RU2666031C1

RU2666031C1 - Roller bearing rocket engine nozzle

Info

Publication number: RU2666031C1
Application number: RU2017132813A
Authority: RU
Inventors: Андрей Павлович Рябков
Original assignee: Публичное акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2018-09-05

Abstract

FIELD: rocket equipment.SUBSTANCE: invention relates to rocket technology and can be used in the development of rocket engines. Rocket motor nozzle on roller support comprises fixed part, rotary part, rubber sealing ring sealing the volume of combustion chamber along spherical belt on turning part defining rotation center of the latter. Swivel part rests on the fixed part through intermediate movable support made in form of female swivel part of frame connected to rotating part by pair of roller mounts located on opposite sides of frame. Each roller hinge is series of cylindrical rollers rolling on cylindrical tracks, convex, located on turning part, and concave, located on intermediate mobile support. Intermediate movable support is connected to the fixed part by similar pair of roller hinges with convex paths on intermediate mobile support and with concave paths on the fixed part.EFFECT: invention makes it possible to reduce mass of rocket engine nozzle of solid fuel by using cylindrical rollers as rolling bodies.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетных двигателей.The invention relates to rocket technology and can be used to create rocket engines.

Из патента РФ №2195564 известно поворотное управляющее сопло (ПУС) ракетного двигателя твердого топлива на шаровой опоре, содержащее неподвижную часть, опертую на нее через кольцевой набор стальных шаров поворотную часть, резиновое уплотнительное кольцо, герметизирующее объем камеры сгорания по сферическому поясу, определяющему совместно с шаровой опорой центр поворота сопла. Шары воспринимают осевую газодинамическую силу, действующую на поворотную часть, и могут перекатываться по выпуклой (на шпангоуте поворотной части) и вогнутой (на шпангоуте неподвижной части) сферическим поверхностям, обеспечивая опорную и шарнирную функции соединения.From the patent of the Russian Federation No. 2195564 it is known a rotary control nozzle (PUS) of a solid fuel rocket engine on a ball bearing, comprising a fixed part, a rotary part supported on it through an annular set of steel balls, a rubber sealing ring that seals the volume of the combustion chamber along a spherical belt, which determines together with ball bearing the center of rotation of the nozzle. Balls perceive axial gas-dynamic force acting on the rotary part, and can roll along the convex (on the frame of the rotary part) and concave (on the frame of the stationary part) spherical surfaces, providing support and articulated joint functions.

Данная конструкция принята за прототип.This design is taken as a prototype.

Недостатком данной конструкции является большая масса шаровой опоры, обусловленная тем, что осевая газодинамическая сила воспринимается шарами под углом ~ 60° к оси сопла (распорный эффект), в местах контакта шаров со сферическими поверхностями имеют место высокие контактные напряжения вследствие точечного характера контакта (требуется значительное количество шаров), силовые шпангоуты на неподвижной и поворотной частях имеют крупные габариты из-за значительного количества шаров и достаточно высокой жесткости для обеспечения требуемой точности отклонения поворотной части на заданный системой управления угол в заданном направлении.The disadvantage of this design is the large mass of the ball bearing, due to the fact that the axial gas-dynamic force is perceived by the balls at an angle of ~ 60 ° to the nozzle axis (spacer effect), high contact stresses occur at the points of contact of the balls with spherical surfaces due to the point nature of the contact (significant the number of balls), power frames on the fixed and rotary parts are large due to the significant number of balls and high enough stiffness to provide the required accuracy deviation rotating part at a predetermined angle control system in a predetermined direction.

Задачей изобретения является снижение массы сопла.The objective of the invention is to reduce the mass of the nozzle.

Технический результат заключается в снижении массы сопла ракетного двигателя твердого топлива за счет применения в качестве тел качения цилиндрических роликов.The technical result consists in reducing the mass of the nozzle of a rocket engine of solid fuel due to the use of cylindrical rollers as rolling elements.

