CC BY
15
Машиностроение и машиноведение
DOI 10.36622/^Ти.2021.17.1.014 УДК 621.9.047
ТЕХНОЛОГИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ КАНАЛОВ ПО МНОГОСЛОЙНЫМ ШАБЛОНАМ
А.В. Щеднов, В.П. Смоленцев, Н.С. Поташникова
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрена технология изготовления дополнительных элементов систем охлаждения ракетных двигателей в форме местных углублений, расположенных на имеющихся фрезерованных каналах на наружных поверхностях камер сгорания и реактивного сопла. Такая проблема требует решения в перспективных изделиях с повышенной теплонапряженностью зоны горения топлива. Проведен анализ конструкции и возможностей обработки дополнительных элементов охлаждения в донной части и на боковых поверхностях узких каналов с ограниченным доступом инструмента в зону удаления припуска. Изучены новые конструкции инструмента для комбинированной обработки с использованием шаблонов различной конструкции и обоснована возможность их использования для изготовления углублений в каналах. Предложены новые способы комбинированной локальной обработки углублений с несимметричной геометрией сечения, форма которых обоснована в процессе отработки технологичности конструкции создаваемых двигателей, что ранее считалось неосуществимым или чрезмерно трудоемким. Исследована возможность многоместной обработки локальных углублений для дополнительного охлаждения в каналах на участках с переменным профилем камер сгорания современных и перспективных изделий по многослойным шаблонам. Здесь разработанные комбинированные технологии дают наибольший эффект и способствуют повышению ресурса двигателей новых поколений до уровня, обеспечивающего многократное увеличение количества безотказных пусков космических систем, что значительно снижает затраты на изготовление ракетных двигателей новых поколений
Ключевые слова: двигатели, охлаждение, комбинированная технология, многослойные шаблоны, многоместная обработка, ресурс
Введение
Необходимость в интенсификации охлаждения камер сгорания и реактивного сопла обострилась в период создания ракетных водо-родно-кислородных двигателей с большой тягой. Для этого на отечественных предприятиях были созданы новые системы охлаждения, в основном жидким водородом, прокачиваемым по продольным каналам через фрезерованные узкие пазы на наружной поверхности камеры сгорания и реактивного сопла. Здесь охлаждающий компонент переходит в газожидкостную смесь и возникает возможность перекрытия охлаждающего канала газовой составляющей среды. Были сделаны попытки изготовить внутри каналов локальные углубления, позволяющие повысить площадь охлаждающей поверхности и обеспечить отрыв потока от стенки канала до его перекрытия газом. В работе [1] была доказана возможность получения единичных углублений, в основном на донной поверхности каналов, в деталях с плоской и цилиндрической поверхностью детали без значительных изменений геометрии, свойственных камерам сгорания. Однако этих результатов оказалось недо-
статочно для заметного снижения теплонапря-женности горячей зоны и освоения низкозатратного серийного производства изделий.
Объект исследования
На рис. 1 приведена горячая зона ракетного двигателя, включающая размещенную в корпусе 1 камеру сгорания 3 и реактивное сопло 4. Топливо перед сгоранием поступает через патрубок (б) по каналам на поверхности реактивного сопла 4 и камеры сгорания 3 к смесительной головке 2 с поясом завесы (б), оказывающей эффективное локальное охлаждение зоны горения, но весьма трудоемкой при изготовлении и снижающей прочностные характеристики деталей. Консольное крепление (в) корпуса 1 вызывает вибрацию системы, что может положительно сказываться на течении охладителя по каналам.
На ряде изделий каналы имеют прямоугольную форму в виде узкого паза (рис. 2) с размерами, приведенными в таблице. Здесь представлены размеры применяемых в изделиях охлаждающих каналов: ширины Н1; толщины ребер между боковыми стенками паза Н2; глубины В.
© Щеднов А.В., Смоленцев В.П., Поташникова Н.С., 2021
На рис. 2 R - наружный радиус детали. В донной части канала на рис. 2 показано расположение местного углубления для дополнительного охлаждения детали, геометрия которого обоснована в [1] для опытных изделий.
Н1 Н2 В
тт тах тт тах тт тах
0.9 1.5 0.8 1.5 1.0 7
Рис. 1. Камера сгорания двигателя
Рис. 2. Типовое сечение охлаждающего канала
азмеры фрезерованных охлаждающих каналов
Н
тт
0,9
тах
1.5
Н
тт
0.8
тах
1.5
В
тт
1.0
тах
Каналы (таблица) обычно выполняют фрезерованием дисковыми фрезами и на долбежных станках (последнее используют в ряде случаев для обработки мест сопряжения каналов).
