Графитовый двигатель


Ракетный двигатель РК-4ГР

Двигатель РДК-4 хорошо проявил себя в процессе испытаний и эксплуатации. Совершенно естественно, что появилась его модификация РДК-4ГР. При этом решались две взаимосвязанные задачи. Первая - облегчение конструкции за счет перехода на легкие материалы. И вторая задача - отработка конструкции сопла из графита. Решение обеих задач привело к созданию двигателя, который легче прототипа на 25%. При этом необходимо отметить, что расширились возможности двигателя в плане используемых топлив.

Схема двигателя РДК-4ГР показана на Рис.1. Конструктивные отличия от предыдущего варианта в основном в конструкции соплового блока. Упростилась система теплоизоляции.

В основной конфигурации он рассчитан на 60г сорбитовой карамели, или 4 шашки диаметром 20мм по 15г.

Корпус
Корпус мотора не претерпел никаких изменений. Менять тут в сущности нечего и незачем. Легкий алюминиевый корпус от велонасоса как нельзя лучше подходит для движка таких габаритов.
Сопло
Сделать сопло из графита было давнишней моей задумкой. Графит - это по-настоящему ракетный материал. Температура, которую выдерживает графит, хватает для использования практически с любым видом ракетных топлив. К тому же он легкий и прекрасно обрабатывается, а потому как нельзя лучше подходит для любительского ракетостроения. В принципе все здорово, надо было только решить вопрос, где его достать. Некоторые любители закупают графит в специализированных фирмах, но это недешево и для первых экспериментов явно не годится. Вопрос решился элементарно. Зайдя как-то на конечную остановку троллейбуса в надежде выпросить у водил использованный контакт от токосъемника, обнаружил, что просить ничего не придется. Весь газон в радиусе 20 м был усыпан старыми графитовыми электродами. Для них они старые, а для нас - самый раз! Для небольшого сопла или графитовой вставки вполне достаточно.

Дальше дело техники. Отпиливаем ножовкой необходимый кусок электрода. С одной стороны он обычно идеально ровный. С другой стороны шарошкой с плоским торцом на сверлильном станке выравниваем ровную площадку. Высверливаем по центру критику сверлом 5 мм. Графит довольно хрупок, поэтому действуем осторожно хорошо заточенным инструментом. Заготовка сделана.    Обточку можно производить на сверлильном станке с использованием шкурок. Но лучший вариант, конечно, токарный станок, чем я и воспользовался. На больших оборотах с малой подачей процесс идет не быстро, но уверенно. Надо только сначала сделать оправку в виде шпильки, на которую одевается заготовка и которая зажимается в патроне. Чтобы заготовка плотно сидела на оправке и не лопнула при зажиме гаек, надо использовать кожаную прокладочку. Обтачиваем до нужного диаметра, подгоняя под корпус двигателя, делаем канавку для резинового кольца-уплотнителя и ступеньку для теплозащиты. Основные операции сделаны.

Осталось сделать конфузор и диффузор, сопло нам нужно сверхзвуковое. К сожалению, длина сопла получается небольшой, поэтому конфузор мы только обозначаем, снимая небольшую фаску в канале. А диффузор делаем практически полноценный с выходным диаметром 8 мм. Для этого надо обернуть сопло двумя слоями изоленты, зажать в патрон и аккуратно металлической шарошкой нужной формы расточить критику. Тут главное не спешить и действовать осторожно, периодически прекращая подачу шарошки и очищая её от графитовой крошки. После оформления диффузора остается надеть резиновый уплотнитель и сопло готово.

Готово, да не совсем. Крепить винтами графит не получится, он для этого слишком хрупок. Поэтому вытачиваем из дюраля толстостенное кольцо, которое и будет крепиться 6-ю винтами М3 к корпусу. Графитовое сопло будет просто упираться в него плоским торцом на выходе. Вот теперь с соплом все. Напомню, только, что сверления под резьбу в кольце надо проводить вместе с корпусом, чтобы совпадение отверстий было идеальным.

