 ^ 1 77 плавления
4-6 ч. Источник нагрева — высокочастотный ламповый генератор типа ЛЗ - 107В [10].
Прооптимизированы время и температура сварки металлических сеток независимо от усилия контакта для получения относительной прочности соединения при сварке ф = 1. Для сеток из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т такими параметрами явились: температура сварки (1 050 + 30 К) и время сварки 5-10 мин. Оптимальная тем-
0,8Т
плавления
пература сварки сеток — материала проволоки сеток.
Получение соединений с ф = 1 возможно и при меньших температурах, но это связано с увеличением времени сварки. При ограниченных возможностях сварочных установок по усилию сжатия температура сварки может быть повышена на 50-100 градусов. Это не приведёт к изменению качества соединения, но позволит при меньших нагрузках обеспечить необходимую деформацию пакета сеток для получения заданных структурных характеристик. Для получения достаточно прочных конструкций необходимо соблюдать условие: в > вкрит, где вкрит = 0,45 [6, 10]. При этом пакет с сетками пластически деформируется. При пористости МСМ 0,22 и менее прочность высока, но и гидравлическое сопротивление велико.
В плоскости расположения сеток несущая способность МСМ зависит, в первую очередь, от доли проволок в рабочем сечении образца. Увеличение прочности слоя сетки в направлении проволок происходит за счёт сварки утков между собой и основами сетки. Межсеточная (межслойная) прочность
преимущественно определяется геометрическими размерами и качеством межсеточных контактов.
Используя диффузионно-вакуумную технологию сварки, можно получить пористые сетчатые осесимметричные заготовки большого размера с необходимой пористостью для изготовления пористых теплообменных трактов. Например, наружный диаметр МСМ =200 мм, высота МСМ =300 мм. Габариты МСМ не имеют технологического ограничения. Они зависят только от размеров вакуумной камеры и мощности высокочастотного генератора.
На рис. 6-8 показаны фотографии микроструктур различных пористых металлических материалов.
Микроструктура всех пористых материалов различна. Пористые порошковые материалы (ППМ) являются не самыми лучшими материалами для изготовления крупных пористых тепло-обменных трактов из-за высокого гидравлического сопротивления, низкой прочности [1] и нестабильности структуры (рис. 6).
Рис. 6. Структура ППМ из бронзового порошка [1]
Только МСМ из тканых фильтровых сеток имеют регулярную структуру (рис. 7), а значит, стабильные гидравлические, прочностные и тепловые характеристики.
Правильный выбор пористого материала для теплообменных трактов повышает их эффективность.
!■ „" .ГА Ж '
Рис. 7. Микроструктура МСМ: тканая фильтровая саржевая односторонняя сетка [1]
в)
Рис. 8. Микроструктура различньх МСМ: а — тканая фильтровая саржевая односторонняя сетка; б — тканая сетка с квадратными ячейками; в — вязаная сетка переплетения типа гладь [1]
Для эффективной работы тепло-обменного тракта с МКДТ пористый материал должен обладать следующими свойствами:
• минимальным гидравлическим сопротивлением в направлении движения теплоносителя для достижения максимальной скорости движения теплоносителя;
• высокой теплопроводностью в направлении воздействия теплового потока;
• высокой удельной прочностью, необходимой при изготовлении тонкостенных (2-5 мм) протяжённых осесим-метричных оболочек;
• равномерной стабильной проницаемостью.
Применение диффузионно-вакуумной технологии изготовления МСМ из тканых фильтровых металлических сеток является основой для создания новых перспективных высокоэффективных малоперепадных пористых теплообменных трактов с МКДТ.
МСМ высокотехнологичны, поддаются любым видам обработки, просты в изготовлении. На рис. 9 показаны плоские заготовки из МСМ после фрезерной обработки и вскрытия пористости. Исходная сетка — тканая полотняная фильтровая из хромони-келевой стали 12Х18Н10Т. Некоторые результаты коэффициентов сопротивления МСМ, изготовленных из различных типов сеток, представлены в таблице.
При межканальном движении теплоносителя сквозь МСМ отмечено некоторое снижение теплоотдачи по сравнению с одномерным продольным движением теплоносителя сквозь МСМ. Это объясняется значительно большим гидравлическим сопротивлением в МСМ при одномерном продольном и ортогональном (±) движении теплоносителя к плоскости сетки, чем при межсеточном (||) движении теплоносителя в тракте с МКДТ. Например, у МСМ из полотняной фильтровой хромоникелевой (12Х18Н10Т) сетки П24 при пористости П = 0,256 отношение а±/ау = 1,6 и Р^/Рц = 2,14. Кроме того, уменьшение скорости фильтрации теплоносителя в МСМ у теплоотдающей поверхности и наличие зон в МСМ с малыми скоростями фильтрации, расположенных напротив подводящих и отводящих каналов у теплоотдающей поверхности, также снижают теплообмен в пористом тракте с МКДТ по сравнению с кольцевым трактом, заполненным МСМ. Но при этом интенсификация теплообмена по-прежнему остаётся выше, чем у любого другого теплообменного тракта.