Анализ рис. 2 и таблицы показывает. что доступ металлорежущего инструмента в каналы ограничен. усложняется с уменьшением ширины паза и возрастанием его глубины. что ограничивает возможности получения дополнительных охладителей в канале. особенно на боковой стенке ребра. Задача еще более усложняется при изготовлении пазов на переходных участках камеры сгорания и реактивного сопла. где между участком с уклоном (сфера) и цилиндрической частью требуется получить плавное сопряжение каналов. например в месте расположения пояса завесы на рис. 1. Эту операцию приходится выполнять трудоемким долблением или исключать ее из технологического процесса путем увеличения кольцевой проточки под завесу на ширину. достаточную
для сопряжения пазов каналов. С повышением размеров паза (таблица) подход инструмента упрощается. но снижается площадь теплообмена и ухудшается эффективность охлаждения камеры сгорания и реактивного сопла. Обычно при достаточной глубине канала дополнительные охладители не требуются. хотя глубокие пазы могут нарушать прочностные характеристики деталей.
Рис. 3. Типовые каналы охлаждения под нанесение дополнительных охладителей
Изготовление углублений на донной части и особенно на ребрах у боковых стенок канала становится не рентабельным при традиционных методах обработки. особенно если каналы имеют переменный профиль и ось. отличающуюся от линейной (рис. 3). Реактивное сопло (рис. 3.а) может иметь сферическую форму. что усложняет изготовление дополнительных охладителей особенно на донной части каналов. т.к. здесь сложно обеспечить требуемые сопряжения переходных элементов. Иногда целесообразно на поверхности одной детали выполнять сопряженные каналы различного сечения и направления оси (рис. 3.б). что также усложняет интенсификацию охлаждения и изготовление локальных углублений. В ряде случаев дополнительные охладители выполняют только на камере сгорания и планируют применять в перспективных изделиях. В местах сопряжения участков (рис. 3. а) камеры сгорания (зона подачи топлива через пояс завесы) происходит локальное охлаждение канала и дополнительные охладители не требуются. но при этом следует учитывать. что групповое изготовление поясов дополнительных охладителей по многослойным шаблонам на порядок проще. быстрее и дешевле по сравнению с созданием поясов завесы. особенно на участках ребер с ограниченным доступом инструмента в зону обработки.
Технологичность каналов для нанесения дополнительных охладителей
Проведенный анализ (рис. 1. 2. 3) дал возможность классифицировать каналы по слож-
7
ности нанесения на них дополнительных охладителей, что позволяет отработать производственную технологичность, т.е. обосновать выбор наиболее эффективных и малозатратных способов и инструментов для получения углублений на донной и на боковых поверхностях охлаждающих каналов. Из рис. 2 и таблицы видно, что доступ металлорежущего инструмента в каналы ограничен и все более усложняется с уменьшением ширины паза а также с возрастанием его глубины, что ограничивает возможности получения углублений дополнительных охладителей в канале с минимальными затратами на эту операцию. Задача еще более усложняется при необходимости изготовления углублений в каналах на переходных участках деталей (критическое сечение реактивного сопла на рис. 1), где между участком с сужением (дозвуковая часть) и сверхзвуковой частью сопла требуется получить плавное сопряжение каналов несколькими радиусами малых размеров. Эту операцию приходится выполнять трудоемким долблением или исключать в этом месте изготовление требуемых дополнительных охладителей. Для камер сгорания большего диаметра подвод любого вида инструмента к переходным участкам облегчается, но из-за сложной геометрической формы этой зоны возрастает стоимость инструмента, усложняется его конструкция (например, многослойных шаблонов) и базирование при настройке параметров технологической операции. Обычно на реактивном сопле при достаточной глубине каналов дополнительные охладители не выполняют. Эффективные для охлаждения глубокие каналы с дополнительными охладителями не всегда делают не только из-за больших трудозатрат, но и из-за опасения нарушить прочностные характеристики деталей. Однако в перспективных изделиях такие элементы предусматриваются и для реактивных сопел. Для них (рис. 3,а) при изготовлении углублений дополнительных охладителей наиболее целесообразно использование комбинированной обработки с наложением поля с применением многослойных шаблонов, предложенных в изобретениях [2-4], выполненных с участием авторов.