Заглушка
Тут ничего нового, кроме материала. В целях облегчения движка заглушку вытачиваем из дюраля. Для надежности соединения боковую стенку делаем потолще, т.к. стальной винт и дюралевая ответная резьба - сочетание не очень хорошее.
Сборка
Сборка движка мало отличается от сборки двигателя РДК-4. Но есть заметные упрощения. Ступеньки для теплозащиты на сопле и заглушки сделаны очень развитыми, поэтому никаких наборов теплозащитных трубок не делается. Берется два листа А4, слегка обрезаются до нужного размера 189 мм по длине, скатываются в трубку на 20-ти миллиметровой оправке, соединяются с соплом и вставляются в корпус до упора в крепежное кольцо. Перед вставкой в корпус, прям на оправке, проверяем плотность посадки уплотнителя в корпус, при необходимости отрезая лишнюю намотку. Просто и надежно. Далее остаётся вставить топливные шашки с воспламенительными шайбами, вставить центральный воспламенитель и сверху уложить трассер. Прикрыв трассер картонной шайбой, закрываем конструкцию заглушкой. Не забываем промазать силиконом места стыка сопла и заглушки с теплозащитой. Движок собран.
Характеристики
Двигатель был испытан на тягоизмерительном стенде ТСК-1 в конфигурации 4 шашки карамели всего на 67 г топлива, остальное - трассер. Процесс зафиксирован на видео. Результаты испытания и характеристики показаны на Рис.2. Получились вполне приличные характеристики. Тяга зашкалила за 10 кг, что при полном весе двигателя 165г очень даже неплохо.    Удалось даже зацепиться за класс G. Т.е. в таком варианте он соответствует классу G75.
Ревизия
Результаты ревизии не выявили серьёзных проблем. На корпусе нет следов избыточного воздействия. Теплозащита полностью цела. Бронировки, естественно, сгорели. Уплотнительные кольца практически не пострадали. После промывки заглушка, фиксирующая шайба блестят, как новые.

Разгара критики тоже нет, однако без ложки дегтя не обошлось. На внутренней стороне сопла хорошо заметны следы эрозии графита. По-видимому, графит от троллейбусных электродов не отличается высоким качеством. Ну что ж, дешево хорошо не бывает. Сопло можно использовать повторно, но не бесконечно. И надо будет защищать конфузор.

Доработка

Очевидно, возникла необходимость разработать способ защиты конфузора. Сопло было доработано и 16.01.2010 двигатель прошел летные испытания на ракете РК-3 "Ирокез". Отработал на все сто. Сопло использовалось то же самое, но в целях защиты было покрыто со стороны конфузора слоем эпоксидки. В результате эрозия графита по внешним признакам была небольшой. Критика не изменилась. Сопло можно использовать и дальше, при условии восстановления эпоксидной защиты.

Для упрощения подготовки сопла к работе придумал несложную оправку для заливки эпоксидки на внутреннюю поверхность. Она состоит из кольца высотой 5 мм отрезанного от дюймовой полипропиленовой трубы для холодной воды. Внутренний диаметр её 20 мм совпадает с диаметром ступеньки теплового замка на сопле. Надеваем кольцо на ступеньку и получаем ванночку для заливки защитного слоя эпоксидки. Чтобы эпокидка не вылилась через критику, затыкаем ее подходящим пластиковым конусом. Подходящим конусом оказалась коническая насадка от стандартного тюбика с герметиком.

В результате получается аккуратный ровный защитный слой толщиной 2-3мм. Можно слегка раззенковать вход в критику. С эпоксидной защитой сопло уже поработало на ракетах Ирокез и Циклон-2, и, думаю, еще поработает.

В качестве резюме выскажу мнение, что дармовой графит от троллейбусных электродов не самый лучший выбор для ракетных сопел, но все же вполне может быть использован в перезаряжаемых движках. С дополнительной защитой конфузора от горячего потока газов такое сопло может выдержать не один цикл. А к разгару критики оно достаточно устойчиво. Об остальных преимуществах такого сопла я уже говорил.

