CC BY
132
УДК 621.9.047.7
ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КАНАЛОВ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.А. Коровин
В статье проводится анализ методов изготовления каналов охлаждения узлов жидкостных ракетных двигателей и рассматриваются перспективы применения электрохимической обработки для их получения
Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, каналы охлаждения, электрохимическая обработка
Введение. При изготовлении современных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) требуется получение длинномерных каналов на поверхностях деталей таких узлов, как, например, камеры сгорания, сопла и др. [1]. Данные каналы в большинстве случаев представляют собой канавки с формой сечения, близкой к прямоугольной, с прямолинейной или, чаще всего, криволинейной осью (винтовой и др.). Глубина каналов обычно не превышает 7 мм, ширина - не более 5 мм. Длина каналов - не менее 250 мм. Общий вид типовых каналов представлен на рисунке 1.
а) б)
Рис. 1. Типовые каналы охлаждения ЖРД:а - деталь сопла ЖРД; б - деталь камеры сгорания ЖРД;1 - ребро; 2 - канал
Рассматриваемые каналы обычно
сужаются по направлению к критическому сечению, т.е. их ширина является переменной. Часто на поверхности одной детали выполняются каналы различного сечения и направления оси, связанные между собой канавкой, поперечной оси изделия (рис. 1, б).
В настоящее время такие каналы в большинстве случаев получают
Коровин Артем Александрович — ВГТУ; аспирант; тел. 8-904-212-64-43, e-mail: [email protected]
фрезерованием дисковыми фрезами, реже -долблением.
Обработка резанием при изготовлении каналов камер сгорания и сопел ЖРД является затруднительной, т.к. данные изделия выполняют в основном из жаропрочных нержавеющих или вязких медьсодержащих сплавов. Также резаньем практически невозможно получить сужающийся канал за одну операцию - приходится производить обработку в несколько этапов с перенастройкой или сменой оборудования. При фрезеровании возникает необходимость последующего удаления недорезов фрезерования в местах пересечения продольных и поперечных каналов (рисунок 2).
Рис. 2. Недорезы фрезерования перекрещивающихся каналов:1 - ребро; 2 - канал; 3 - недорез фрезерования
В большинстве случаев операцию удаления недорезов фрезерования в настоящее время выполняют вручную на долбежных станках (в среднем на эту операцию при обработке одной оболочки камеры сгорания или сопла уходит около 1-1,5 смены труда высококвалифицированного рабочего).
Еще одной проблемой при получении каналов охлаждения на поверхностях узлов ЖРД резанием являются большие силы, возникающие в месте контакта инструмента с обрабатываемой деталью, которые могут ограничивать возможности такой обработки.
На наш взгляд целесообразна разработка технологии получения каналов, приведенных на рисунке 1, методом электрохимической обработки (ЭХО) [2]. Данный метод позволяет эффективно обрабатывать практически все металлы и сплавы. При этом электрод-инструмент (ЭИ) в процессе обработки не изнашивается (в отличие от
электроэрозионной обработки), что позволит обрабатывать множество каналов без его замены или правки.
При ЭХО необходима организация подачи электролита в зону обработки и поддержание равномерности съема материала по длине канала. В рассматриваемом случае обработки прокачку электролита можно осуществлять в направлении, перпендикулярном оси канала, или вдоль канала. При подаче электролита в направлении, перпендикулярном оси канала, его путь оказывается значительно меньше, чем при его подаче вдоль оси канала. Однако при такой схеме обработки даже при
незначительной разнице величины
межэлектродного зазора по длине канала
может произойти закупорка продуктами обработки отдельных участков, что может ухудшить качество обработки. Поэтому в большинстве случаев целесообразно
осуществлять прокачку электролита
продольно оси канала. Однако в таком случае значительно увеличивается путь, проходимый электролитом, что вызывает необходимость принятия мер для интенсификации вывода продуктов обработки из межэлектродного зазора (МЭЗ).
На наш взгляд, наиболее перспективным методом для интенсификации вывода
продуктов обработки из МЭЗ в рассматриваемом случае является метод импульсной обработки с синхронизацией фаз импульсов электрического напряжения и импульсов подачи электролита. Данный метод применяется, например, в [3], где импульсы подачи напряжения синхронизируются с вибрацией ЭИ в плоскости его подачи (см. 30
рисунок 3), что вызывает импульсное движение электролита в моменты увеличения межэлектродного зазора, когда между электродами не протекает электрический ток.
Для реализации представленного способа обработки при получении каналов охлаждения на поверхностях деталей сопел и камер сгорания ЖРД предлагается установка, схема которой показана на рисунке 4.
Рис. 3. Циклограмма работы станка [3]: х - синусоидальные колебания ЭИ; А -амплитуда колебаний ЭИ (в [3] - 0,34 мм); А -электрохимическое растворение анодной поверхности заготовки; z - перемещение заготовки; 1 - импульс технологического
напряжения; 2 - импульс дополнительного источника напряжения системы слежения за МЭ3
о
8 ±] 2
Рис. 4. Схема установки для получения каналов охлаждения
Деталь 1 устанавливается на поворотный стол 2. Электрод-инструмент 3, закрепленный в электрододержателях 4, подводится к
обрабатываемой поверхности, при этом выдерживается начальный межэлектродный зазор. Кронштейн 5 может передвигаться, по крайней мере, в сторону оси детали 1 посредством, например, шаговых
электродвигателей. С помощью элементов 6 (например, набора пьезопреобразователей) осуществляется придание ЭИ 3 вибрации в направлении его подачи. Совместно с ЭИ 3 устанавливается система подвода электролита 7. Подача напряжения к электродам (деталь 1 и ЭИ 3), вращение поворотного стола 2, перемещение кронштейна 5, вибрирование элементов 6 и подвод электролита 7 управляются и синхронизируются
посредством системы управления 8 на базе электронно-вычислительной машины.
Вышеописанную установку можно использовать при комбинированной
электроэрозионно-химической обработке (ЭЭХО) каналов [4]. ЭЭХО позволяет прошивать каналы со скоростью до 1,5 мм/с. К недостаткам такого метода можно отнести износ ЭИ, однако он обычно не превышает 5% от объема удаленного с поверхности детали материала.
На наш взгляд, использование такой установки позволит значительно повысить производительность обработки
рассматриваемых деталей и, возможно, предоставит возможность изготовления каналов охлаждения с ранее не используемыми геометрическими
параметрами (различные турбулизаторы, плавные переходы от одной группы каналов к другой и т.д.).
Воронежский государственный технический университет
EFFECTIVE METHODS FOR OBTAINING COOLING CHANNELS LIQUID ROCKET
ENGINES
A.A. Korovin
The article analyzes the methods of manufacturing the cooling channels units of liquid rocket engines and discusses prospects for the application of electrochemical treatment to produce them
Key words: liquid rocket engine, cooling channels, the electrochemical treatment