Камера сгорания (рис. 1, 3) может иметь цилиндрическую форму и здесь комбинированный метод имеет несомненные преимущества за счет использования недорогого доступного инструмента с гибким шаблоном.
Наибольшую сложность представляет изготовление углублений на участке критического сечения сопла между сужением (дозвуковая
часть) и расширяющемся концом детали (сверхзвуковой отрезок на рис. 1), где для повышения теплозащиты и ресурса камеры сгорания и реактивного сопла на внутреннюю поверхность деталей наносят минералокерамическое покрытие [5] с последующей обработкой [6] для устранения торможения струи горения и перегрева стенки. Здесь (рис. 1) наиболее необходимо дополнительное охлаждение в каналах, хотя его изготовление требует разработки новых способов, из которых наиболее перспективным является использование многослойных шаблонов [2; 3], предлагаемых в статье.
Приведенная в [1] информация позволяет утверждать, что дополнительные охладители необходимы в основном на камере сгорания, хотя для создаваемых двигателей новых поколений такие устройства могут потребоваться на поверхности реактивного сопла и в зоне работы форсунок на огневом диске.
Обоснование геометрической формы дополнительных охладителей
В [1] приведены исследования, позволяющие проектировать геометрию дополнительных охладителей, часть которых представлена на рис. 4, где показан профиль каналов, используемых на моделях при экспериментальных исследованиях.
2 2 2 3
Рис. 4. Профиль каналов для нанесения дополнительных охладителей
Результаты, полученные в процессе отработки технологичности с учетом технологических возможностей комбинированных методов обработки на тот период исследований, послужили основанием для использования симметричных конструкций углублений, представленных на рис. 4. Проливка каналов с такими дополнительными охладителями (рис. 5) показала, что в донной части углублений образуются вихри, которые способствуют интенсификации теплообмена, но приводят к образованию газовых пробок на выходе газожидкостной смеси из
зоны углубления ввиду формирования нежелательного второго вихря на выходе потока смеси из углубления (рис. 6). вызывающего торможение течения и срыв потока.
Рис. 5. Форма потока жидкости в районе углубления дополнительного охладителя
Рис. 6. Схема обтекания дополнительных охладителей потоком жидкости
Рис. 7. Имитатор для исследования параметров в углублении дополнительного охладителя
На рис. 7 приведен имитатор [1] для измерения параметров в канале (давления. степени газонаполнения и др.). Процесс изучается через прозрачное стекло по шкале типа приведенной на рис. 7. Для этого от внешнего источника в зазор подают жидкость (чаще водный раствор соли) и воздух с регулируемым давлением. создающим слои жидкости. газа и их смеси. При съемках хорошо видна граница между фазами газожидкостной среды. что позволяет экспериментально оценить процент газонаполнения канала. Моделирование проводилось методом оценки конечных объемов газовой фазы. Это позволяет установить появление в передней части паза (со стороны подачи потока) участка низкого давления. формирующего так называемый насосный эффект. вызывающий приток среды из менее нагретых слоев жидкой фазы.
что препятствует запиранию потока в канале и прекращению охлаждения через этот паз.
а
б
в
Рис. 8. Динамика образования газовой перемычки в узком канале газожидкостной смесью
На рис. 8 приведены кадры скоростной съемки [7] динамики нарастания газовой составляющей в пространстве между стенками канала длиной более 30 мм. шириной 0.9 мм с прокачкой газожидкостной смеси при давлении 0.15 МПа. Размеры канала (таблица): ширина 1.0 мм. глубина 2.5 мм. средняя скорость прокачки среды 10 мм/с. Темная часть кадра показывает жидкую фазу. светлая - газовую. которая образуется на границе с горячей поверхностью камеры сгорания или сопла. В начале канала (рис. 8.а) газ имеет форму отдельных пузырей и не оказывает значительного торможе-
ния потока. Далее (б) газ заполняет большую часть пространства в канале и уплотняется. что приводит к торможению потока. Затем (в) происходит перекрытие газом канала. прекращение течения потока через рассматриваемый канал и перегрев детали. что недопустимо. Условия течения охлаждающей среды на изделии могут отличаться от принятых при моделировании. но они достаточно убедительно подтверждают качественную картину запирания потока газовой составляющей охлаждающей среды. характеризуют начальные и граничные условия при моделировании течения смеси в охлаждающем канале и подтверждают рекомендации по выбору размеров углублений.