коэффициенты сопротивления мСм из тканых фильтровых сеток при межсеточном движении газа
Пористость МСМ 0,291 0,337 0,416 0,455 0,463 0,476 0,302 0,324 0,2
Тип сетки П60 П60 П60 П60 П60 П60 С120 С120 С600/ 2200
а, м-Ч0-9 33,1 19,36 5,08 3,91 3,87 3,6 116,66 94,44 1 400
р, м-Ч0-4 16,96 13,4 7,69 3,41 2,6 1,42 37,35 25,6 14 000
Установлено, что с уменьшением относительного пути движения теплоносителя через МСМ //5 теплоотдача усиливается. Это свойственно и для каналов, не заполненных МСМ (начальный участок теплообмена). Уменьшение относительного пути движения //5 с 11,3 до 2,8 увеличило теплоотдачу примерно в 2,2 раза при прочих равных условиях.
Дальнейшее уменьшение //5 до 1,4 увеличило теплоотдачу примерно в 3,8 раза при прочих равных условиях.
Увеличение теплоотдачи с уменьшением отношения //5 учитывается введением поправочного коэффициента в/, который вычисляется по
е/ = 0,5945 + 4,279(5//) + 3,86(5//)2
формуле 4,995(5//)3,
справедливой
в
диапазонах
5 = (2,0...5,6>10-3 м и / = (7,97...33,77>10-3 м.
Исследовано влияние теплопроводности МСМ на теплоотдачу в тракте, заполненном МСМ. С увеличением коэффициента теплопроводности материала проволоки сетки МСМ теплоотдача повышается. Так, в результате замены полотняной хромо-никелевой стальной сетки П60 на никелевую саржевую сетку С600/2200 теплоотдача в тракте с МКДТ увеличилась на 20% при прочих равных условиях. Использование медной сетки
с квадратной ячейкой со стороной 0,7 мм ещё больше повышает теплоотдачу. Теплоотдача в тракте с МКДТ и медным высокопористым ячеистым материалом (ВПЯМ) [14] меньше, чем у медного МСМ, из-за меньшего коэффициента теплопроводности каркаса ВПЯМ ввиду его большей пористости. В трактах
С/3
10
с МКДТ, заполненных ВПЯМ, также подтверждено снижение теплоотдачи с увеличением //5. Теплоотдача будет усиливаться, если замена материала на более высокотеплопроводный не сопровождается изменением структуры пористого материала.
Влияние коэффициента теплопроводности теплоносителя на теплоотдачу учитывается с помощью числа Прандтля Рг, а теплопроводность материала проволоки сетки X с помощью коэффициета
Г \ N0,4
, где X — коэффициент тепло-
ех =
проводности (базовой) стальной хромо-никелевой проволоки 12Х18Н10Т; X — коэффициент теплопроводности любого другого материала проволоки (хромоникелевой стали, хромистой бронзы, меди, никеля и др.).
В исследованном диапазоне чисел 1Ке не обнаружено заметного влияния пористости и типа сетки на теплоотдачу в тракте с МКДТ (рис. 9). Это можно объяснить тем, что с увеличением пористости МСМ уменьшается гидродинамическая неравномерность течения теплоносителя по высоте МСМ, и у горячей охлаждаемой поверхности реализуется больший расход теплоносителя, который увеличивает теплоотдачу в тракте с МКДТ.
л
1 1 1 1 1 В 1 в *8-| 1 1 ! 1 ▼ А — 1 1
10
6 8
102
4 6 8
10а
4 6 8
Ю1
Ке
Рис. 9. Теплоотдача в трактах с МКДТ: ф — медная сетка кв. яч. 0,7, П = 0,61; О — никелевая саржевая сетка С600/2200, П = 0,2; 3 — хромоникелевая полотняная сетка П60, П = 0,285; ▲ — хромоникелевая полотняная сетка П24, П = 0,345; © — хромоникелевая полотняная сетка П60, П = 0,22; О — хромоникелевая полотняная сетка П60, П = 0,37; С — хромоникелевая саржевая сетка С120, П = 0,22; • — хромоникелевая полотняная сетка П60, П = 0,48
Кроме того, с ростом пористости МСМ увеличивается теплоотдающая поверхность МСМ за счёт уменьшения пятен контакта между соседними сетками, и, следовательно, повышается внутрипоровая теплоотдача. Но, с другой стороны, при увеличении пористости уменьшается теплопроводность МСМ в направлении теплового потока, что приводит к снижению теплоотдачи в тракте МКДТ.