Технический результат достигается тем, что в сопле ракетного двигателя на роликовой опоре, содержащем неподвижную часть, поворотную часть, резиновое уплотнительное кольцо, герметизирующее объем камеры сгорания по сферическому поясу на поворотной части, определяющему центр вращения последней, поворотная часть опирается на неподвижную часть через промежуточную подвижную опору, выполненную в виде охватывающей поворотную часть рамки, соединенной с поворотной частью парой расположенных на противоположных сторонах рамки роликовых шарниров, каждый из которых представляет собой ряд цилиндрических роликов, перекатывающихся по цилиндрическим дорожкам, выпуклой, расположенной на поворотной части, и вогнутой, расположенной на промежуточной подвижной опоре, соединенной, в свою очередь, с неподвижной частью аналогичной парой роликовых шарниров с выпуклыми дорожками на промежуточной подвижной опоре и с вогнутыми дорожками на неподвижной части.The technical result is achieved by the fact that in the nozzle of a rocket engine on a roller support containing a fixed part, a rotary part, a rubber o-ring sealing the volume of the combustion chamber along a spherical belt on the rotary part determining the center of rotation of the latter, the rotary part is supported on the fixed part through an intermediate movable part a support made in the form of a roller hinge covering the rotary part of the frame, connected to the rotary part by a pair of roller joints located on opposite sides of the frame s, each of which is a series of cylindrical rollers rolling along cylindrical tracks, convex, located on the rotary part, and concave, located on the intermediate movable support, connected, in turn, with the fixed part of a similar pair of roller hinges with convex tracks on the intermediate movable support and with concave tracks on the fixed part.

Применение цилиндрических роликов вместо шаров ведет, за счет перехода от контакта в точке к контакту по линии, к существенному повышению допустимой нагрузки на одно тело качения, что позволяет уменьшить их общее количество и увеличить кривизну контактных поверхностей. Это обеспечивает уменьшение массы и габаритов узла подвески поворотной части сопла. Однако контактные поверхности при этом должны быть цилиндрическими, что достигается механическим выделением двух составляющих угла отклонения поворотной части, каждая из которых реализуется путем перекатывания двух симметрично расположенных относительно плоскости отклонения наборов цилиндрических роликов по аналогичным образом расположенным цилиндрическим дорожкам. Дорожки, расположенные ближе к соответствующей оси вращения, являются выпуклыми, по ним определяется контактная прочность опоры. Из условия контактной прочности с учетом количества тел качения выбираются радиусы дорожек и роликов, по возможности минимальные. Распределение нагрузки по телам качения определяется по методике, используемой при расчете подшипников. Чем меньше радиусы дорожек, тем меньше сопротивление опоры при отклонении, меньше путь роликов при отклонении, меньше габариты и масса опоры. Дорожки с роликами в паре располагаются симметрично относительно соответствующей плоскости отклонения в параллельных ей плоскостях по бокам поворотной части, что обеспечивает небольшие распорные углы для усилий, действующих на отдельные тела качения. Это выгодно отличает роликовую опору от шаровой опоры, где распорные углы имеют значение порядка 60°. При необходимости увеличить количество тел качения в роликовой опоре можно произвести замену роликов, аналогичную замене шаров на шаростержни в шаровой опоре. При малых углах отклонения в контакт с дорожками вступает не вся поверхность тела качения, что позволяет удалить часть его объема, включающую поверхность, не вступающую в контакт, и освободить пространство для увеличения количества тел качения.The use of cylindrical rollers instead of balls leads, due to the transition from contact at a point to contact along the line, to a significant increase in the allowable load on one rolling body, which reduces their total number and increases the curvature of the contact surfaces. This reduces the mass and dimensions of the suspension unit of the rotary part of the nozzle. However, the contact surfaces must be cylindrical, which is achieved by mechanical separation of the two components of the deflection angle of the rotary part, each of which is realized by rolling two sets of cylindrical rollers symmetrically located relative to the deflection plane along cylindrical tracks located in a similar manner. The tracks located closer to the corresponding axis of rotation are convex, they determine the contact strength of the support. From the condition of contact strength, taking into account the number of rolling bodies, the radii of the tracks and rollers are selected, as small as possible. The load distribution on the rolling elements is determined by the technique used in the calculation of bearings. The smaller the radii of the tracks, the lower the resistance of the support when deflecting, the less the path of the rollers when deflecting, the smaller the dimensions and mass of the support. Tracks with rollers in pairs are arranged symmetrically with respect to the corresponding deflection plane in parallel planes on the sides of the rotary part, which provides small spacing angles for the forces acting on individual rolling bodies. This distinguishes the roller bearing from the ball bearing, where the spacer angles are of the order of 60 °. If it is necessary to increase the number of rolling bodies in the roller bearing, it is possible to replace the rollers, similar to replacing the balls with spherical rods in the ball bearing. At small deviation angles, not the entire surface of the rolling body comes into contact with the tracks, which allows you to remove part of its volume, including the surface that does not come into contact, and free up space to increase the number of rolling bodies.

