RU2731688C1 - Способ изготовления смесительной головки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для изготовления смесительных головок форсуночного типа камер сгорания (КС) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Осуществляют сборку блока форсунок смесительной головки под пайку, высокотемпературную пайку в вакууме, контроль качества, испытания на прочность и герметичность, и при выявлении негерметичности (непропаях) некоторых форсунок с днищами смесительной головки осуществляют их локальную пайку. Указанную пайку выполняют электронным лучом в условиях глубокого вакуума при неподвижном положении смесительной головки, воздействуя на повторно уложенные питательные кольца припоя вокруг каждой непропаянной форсунки перефокусированным электронным лучом с кольцевой низкочастотной разверткой. Создают локальный нагрев по периметру форсунки, обеспечивающий высокую чистоту без окисления поверхностей в зоне нагрева и плотность соединения за счет перемешивания расплавленного припоя низкочастотным лучом и вытягивания газов вакуумом, а также сохранность ранее спаянных с днищами форсунок. По окончании пайки очередной форсунки система программного управления автоматически отключает электронный луч, и происходит кристаллизация расплавленного припоя. Затем осуществляют переход к другой форсунке перемещением манипулятора или отклоняющей системой электронно-лучевой пушки, после пайки проводят повторные испытания смесительной головки. Изобретение обеспечивает повышение качества и уменьшение трудоемкости при изготовлении смесительной головки КС ЖРД. 1 ил.

Description

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для изготовления смесительных головок форсуночного типа камер сгорания (КС) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

Известен способ пайки теплообменника сканирующим электронным лучом и устройство для его осуществления. Группа изобретений относится к высокотемпературной пайке пластинчато-ребристых и трубчатых теплообменников в вакууме. В способе пайки теплообменника сканирующим электронным лучом паяемые изделия размещают в вакууме, нагревают, выдерживают и охлаждают (Патент №2355526, МПК В23К 1/005, В23К 3/00, В23К 101/02, 20.05.2009).

Недостатком такого способа является применение плоскостного нагрева сканирующим электронным лучом и групповая пайка мелких деталей, расположенных на одной плоскости, за счет теплоотдачи от наружных нагреваемых поверхностей и излучения подложки для получения большого количества паяных швов. В случае исправления непропаев в смесительных головках отдельных форсунок, выступающих над плоскостью нагрева с переменной высотой и изготовленных из разнородных материалов, такой способ приведет к расплавлению поверхности деталей и, как следствие, нарушению геометрических размеров деталей над плоскостью пайки, а также к их разрушению из-за повторного высокотемпературного нагрева уже пропаянных соединений.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ изготовления смесительной головки КС ЖРД с помощью лазерной пайки непропаянных форсунок с днищами смесительной головки с помощью непрерывного воздействия на повторно уложенные кольца припоя сфокусированного лазерного луча при перемещении рабочего стола со смесительной головкой вокруг излучателя (Патент РФ №2560117, F02R 9/52, 20.08.2015).

Недостатком такого способа является выполнение пайки без защитной атмосферы (инертный газ, вакуум), что приводит к окислению поверхностей основного материала с кольцами припоя в зоне пайки, окислению расположенных рядом паяных соединений и получение менее плотного паяного соединения. При этом пайка происходит последовательным точечным расплавлением по периметру пакета колец припоя, что приводит к неравномерному формированию плотности паяного соединения по периметру и провоцирует образование точечного непропая. Кроме того, для выполнения пайки по данной технологии требуется вращение рабочего стола установки в оси вращения, совпадающей с осью каждой подлежащей пайке форсунки (в соответствии с заданной скоростью), что требует отдельного оснащения и индивидуальной подготовки в зависимости от расположения зоны исправления.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является исключение повторной высокотемпературной вакуумной пайки всего узла, приводящей к возникновению напряжений и надрывов тонкостенных форсунок и других паяных соединений, обеспечение локальной пайки электронным лучом одновременно по всей окружности в защитной среде глубокого вакуума непропаянных форсунок смесительной головки в труднодоступных местах для получения герметичного соединения, исключения индивидуальной подготовки и изготовления приспособлений для вращения смесительной головки по оси вращения форсунки, подлежащей пайке, повышения плотности соединения и уменьшение трудоемкости при изготовлении смесительных головок КС ЖРД.

Способ изготовления смесительной головки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) включает сборку блока форсунок смесительной головки под пайку, высокотемпературную пайку в вакууме, контроль качества, испытания на прочность и герметичность. При выявлении негерметичности (непропаях) некоторых форсунок с днищами смесительной головки, осуществляют их локальную пайку, а согласно изобретению, указанную пайку выполняют электронным лучом в условиях глубокого вакуума при неподвижном положении смесительной головки, воздействуя на повторно уложенные питательные кольца припоя вокруг каждой непропаянной форсунки перефокусированным электронным лучом с кольцевой низкочастотной разверткой. Создается локальный нагрев по периметру форсунки, обеспечивающий высокую чистоту без окисления поверхностей в зоне нагрева, плотность соединения за счет перемешивания расплавленного припоя низкочастотным лучом и вытягивания газов вакуумом, а также сохранность ранее спаянных с днищами форсунок. По окончании пайки очередной форсунки система программного управления автоматически отключает электронный луч и происходит кристаллизация расплавленного припоя. Затем осуществляют переход к другой форсунке перемещением манипулятора или отклоняющей системой электронно-лучевой пушки. После пайки проводят повторные испытания смесительной головки.