В результате суперпозиции этих взаимоисключающих факторов теплоотдача в тракте с МКДТ при двумерном движении теплоносителя с увеличением пористости не уменьшается, как в кольцевом канале, заполненном МСМ, что положительно влияет на эффективность теплообмена в тракте с МКДТ.
На основании экспериментальных данных получено обобщающее критериальное уравнение поверхностной теплоотдачи в тракте с МКДТ и двумерным межсеточным движением теплоносителя. Обобщающее критериальное уравнение поверхностной теплоотдачи в тракте с МКДТ и двумерным межсеточным движением теплоносителя в диапазонах Ке = (20-2) 104; Рг = 0,7-7,0; пористости П = 0,20-0,61; //5 = 0,93-11,30 имеет вид
(1)
= 0,57Ке0,2Рг-078/8^,
где Рг =
X
Вычисление чисел Ке и
приведено в статье [5].
Относительная погрешность определения критерия равна 13,3%.
Уравнение (1) можно распространить и на большие значения чисел Ке, так как турбулентный режим движения теплоносителя в МСМ полностью установился.
С увеличением скорости теплоносителя в МСМ наблюдается рост интенсификации теплообмена. По сравнению с кольцевым каналом без пористого наполнителя, теплообмен в трактах с межканальным движением теплоносителя (воздух) может увеличиваться более чем в 60 раз для пористого сетчатого материала из хромоникеле-вых стальных сеток (Ке = 104; //5 = 2,8). Для медного пористого сетчатого материала рост теплоотдачи еще больше (в ~200 раз). Чем выше теплопроводность
МСМ в направлении теплового потока и чем меньше коэффициент теплопроводности теплоносителя, тем эффективнее теплообмен в пористом тракте, так как передача теплоты от теплоотдающей поверхности в теплоноситель идёт по высокотеплопроводному пористому каркасу.
На рис. 10 показаны плоские заготовки из МСМ после фрезерной обработки и вскрытия пористости. Исходная сетка — тканая полотняная фильтровая из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т.
На рис. 11 представлены фотографии цилиндрических пористых заготовок для РТА.
Рис. 10. Металлический сетчатый материал из тканых фильтровых сеток
Рис. 11. Заготовки из МСМ после токарной и фрезерной обработки, вскрытия пористости и нанесения покрытия
На рис. 12 показана фотография экспериментальной камеры ЖРД с МКДТ сквозь МСМ пористостью 0,32 в регенеративном тракте охлаждения камеры тягой 4 000 Н. Гидравлические потери при гидравлических испытаниях камеры показаны на рис. 13.
Рис. 12. Экспериментальная опытная камера ЖРД с межканальным движением теплоносителя
Рис. 13. Потери давления в камере ЖРД с межканальным движением теплоносителя
технологические операции изготовления камер жрд и ртА с межканальным движением теплоносителя сквозь мСм
Технология изготовления тепло-обменного тракта с МКДТ определяется конкретной конструкцией изделия, но при этом содержит следующие основные операции.
1. Вырубка кольцевых заготовок тканых фильтровых сеток на прессе.
2. Очистка и обезжиривание сеток с помощью ультразвука во фреоне.
3. Промывка сеток в горячей воде.
4. Сушка сеток.
5. Укладка сеток в пакет под углом 45° между двумя металлическими кольцами той же формы, что и сетки на оправке.
6. Диффузионно-вакуумная сварка пакета сеток вместе с краевыми кольцами из металла (см. рис. 5, а). Режим сварки и сжимающее усилие Р зависят от материала сеток, требуемой пористости МСМ, площади сетчатых колец. Температура нагрева пакета сеток составляет 80-90% от температуры плавления материала сетки. Для предотвращения спекания МСМ с материалом оправки на неё наносят защитное покрытие — А1203.
7. Механическая обработка МСМ до получения нужной формы (цилиндр или профиль камеры сгорания и сопла Лаваля).
8. Нанесение непроницаемого теплопроводного покрытия на внутреннюю поверхность МСМ (никель, медь), на боковые поверхности каналов, если каналы выполнены в теле МСМ. Нанесение непроницаемого теплопроводного покрытия на внутреннюю поверхность МСМ создаёт внутреннюю оболочку теплообменного тракта (огневую стенку ЖРД).