в, 10 ~2 л/с
О 10 20 30 М 50 60 70 80 90 100 <р, %
Рис. 9. Изменение расхода охлаждающей среды от степени газонаполнения канала
На рис. 9 приведены результаты экспериментальных исследований по изменению расхода (0) среды от степени газонаполнения (ф). которая оценивается по соотношению объемов газовой фазы и охлаждающей среды (в %). что позволяет дать объективную качественную и количественную оценку эффективности дополнительного охлаждения. а также установить длину канала до его перекрытия. после которого требуется подача свежей охлаждающей среды. например через пояс завесы (рис. 1). Эксперименты на рис. 9 показали. что при объемном газонаполнении 60-67 % происходит потеря устойчивости течения и резкое перекрытие (запирание) канала. Это позволяет обосновать предельную длину каждого охлаждаемого участка паза с учетом конструкции и условий работы конкретной системы охлаждения. Такой параметр необходимо обосновывать при отработке технологичности камеры сгорания и реактивного сопла.
Анализ рис. 6 показывает. что наличие скосов на боковых поверхностях выступов между углублениями не устраняет возможности образования вихрей. первый из которых по течению потока способствует отрыву газожид-
костной струи от горячей стенки детали и снижает возможность закупорки канала охлаждения. Но второй вихрь (рис. 6) тормозит течение. поэтому желательно сделать выход из углубления плавным с гладким сопряжением с элементами канала. Это стало возможным при использовании многослойных шаблонов. изготовленных по предложенному авторами способу [2].
В [7] приведены результаты скоростной съемки течения газожидкостных сред через узкие зазоры. размеры которых аналогичны каналам для охлаждения.
Ширина углубления ограничена боковыми стенками паза и установлено. что с учетом уширения этой величины относительно окна в шаблоне такой параметр составляет 0.5-0.8 его ширины. Учитывая возможность использования деталей с различной шириной каналов (рис. 3.б). целесообразно ограничить ширину углублений в донной части каналов указанным соотношением. На боковых поверхностях при высоте ребра до 2.5-3 мм этот параметр с учетом уширения составляет 0.3-0.5 от высоты. Если по высоте ребра выполняют 2 углубления. то их распределяют с шагом не более этой величины между соседними углублениями по длине с шириной не менее такого параметра в донной части канала и со смещением по потоку в таких же пределах.
В [1] показано. что оптимальным шагом между соседними углублениями (рис. 5) дополнительных охладителей в донной части канала является расстояние от 12 до 14 его глубины. При использовании многослойных шаблонов и нанесения углублений на донную и боковую поверхность канала такая глубина составляет 0.3-0.35 мм. хотя имеются сведения [2; 3] о предельной глубине 0.5 мм. Тогда расчетный шаг будет 4-5 мм. Однако этот показатель справедлив для симметричных по длине углублений со ступенчатым выходом струи (рис. 6). Для углублений дополнительного охладителя с плавным выходом потока шаг может быть увеличен до 18-20 глубин. в том числе для поверхностей ребер. Тогда шаг между соседними углублениями в донной части и на ребрах может приниматься до 6-7 мм. При этом количество углублений удастся сократить в несколько раз без ухудшения эффективности теплообмена.
Из рис. 5 можно установить длину углубления по потоку. Соотношение между их длиной и глубиной элемента дополнительного охлаждения составляет 10-12. т.е. наибольшая длина углубления должна быть около 4-5 мм. хотя при
плавном контуре на выходе струи активная зона анодного растворения углубления заметно (до 2 раз) меньше и для расчета плотности тока длину принимают в пределах 2-2,5 мм.
Рассматриваемые углубления выполняют те же функции, которые присущи поясам завесы, поэтому можно количество поясов дополнительного охлаждения размещать взамен завес, что значительно упрощает и удешевляет изготовление, особенно камер сгорания. По [1], если заменить такие завесы, которые охлаждают трассу горения топлива до 50 мм, можно на горловине выполнять после огневого диска 1 пояс углублений на донной и боковой частях канала. Тогда при наличии завесы на цилиндрической части камеры сгорания понадобится не более 2 поясов дополнительного охлаждения по длине канала, начиная их через 40-60 мм от начала через шаг, применяемый в освоенных конструкциях изделий. Такой шаг может быть еще увеличен на сверхзвуковом участке реактивного сопла, где может быть достаточно 1-2 поясов дополнительного охлаждения, расположенных между собой на расстоянии не менее 40-60 мм по длине сопла. Возможна потребность в таком поясе в критическом сечении сопла, хотя в настоящее время подобных конструкций не известно.