На фиг. 1 приведен эскиз поворотного управляющего сопла ракетного двигателя на роликовой опоре.In FIG. 1 shows a sketch of a rotary control nozzle of a rocket engine on a roller support.

На фиг. 2 приведен показанный на фиг. 1 разрез А-А сопла плоскостью, перпендикулярной продольной оси двигателя (оси ОХ).In FIG. 2 is shown in FIG. 1 section AA nozzle plane perpendicular to the longitudinal axis of the engine (axis OX).

На фиг. 3 приведен показанный на фиг. 2 разрез Б-Б по соединенной с неподвижной частью стороне, промежуточной подвижной опоре.In FIG. 3 is shown in FIG. 2 section BB on the side connected to the fixed part, an intermediate movable support.

На рисунках XYZ - правая прямоугольная система координат с началом в центре поворота сопла О, жестко связанная с промежуточной подвижной опорой 3, выполненной в виде рамки, охватывающей поворотную часть 2 по плоскости, перпендикулярной оси ОХ. Поворотная часть 2 может вращаться только вокруг оси OZ (перпендикулярна плоскости рисунка на фиг. 1), а промежуточная подвижная опора 3 - только вокруг оси OY. Неподвижный корпус сопла 1, утопленный в корпус двигателя, показан в разрезе по плоскости XOY при нулевых положениях поворотной части 2 и промежуточной подвижной опоры 3. По его поверхности, обращенной внутрь корпуса двигателя, действует внутрикамерное давление Р. Детали теплозащиты на фиг. 1 не показаны. Частично, до волнистой линии вырыва, в разрезе по плоскости XOY показаны промежуточная подвижная опора 3, неподвижная опора 4, соединенная с промежуточной подвижной опорой 3 роликовым шарниром 8, обеспечивающим в паре с таким же симметрично расположенным относительно плоскости XOZ шарниром 8, вращение промежуточной подвижной опоры 3 относительно оси OY.In the figures, XYZ is the right-angled coordinate system with the origin at the center of rotation of the nozzle O, rigidly connected to the intermediate movable support 3, made in the form of a frame that covers the rotary part 2 along a plane perpendicular to the axis OX. The rotary part 2 can rotate only around the axis OZ (perpendicular to the plane of the figure in Fig. 1), and the intermediate movable support 3 - only around the axis OY. The fixed nozzle casing 1, recessed into the engine casing, is shown in section along the XOY plane at zero positions of the rotary part 2 and the intermediate movable support 3. On its surface facing the inside of the engine casing, pressure chamber P. acts. Thermal protection details in FIG. 1 are not shown. Partially, up to the wavy line of a breakaway, in the section along the XOY plane, an intermediate movable support 3, a stationary support 4, connected to an intermediate movable support 3 by a roller hinge 8, coupled with the same hinge 8 symmetrically located relative to the XOZ plane, rotation of the intermediate movable support is shown 3 relative to the axis OY.