9. Восстановление проницаемости МСМ на дне подводящих и отводящих каналов электрохимическим способом в среде 10%-ного водного раствора Ма2Б04. Если каналы выполнены во внешней оболочке тракта, то восстанавливается проницаемость внешней поверхности пористой оболочки.
10. Диффузионное спекание покрытия и МСМ при температуре, равной 80% от температуры плавления материалов, в течение 4-6 ч.
Нанесение теплопроводного покрытия на внутреннюю поверхность МСМ и последующее их спекание необходимо для уменьшения термического сопротивления между покрытием и МСМ. Отсутствие совершенного термического контакта между внутренней оболочкой и МСМ приведёт к неоправданному снижению теплоотдачи в тракте с МКДТ.
11. Механическая обработка покрытия.
12. Сборка наружной оболочки тракта и МСМ с последующим диффузионным спеканием.
13. Промывка под давлением пористого теплообменного тракта горячей дистиллированной водой.
Непроницаемое медно-никелевое покрытие на МСМ наносилось электролитическим способом. Можно использовать и другие методы, например, наплавление меди на внутреннюю поверхность пористых оболочек или вакуумное осаждение металла из газовой фазы на поверхность МСМ.
Выводы
1. Разработана диффузионно-вакуумная технология изготовления крупных осесимметричных узлов из МСМ для регенеративного тракта охлаждения камеры ЖРД и рекуперативного теплообменного аппарата с межканальным движением теплоносителя сквозь МСМ.
2. Экспериментально подтверждена возможность создания высокоэффективного малоперепадного пористого теплообменного тракта, полученного с использованием металлического сетчатого материала.
3. В качестве исходного материала для изготовления МСМ рекомендуется использовать металлические тканые полотняные и саржевые фильтровые сетки (П24 - П60, С120).
Список литературы
1. Пористые проницаемые материалы. Справочник / Под ред. Белова С.В. М.: Металлургия, 1987. 335 с.
2. Спиридонов В.С., Новиков Ю.М., Большаков В.А. Фильтровальные перегородки из спечённых металлических сеток для встроенных фильтров авиационных гидросистем // Безопасность в техносфере. 2015. № 4. С. 39-45.
3. Багров В.В., Курпатенков А.В., Поляев В.М. и др. Капиллярные системы отбора жидкостей из баков космических летательных аппаратов. М.: УНПЦ Энергомаш, 1997. 328 с.
4. Тимнат И. Ракетные двигатели на химическом топливе. М.: Мир, 1990. 394 с.
5. Пелевин Ф.В., Пономарев А.В. Регенеративная система охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя с межканальным движением
теплоносителя сквозь металлический сетчатый материал // Космическая техника и технологии. 2021. № 1(32). С. 65-77.
6. Синельников Ю.И., Третьяков А.Ф., Матурин Н.И., Колесников А.Г., Панов АД., Макарочкин В.И. Пористые сетчатые материалы. М.: Металлургия, 1983. 64 с.
7. Третьяков А.Ф. Исследование влияния конструктивных и технологических параметров на удельную прочность пористых сетчатых материалов // Известия вузов. Машиностроение. 2017. № 12(693). С. 30-36.
8. Пелевин Ф.В. Гидравлическое сопротивление пористых металлов // Известия вузов. Машиностроение. 2016. № 2(671). С. 42-52.
9. Polyaev V.M., Gorbatovsky A.A. Thermal conductivity of porous latticed materials // Experimental Thermal and Fluid Science. 1992. № 5. P. 417.
10. Капралов Б.П., Сигачев А.П. Новые возможности диффузионно-вакуумной технологии // Производственно-технологический опыт. 1981. № 11. С. 20-35.
11. Пелевин Ф.В., Пономарев А.В., Семенов П.Ю. Рекуперативный теплооб-менный аппарат с пористым металлом для жидкостного ракетного двигателя // Известия вузов. Машиностроение. 2015. № 6. С. 74-81.
12. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1988. 168 с.
13. А.с. № 243211 СССР. Авторское свидетельство на изобретение «Пористый теплообменный тракт»; Поляев В.М., Пелевин Ф.В., Орлин С.А., Елистратов С.Н; заявитель — МВТУ им. Н.Э. Баумана; заявка от 03.09.1984 г.
14. Пелевин Ф.В. Теплообмен в металлических сетчатых материалах при межканальной транспирации и двумерном межсеточном движении теплоносителя // ТВТ. 2018. Т. 56. № 2. С. 219-228.