Таким образом, при проектировании многослойных шаблонов по [2; 3] количество поясов дополнительного охлаждения в каналах потребуется не более 3 для камеры сгорания и в перспективе 2-3 - для реактивного сопла.
Представленные сведения позволяют моделировать влияние процесса охлаждения локальными углублениями в каналах, а также создавать методики расчета многослойных шаблонов и режимов их использования.
Применение шаблонов для изготовления локальных углублений
Углубления с небольшой постоянной глубиной получают по однослойным диэлектрическим шаблонам при электрохимическом нанесении информации для получения глубоких знаков [8]. Однако в случае использования этих рекомендаций при обработке охлаждающих элементов в каналах требуется создание новых видов шаблонов [2-4 и др.] с использованием ранее не известных способов их изготовления и новой конструкцией устройств [9;10].
Рис. 10. Схема использования шаблона из пористого диэлектрического материала
В [9] рассматривается способ изготовления шаблона из пористого диэлектрического материала (рис. 10), имеющего толщину, равную величине межэлектродного зазора «Б». Заготовка детали 5 является анодом. Ток проходит от металлического контура 2 углубления через токопроводящую жидкую рабочую среду 2, протекающую под контуром, поступает на заготовку, где происходит локальное анодное растворение материала детали и образуется углубление. Толщина «Ь» должна быть минимальной (0,1-0,2 мм), но достаточной для подвода технологического тока из расчета 8-10 А через площадь сечения в 1 мм2 . Такие контуры целесообразно выполнять прототипированием по аддитивной технологии с использованием для покрытия меди и ее сплавов. Этот метод позволяет выполнять без диэлектрических выступов между контуром 2 и заготовкой как единичные, так и групповые углубления, применяемые в средствах локального охлаждения, но с увеличением количества углублений возрастает сопротивление протеканию жидкости через шаблон. Поэтому область эффективного использования пористого шаблона ограничена открытыми контурами на детали, например около зоны вокруг форсунки, и требует повышенного давления жидкости, что не всегда выполнимо из-за ограниченной жесткости деталей катодного устройства и шаблонов.
Развитием этого способа для обработки углублений в пазах с переменным профилем является использование метода подобия путем моделирования процесса на образцах из гибких эластичных материалов. Для этого в масштабе вырубкой или просечкой выполняют макет шаблона с нанесенным слоем контура 2, между элементами которого делают окна малой ширины (0,1-0,2 мм), достаточные для протекания рабочей среды со скоростью 1-2 м/с. Для этого давление на входе ограничивается величиной 0,12-0,15 МПа. После контроля размеров и положения окон вносят корректировку размеров
и выполняют шаблон, обеспечивающий требуемую точность одного или нескольких углублений. Однако обработка здесь ограничена плоскими поверхностями и донной частью пазов на цилиндрических участках деталей, что не всегда обеспечивает заданный тепловынос и охлаждение деталей.
В [10] разработан новый способ и инструмент с многослойным шаблоном для получения каналов с профилем углублений дополнительного охлаждения, разработанным для перспективных изделий, имеющих каналы кольцевого и винтового профиля.
Инструмент прошел проверку на имитаторах, макетах и показал возможность снизить количество перекрытий каналов, что способствует стабилизации теплоотдачи с деталей горячей зоны двигателей новых поколений и применения шаблонов в авиационной отрасли и других изделий машиностроения.
Заключение
Проведен углубленный анализ и оценка возможностей использования многослойных шаблонов для получения групповым методом на камере сгорания и реактивном сопле элементов дополнительных охлаждений в форме локальных углублений на донной части и на боковых ребрах каналов в труднодоступных участках деталей, что ранее считалось неосуществимым. Обоснована новая геометрия углублений, которые могут быть получены с использованием вновь созданных многоместных многослойных шаблонов.
Доказана возможность применения новых способов и инструмента для повышения эффективности теплообмена в выпускаемых изделиях и раскрыты перспективы их применения в элементах дополнительного охлаждения горячей зоны создаваемых ракетных и авиационных реактивных двигателей с повышенным ресурсом, обеспечивающим многократные безотказные пуски космических систем с возвращением ступеней ракет.