Требуемый угол отклонения поворотной части 2 в пространстве механически реализуется за счет ее одновременного отклонения в двух плоскостях - XOY вокруг оси OZ и XOZ вокруг оси OY. Первое отклонение обеспечивается за счет вращения вокруг оси OZ поворотной части 2 относительно промежуточной подвижной опоры 3 на двух роликовых шарнирах 8, расположенных симметрично относительно плоскости XOY. Второе отклонение обеспечивается за счет вращения самой промежуточной подвижной опоры 3 вокруг оси OY на идентичных роликовых шарнирах 8, расположенных симметрично относительно плоскости XOZ. В данном описании радиусы вращения R (фиг. 1) роликовых шарниров, обеспечивающих углы поворота вокруг взаимно перпендикулярных осей OZ и OY, приняты одинаковыми, что, в принципе, не обязательно, но унифицирует роликовые шарниры 8. Для уменьшения габаритов конструкции и ее массы промежуточная подвижная опора 3 устанавливается как можно ближе к центру поворота О. Так как в обеих плоскостях отклонения для роликовых шарниров 8 приняты одинаковые радиусы вращения R, то стороны промежуточной подвижной опоры 3, опирающиеся на неподвижные опоры 4 для обеспечения вращения опоры 3 вокруг оси OY, имеют П-образный излом, как показано на фиг. 3 (положение сечения Б-Б показано на фиг. 2). Для фиксации плоскости отклонения поворотной части 2 относительно промежуточной подвижной опоры 3 вокруг оси OZ на поворотной части 2 и с внутренней стороны промежуточной подвижной опоры 3 предусмотрены расположенные симметрично относительно плоскости XOY две пары центрирующих площадок 6, контактирующих по скользящей посадке. Аналогичные две пары центрирующих площадок 7, расположенных симметрично относительно плоскости XOZ на жестко связанных с неподвижным корпусом 1 выступах 5 и с наружной стороны промежуточной подвижной опоры 3, предусмотрены для фиксации плоскости отклонения промежуточной подвижной опоры 3 относительно неподвижного корпуса 1 вокруг оси OY. Такое центрирование исключает вращение поворотной части 2 вокруг оси ОХ и обеспечивает выполнение команд системы управления по направлению и величине угла отклонения поворотной части 2 с высокой точностью. Следует иметь в виду, что внутрикамерное давление Р сжимает неподвижный корпус 1, что может привести к уменьшению зазоров между центрирующими площадками 7. Промежуточная подвижная опора 3 через роликовые шарниры 8 опирается на неподвижные опоры 4, жестко связанные через выступы 5 с неподвижным корпусом 1.The required deflection angle of the rotary part 2 in space is mechanically realized due to its simultaneous deflection in two planes - XOY around the OZ axis and XOZ around the OY axis. The first deviation is ensured by rotation around the OZ axis of the rotary part 2 relative to the intermediate movable support 3 on two roller joints 8 located symmetrically with respect to the XOY plane. The second deviation is due to the rotation of the intermediate movable support 3 around the OY axis on identical roller joints 8 located symmetrically with respect to the XOZ plane. In this description, the radii of rotation R (Fig. 1) of the roller joints providing rotation angles around the mutually perpendicular axes OZ and OY are assumed to be the same, which, in principle, is not necessary, but unifies the roller joints 8. To reduce the dimensions of the structure and its mass, the intermediate the movable support 3 is installed as close as possible to the center of rotation O. Since the radii of rotation R are the same for both the deflection planes of the roller hinges 8, the sides of the intermediate movable support 3, resting on the fixed supports 4 for Sintered rotation of the support 3 around an axis OY are U-shaped bend, as shown in FIG. 3 (the position of the section BB is shown in Fig. 2). To fix the plane of deviation of the rotary part 2 relative to the intermediate movable support 3 around the OZ axis on the rotary part 2 and on the inner side of the intermediate movable support 3, two pairs of centering pads 6 are arranged symmetrically with respect to the XOY plane, which are in contact on a sliding fit. Similar two pairs of centering pads 7 located symmetrically with respect to the XOZ plane on the protrusions 5 which are rigidly connected to the fixed housing 1 and on the outside of the intermediate movable support 3, are provided for fixing the deflection plane of the intermediate movable support 3 relative to the fixed housing 1 around the OY axis. Such centering eliminates the rotation of the rotary part 2 about the axis OX and ensures that the control system executes in the direction and magnitude of the deflection angle of the rotary part 2 with high accuracy. It should be borne in mind that the intracameral pressure P compresses the stationary body 1, which can lead to a decrease in the gaps between the centering pads 7. The intermediate movable support 3, through roller hinges 8, rests on the stationary supports 4, rigidly connected through the protrusions 5 to the stationary case 1.