Смесительная головка представляет собой технологический узел КС ЖРД. Она состоит из переднего (огневого), среднего и наружного днищ, корпуса, форсунок, горючего и окислителя. Форсунки, огневое днище и другие элементы смесительной головки испытывают действие больших тепловых потоков, поэтому при их изготовлении обеспечивается высокая прочность и герметичность, а также точность гидравлических характеристик. Форсунки изготавливают из материалов с высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью, например, сталь 12Х18Н10Т и бронза БрХ08. Огневые днища выполняют из жаропрочной стали 12Х18Н10Т. Среднее и верхнее днища изготавливают из высокопрочных сталей, например ВНС16. Количество форсунок, установленных в днища, достигает нескольких сотен единиц, при этом расстояние между их внешними стенками составляет 4,5 мм. Выступание форсунок над поверхностью днищ в рядах не одинаково. Форсунки из бронзы опущены ниже стальных.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображен способ изготовления смесительной головки ЖРД и функциональная схема электронно-лучевой пайки припоем ПСр 37,5.

Способ осуществляют следующим образом.

Выполняют подготовку паяемой поверхности, заключающуюся в удалении слесарной зачисткой с днища смесительной головки и форсунки поверхностного, прореагировавшего при высокотемпературной пайке в индукционной печи слоя припоя, и обезжиривании места пайки и питательного кольца припоя. На форсунку 5 из бронзы БрХ08, с предварительно нанесенным никелевым покрытием (перед первоначальной высокотемпературной пайкой в индукционной печи) одевают кольцо 6 с внутренним диаметром, равным наружному диаметру форсунки из припоя ПСр-37,5 ∅ 2,0 мм. Таким образом, выполняют подготовку каждой зоны, подлежащей повторной пайке.

Для выполнения пайки смесительную головку с установленными питательными кольцами припоя на форсунках с непропаями устанавливают в камеру 1 установки электронно-лучевой сварки 2 с системой программного управления 3, например, установка ЭЛУ-8 с энергетическим комплексом ЭЛТА-60/15 на рабочий стол манипулятора 8.

Для выполнения работ по пайке (подпайке) в рабочей камере 1 создается вакуум не менее 1×10-4 мм рт.ст., что выше значений, достигаемых при первоначальной высокотемпературной пайке в индукционной печи. Система управления 3 электронно-лучевой сварочной аппаратурой программируется в соответствии с отработанными технологическими режимами: ток фокусировки, размер и частота развертки электронного луча, время нарастания и сброса тока эмиссии, форма развертки и т.д.

Наведение электронного луча на зону пайки осуществляется за счет отклоняющей системы электронно-лучевой пушки по двум координатам и достигается совмещением развертки с поверхностью питательного кольца припоя, что исключает перегрев или расплавление форсунки. Контроль и подбор режимов пайки осуществляют на стадии отработки технологического процесса с проведением металлографических исследований и испытаний, подтверждающих требуемое качество паяного соединения.

Таким образом, при включении процесса, на поверхности уложенных питательных колец припоя 6, днищ смесительной головки 7 и форсунок 5 низкочастотным расфокусированным электронным лучом с кольцевой разверткой 4 создается локальная концентричная область нагрева по периметру каждой непропаянной форсунки, что обеспечивает расплавление питательного кольца припоя и переплавление паяного соединения форсунки. Применение низкочастотной кольцевой развертки электронного луча в сочетании с высоким рабочим вакуумом обеспечивает удержание ванны расплавленного припоя, его перемешивание и выход загрязнений (газовые поры, шлаковые включения и т.д.). По окончании пайки очередной форсунки 5, система управления автоматически, с установленным временем снятия тока эмиссии, отключает электронный луч 4 и происходит кристаллизация расплавленного припоя. Переход к другой форсунке осуществляется перемещением манипулятора или отклоняющей системой электронно-лучевой пушки, что обеспечивает высокую производительность процесса, при этом отсутствие необходимости вращения смесительной головки относительно оси форсунки значительно упрощает работы по центровке и обеспечивает возможность проведения работ без сброса рабочего вакуума, что обеспечивает защиту нагретых в процессе пайки деталей и закристаллизовавшегося припоя от контакта с атмосферным воздухом и, как следствие, отсутствие их окисления. Обеспечивается плотность соединения за счет перемешивания расплавленного припоя низкочастотным лучом и вытягивания газов вакуумом.

Таким образом, данное изобретение позволяет исключить повторную высокотемпературную пайку форсунок в индукционной печи за счет локальной электронно-лучевой пайки непропаянных форсунок в условиях глубокого вакуума при неподвижном положении смесительной головки, для обеспечения герметичного соединения, в том числе в труднодоступных местах. В результате обеспечивается требуемое качество и уменьшается трудоемкость при изготовлении смесительной головки КС ЖРД.

Claims (1)

1. Способ изготовления смесительной головки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), включающий сборку блока форсунок смесительной головки под пайку, высокотемпературную пайку в вакууме, контроль качества, испытания на прочность и герметичность, и при выявлении негерметичности по непропаям некоторых форсунок с днищами смесительной головки осуществляют их локальную пайку, отличающийся тем, что указанную пайку выполняют электронным лучом в условиях глубокого вакуума при неподвижном положении смесительной головки, воздействуя на повторно уложенные питательные кольца припоя вокруг каждой непропаянной форсунки перефокусированным электронным лучом с кольцевой низкочастотной разверткой, создавая локальный нагрев по периметру форсунки, обеспечивающий высокую чистоту без окисления поверхностей в зоне нагрева, плотность соединения за счет перемешивания расплавленного припоя низкочастотным лучом и вытягивания газов вакуумом, а также сохранность ранее спаянных с днищами форсунок, а по окончании пайки очередной форсунки система программного управления автоматически отключает электронный луч, и происходит кристаллизация расплавленного припоя, затем осуществляют переход к другой форсунке перемещением манипулятора или отклоняющей системой электроннолучевой пушки, после пайки проводят повторные испытания смесительной головки.

Images