Литература
1. Коровин А.А. Изготовление теплообменных профилей для изделий, работающих с газожидкостными рабочими средами: дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2012. 123 с.
2. Патент 2699471 РФ. Способ изготовления и шаблон для электрохимического получения углублений в пазах охлаждающего канала детали / Смоленцев В.П., Щеднов А.В., Скрыгин О.В.; заявитель и патентообладатель: Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруни-чева" (АО "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева"). № 2018123057; заявл. 25.06.2018; опубл. 05.09.2019. Бюл. изобр. № 25.
3. Патент 2573465 РФ. Способ электрохимического изготовления углублений, образующих турбулизаторы на ребрах и в донной части охлаждающих каналов теплона-пряженных машин, и устройство для его осуществления / Смоленцев В.П., Мозгалин В.Л., Юхневич С.С., Коптев И.Т. заявитель и патентообладатель: ВГТУ. № 2014100320; заявл. 09.01.2014; опубл. 20.01.2016. Бюл. изобр. № 2.
4. Патент 2716387 РФ. Способ электрохимического удаления припуска с поверхности детали и устройство для его реализации / Смоленцев В.П., Скрыгин О.В., Щеднов А.В., Смоленцева Я.С.; заявитель и патентообладатель: Акционерное общество "Конструкторское бюро химавто-матики" (АО КБХА). № 2019104800; заявл. 20.02.2019; опубл. 11.03.2020. Бюл. изобр. № 8.
5. Портных А.И. Технология плазменного нанесения эрозионностойких термозащитных покрытий, обеспечивающих многоразовую эксплуатацию изделий: дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2019. 155 с.
6. Паничев Е.В. Комбинированная чистовая обработка переходных участков металлокерамических покрытий с диэлектрическими гранулами дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2020. 145 с.
7. Основы повышения точности электрохимического формообразования / Ю.Н. Петров, Г.Н. Корчагин, Г.Н. Зайдман, Б.П. Саушкин. Кишинев: Из-во «Штиинца», 1977. 152 с.
8. Смоленцев В.П., Смоленцев Г.П., Садыков З.Б. Электрохимическое маркирование деталей. М.: Машиностроение, 1983. 72 с.
9. Патент 2581538 РФ. Способ изготовления шаблона / Смоленцев В.П., Кириллов О.Н., Котуков В.И., Скрыгин О.В. заявитель и патентообладатель: ВГТУ. № 2014117428; заявл. 29.04.2014; опубл. 24.03.2016. Бюл. изобр. № 11.
10. Патент 2470749 РФ. Способ электрохимической обработки локальных участков и устройство для его использования / Коптев И.Т., Смоленцев В.П., Коровин А.А. и др. заявитель и патентообладатель: Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" (АО КБХА). № 2011100383; заявл. 11.01.2011; опубл. 27.12.2012. Бюл. изобр. № 36.
Поступила 20.12.2020; принята к публикации 18.02.2021 Информация об авторах
Щеднов Антон Владимирович - аспирант кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: antonshednov@mail.ru Смоленцев Владислав Павлович - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: Vsmolen@inbox.ru
Поташникова Наталия Сергеевна - аспирант кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: natser_01@mail.r
COMBINED CHANNEL PROCESSING TECHNOLOGY BASED ON MULTI-LAYER
TEMPLATES
A.V. Shchednov, V.P. Smolentsev, N.S. Potashnikova Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers the technology of manufacturing additional elements of rocket engine cooling systems in the form of local recesses located on the existing milled channels on the outer surfaces of the combustion chambers and the jet nozzle. This problem requires solutions in promising products with high heat stress of the fuel combustion zone. We analyzed the design and processing capabilities of additional cooling elements in the bottom part and on the side surfaces of narrow channels with limited tool access to the allowance removal zone. We studied new tool designs for combined processing using templates of various designs and justified the possibility of their use for making recesses in channels. We propose new methods of combined local processing of recesses with an asymmetric cross-section geometry, the shape of which is justified in the process of testing the manufacturability of the design of the created engines, which was previously considered impossible or excessively labor-intensive. We investigated the possibility of multi-site processing of local recesses for additional cooling in channels in areas with a variable profile of the combustion chambers of modern and promising products using multilayer templates. Here, the developed combined technologies give the greatest effect and contribute to increasing the resource of new-generation engines to a level that provides a multiple increase in the number of trouble-free launches of space systems. This significantly reduces the cost of manufacturing new-generation rocket engines
Key words: engines, cooling, combined technology, multi-layer templates, multi-seat processing, resource
References
1. Korovin A.A. "Production of heat exchange profiles for products working with gas-liquid working media" ("Izgotovlenie teploobmennykh profiley dlya izdeliy, rabotayushchikh s gazozhidkostnymi rabochimi sredami"), Cand. Tech. Sci. diss., Voronezh, VSTU, 2012, 123 p.