Роликовый шарнир 8 состоит из роликов 9, сепаратора 10, пары пружин 11, выпуклой и вогнутой по отношению к роликам 9 цилиндрических дорожек 12 и 13, выполненных по аналогии с роликовыми подшипниками из сплава повышенной твердости и с буртами у рабочих поверхностей, обеспечивающих требуемое положение роликов и дополнительное центрирование шарнирно-упорного узла. Пружины 11 совместно с традиционным стопорно-фиксирующим устройством поворотной части 2 (на схеме не показано) обеспечивают требуемое положение роликов 9 в процессе сборки и транспортировки двигателя. Необходимо отметить, что в роликовых шарнирах 8 предпочтительней использовать четное количество роликов 9, так как при нечетном их количестве средние ролики оказываются в неустойчивом положении по отношению к плоскости, образованной соответствующей осью вращения и осью поворотной части 2. Считается, что выталкивающая газодинамическая сила действует на поворотную часть 2 вдоль ее оси, а при смещении средних роликов из указанной выше плоскости может произойти нежелательное отклонение упругой реакции опоры пары роликовых шарниров от оси поворотной части 2, что приведет к отклонению вектора тяги двигателя от заданного направления.The roller hinge 8 consists of rollers 9, a separator 10, a pair of springs 11 convex and concave with respect to the rollers 9 of the cylindrical tracks 12 and 13, made by analogy with roller bearings of an alloy of increased hardness and with collars at the working surfaces providing the required position of the rollers and additional centering of the pivot-stop assembly. The springs 11 together with the traditional locking-fixing device of the rotary part 2 (not shown in the diagram) provide the required position of the rollers 9 during the assembly and transportation of the engine. It should be noted that in the roller hinges 8 it is preferable to use an even number of rollers 9, since with an odd number of them, the middle rollers are in an unstable position relative to the plane formed by the corresponding axis of rotation and the axis of the rotary part 2. It is believed that the buoyant gas-dynamic force acts on the rotary part 2 along its axis, and when the middle rollers are displaced from the above plane, an undesirable deviation of the elastic reaction of the support of the pair of roller joints from the axis n can occur part 2, which will lead to a deviation of the thrust vector of the engine from a given direction.

На поворотной части 2 сопла имеется сферический пояс 14, обеспечивающий с уплотнением на неподвижном корпусе 1 герметизацию объема камеры сгорания при всех возможных положениях поворотной части 2. Далее по оси ОХ на поворотной части 2 идет пара жестко связанных с ней симметричных относительно плоскости XOY упоров 15 для установки роликовых шарниров 8 на выпуклые дорожки 12. Соответственно на промежуточной подвижной опоре 3 предусмотрены гнезда для вогнутых дорожек 13 роликовых шарниров 8.On the rotary part 2 of the nozzle there is a spherical belt 14, which provides sealing of the volume of the combustion chamber with sealing on the stationary housing 1 at all possible positions of the rotary part 2. Next, along the OX axis, on the rotary part 2 there is a pair of stops 15 that are rigidly connected symmetrical with respect to the XOY plane the installation of the roller hinges 8 on the convex tracks 12. Accordingly, on the intermediate movable support 3 there are sockets for concave tracks 13 of the roller hinges 8.

На фиг. 2 показан разрез А-А (фиг. 1), на котором обозначен разрез Б-Б (показан на фиг. 3) по стороне промежуточной подвижной опоры 3 с П-образным выступом для роликовых шарниров 8, соединяющих промежуточную подвижную опору 3 с неподвижными опорами 4, жестко связанными с неподвижным корпусом 1, через местные выступы 5 на нем.In FIG. 2 shows a section A-A (Fig. 1), which shows a section B-B (shown in Fig. 3) on the side of the intermediate movable support 3 with a U-shaped protrusion for roller hinges 8 connecting the intermediate movable support 3 with the fixed supports 4, rigidly connected with the fixed housing 1, through local protrusions 5 on it.

Таким образом, предложена конструкция поворотного управляющего сопла ракетного двигателя, в которой для отклонения поворотной части используется роликовая опора, позволяющая за счет применения для тел качения контакта по линии уменьшить контактные напряжения, количество тел качения, габариты опорного узла и, как следствие, массу конструкции.Thus, a design of a rotary control nozzle of a rocket engine is proposed, in which a roller bearing is used to deflect the rotary part, which makes it possible to reduce contact stresses, the number of rolling bodies, the dimensions of the support unit and, as a result, the mass of the structure due to the use of rolling contact bodies along the line.

Claims

A nozzle of a rocket engine on a roller support, comprising a fixed part, a rotary part, a rubber o-ring sealing the volume of the combustion chamber along a spherical belt on the rotary part, which determines the center of rotation of the latter, characterized in that the rotary part rests on the fixed part through an intermediate movable support made in the form of a frame that encloses the rotary part of the frame, connected to the rotary part by a pair of roller joints located on opposite sides of the frame, each of which edstavlyaet a series of cylindrical rollers rolling over the cylindrical paths, convex, disposed on the rotary part, and a concave, located on the intermediate movable support connected to a fixed part similar to a pair of roller hinges with convex tracks on the intermediate movable support and a concave track on the fixed part.