15. Поляев В.М., Кременский И.Г., Авраамов Н.И. Проницаемость конических оболочек, штампованных из пористого листа // Порошковая металлургия. 1978. № 7. С. 48-51.
Статья поступила в редакцию 13.07.2021 г. Окончательный вариант — 20.09.2021 г.
Reference
1. Poristye pronitsaemye materialy. Spravochnik [Porous permeable materials. Reference guide]. Ed. By Belov S.V. Moscow, Metallurgiya publ., 1987. 335p.
2. Spiridonov V.S., Novikov Yu.M., Bol'shakov V.A. Fil'troval'nye peregorodki iz spechennykh metallicheskikh setok dlya vstroennykh fil'trov aviatsionnykh gidrosistem [Sintered metal mesh filter partitions for built-in filters in aviation hydraulic systems]. Bezopasnost' v tekhnosfere, 2015, no. 4, pp. 39-45.
3. Bagrov V.V., Kurpatenkov A.V., Polyaev V.M. et al. Kapillyarnye sistemy otbora zhidkostei iz bakov kosmicheskikh letatel'nykh apparatov [Capillary systems for selecting liquids from spacecraft tanks]. Moscow, UNPTs Energomash publ., 1997. 328p.
4. Timnat I. Raketnye dvigateli na khimicheskom toplive [Chemical fuel rocket engines]. Moscow, Mir publ., 1990. 394 p.
5. Pelevin F.V., Ponomarev A.V. Regenerativnaya sistema okhlazhdeniya kamery zhidkostnogo raketnogo dvigatelya s mezhkanal'nym dvizheniem teplonositelya skvoz' metallicheskii setchatyi material [A regenerative cooling system for the chamber of a liquid-propellant rocket engine with interchannel coolant flow through a metal mesh]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2021, no. 1(32), pp. 65-77.
6. Sinel'nikov Yu.I, Tret'yakov A.F., Maturin N.I., Kolesnikov A.G., Panov A.D., Makarochkin V.I. Poristye setchatye materialy [Porous mesh materials]. Moscow, Metallurgiya publ., 1983. 64 p.
7. Tret'yakov A.F. Issledovanie vliyaniya konstruktivnykh i tekhnologicheskikh parametrov na udel'nuyu prochnost' poristykh setchatykh materialov [Study of influence of structural and technological parameters on the specific strength of porous mesh materials]. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie, 2017, no. 12(693), pp. 30-36.
8. Pelevin F.V. Gidravlicheskoe soprotivlenie poristykh metallov [Hydraulic resistance of porous metals]. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie, 2016, no. 2(671), pp. 42 -52.
9. Polyaev V.M., Gorbatovsky A.A. Thermal conductivity of porous latticed materials. Experimental Thermal and Fluid Science, 1992, no. 5, p. 417.
10. Kapralov B.P., Sigachev A.P. Novye vozmozhnosti diffuzionno-vakuumnoi tekhnologii [New opportunities for diffusion-vacuum technology]. Proizvodstvenno-tekhnologicheskii opyt, 1981, no. 11, pp. 20-35.
11. Pelevin F.V., Ponomarev A.V., Semenov P.Yu. Rekuperativnyi teploobmennyi apparat s poristym metallom dlya zhidkostnogo raketnogo dvigatelya [Recuperative heat exchanger with porous metal for a liquid-propellant rocket engine]. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie, 2015, no. 6, pp. 74-81.
12. Polyaev V.M., Maiorov V.A., Vasil'ev L.L. Gidrodinamika i teploobmen v poristykh elementakh konstruktsii letatel'nykh apparatov [Hydrodynamics and heat transfer in porous structural elements of aircraft]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1988. 168 p.
13. A.s. no. 243211 SSSR. Poristyi teploobmennyi trakt [Porous heat exchange path]; Polyaev V.M., Pelevin F.V., Orlin S.A., Elistratov S.N; the applicant — MVTU im. N.E. Baumana; application of 03.09.1984.
14. Pelevin F.V. Teploobmen v metallicheskikh setchatykh materialakh pri mezhkanal'noi transpiratsii i dvumernom mezhsetochnom dvizhenii teplonositelya [Heat transfer in metal mesh materials with inter-channel transpiration and two-dimensional intermesh coolant motion]. TVT, 2018, vol. 56, no. 2, pp. 219-228.
15. Polyaev V.M., Kremenskii I.G., Avraamov N.I. Pronitsaemost' konicheskikh obolochek, shtampovannykh iz poristogo lista [The permeability of conical shells stamped from a porous sheet]. Poroshkovaya metallurgiya, 1978, no. 7, pp. 48-51.