2. Smolentsev V.P., Shchednov A.V., Skrygin O.V. "Manufacturing method and template for electrochemical production of recesses in the grooves of the cooling channel of a part" ("Sposob izgotovleniya i shablon dlya elektrokhimicheskogo polucheniya ugluble-niy v pazakh okhlazhdayushchego kanala detali"), patent no. 2699471 of the Russian Federation, dec. 06/25/2018, publ. 09/05/2019, bul. no. 25.
3. Smolentsev V.P., Mozgalin V.L., Yukhnevich S.S., Koptev I.T. "A method for electrochemical manufacturing of recesses forming turbulators on the ribs and in the bottom part of cooling channels of heat-stressed machines, and a device for its implementation" ("Sposob elektrokhimicheskogo izgotovleniya uglubleniy, obrazuyushchikh turbulizatory na rebrakh i v donnoy chasti okhlazhdayushchikh kanalov teplonapryazhennykh mashin, i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya"), patent no. 2573465 of the Russian Federation, dec.01/09/2014, publ. 20.01.2016, bul. no. 2.
4. Smolentsev V.P., Skrygin O.V., Shchednov A.V., Smolentseva Ya.S. "A method for electrochemical removal of the allowance from the surface of the part and a device for its implementation" ("Sposob elektrokhimicheskogo udaleniya pripuska s poverkhnosti detali i ustroystvo dlya ego realizatsii"), patent no. 2716387 of the Russian Federation, dec. 02/20/2019, publ. 11.03.2020, bul. no. 8
5. Portnykh A.I. "Technology of plasma application of erosion-resistant thermal protection coatings that ensure reusable operation of products" ("Tekhnologiya plazmennogo nanese-niya erozionnostoykikh termozashchitnykh pokrytiy, obes-pechivayushchikh mnogorazovuyu ekspluatatsiyu izdeliy"), Cand. Tech. Sci. diss., Voronezh, VSTU, 2019, 155 p.
6. Panichev E.V. "Combined finishing of transition sections of cermet coatings with dielectric granules" ("Kombinirovannaya chistovaya obrabotka perekhodnykh uchastkov metallokeramicheskikh pokrytiy s dielektricheskimi granulami"), Cand. Tech. Sci. diss., Voronezh, VSTU, 2020, 145 p.
7. Petrov Yu.N., Korchagin G.N., Zaidman G.N., Saushkin B.P. "Fundamentals of improving the accuracy of electrochemical forming" ("Osnovy povysheniya tochnosti elektrokhimicheskogo formoobrazovaniya"), Kishinev, Shtiintsa, 1977, 152 p.
8. Smolentsev V.P., Smolentsev G.P., Sadykov Z.B. "Electrochemical marking of parts" ("Elektrokhimicheskoe markirovanie detaley"), Moscow, Mashinostroenie, 1983, 72 p.
9. Smolentsev V.P., Kirillov O.N., Kotukov V.I., Skrygin O.V. "Method of template manufacturing" ("Sposob izgotovleniya shablona"), patent no. 2581538 of the Russian Federation, dec. 04/29/2014, publ. 24.03.2016, bul. no. 11.
10. Koptev I.T., V.P.Smolentsev, Korovin A.A. et al. "Method of electrochemical treatment of local areas and device for its use" ("Sposob elektrokhimicheskoy obrabotki lokal'nykh uchastkov i ustroystvo dlya ego ispol'zovaniya"), patent no. 2470749, of the Russian Federation, dec. 11.01.2011, publ. 12/27/2012, bul. no. 36.
Submitted 20.12.2020; revised 18.02.2021 Information about the authors
Anton V. Shchednov, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: antonshednov@mail.ru
Vladislav P. Smolentsev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: Vsmolen@inbox.ru
Nataliya S. Potashnikova, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: natser_01@mail.ru