Модернизация

Конструкция мотора, я бы сказал, классическая и улучшать особенно нечего. Кроме сопла. Да, эпоксидная защита справляется со своей задачей и позволяет использовать дешевый графит, но это требует дополнительной подготовки сопла перед каждым использованием. Если есть возможность достать качественный конструкционный графит марок МПГ-6 или МПГ-7, то сопло из него выдерживает тепло-эрозионные нагрузки и без дополнительной защиты. Именно эту модернизацию я и проделал, выточив сопло из МПГ-7.

Поскольку заготовка позволяла, увеличил длину сопла до 15,5 мм, плюс спрофилировал канал в фиксирующем кольце так, чтобы он был продолжением диффузора.

Увеличение длины сопла необходимо учесть в длине теплозащиты. Её надо уменьшить примерно на 3-4 мм, точнее надо определить по месту.

Проведенная модернизация обеспечивает экономию времени и трудозотрат при снаряжении мотора и повышает эффективность сопла за счет большего расширения ~7.3.

Проверка мотора с новым соплом успешно прошла в летном испытании ракеты Циклон-2М от 18.09.2011г.. Никаких изменений после работы мотора на сопле не обнаружено. Конструкционный графит МПГ-7 - отличный материал для сопла. Дюралевое кольцо тоже как новое.

Заключение

Вместе с решением задачи облегчения двигателя, создания графитового сопла удалось упростить конструкцию двигателя и убрать шероховатости, которые были характерны для РДК-4. Снаряженный вес двигателя составил 165г, что не намного больше, чем у бумажного РДК-3Ф, при этом характеристики гораздо солиднее. Не скажу, что больше нет резервов в данной конструкции, но все основные улучшения осуществлены.    Таким образом, создан легкий мощный и несложный в эксплуатации ракетный двигатель многоразового использования для любительских ракет взлетной массой до 1 кг. Он уже уверенно отработал несколько запусков на ракетах Ирокез, Циклон-2 и Циклон-2М. /12.10.2009 kia-soft/

P.S. Содержание может корректироваться по мере накопления экспериментальных данных.

***

kia-soft.narod.ru

Графит для уплотнений - Детонационно паровой двигатель

УПЛОТНЕНИЕ ПОРШНЯ В ЦИЛИНДРЕ НА ОСНОВЕТВЕРДОГО АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Создание герметичного уплотнения движущегося поршня в цилиндре - основная задача цилиндропоршневой группы. Процесс сгорания топлива, взаимодействие поршня и гильзы цилиндра с горячими газами проводит к их нагреву. Обычно гильза цилиндра охлаждаетя снаружи жидкостью системы охлаждения или за счет обдува воздухом. Поршень охлажается за счет попадания масла на его тыльную сторону. Смазка гильзы цилиндра для снижения трения поршня осуществляется за счет попадание на поверхность гильзы капель масла из картера.Температура поршня и гильзы дизельного двигателя 6Ч 12/14 приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Температура стакана поршня (а) и втулки (б) дизеля6Ч 12/14 в номинальном режиме и при нагрузке 65 % (50 л.с.)Приведенные данные показывают, что температура поршня и гильзы цилиндра находится на пределестойкости минерального масла.Использование жидкой смазки гильзы и для охлажденяи поршня приводит к угару масла, что негативно отражается на экономике использования двигателя. Масло, контактируя с горячей гильзой, разлагается, теряет свои смазывающие свойства. Масло в цилиндре образует нагар, который искажает характеристики двигателя, изменяя теплопроводность стенок, изменяет объем камеры сжатия, закоксовываются поршневые кольца и клапана, твердые продукты коксования масла загрязняют его жидкую часть, ухудшая смазывающие свойства масла.Применение смазки цилиндра жидким маслом нежелательно с точки зрения экологических требований, так как именно масло является источником образования наиболее токсичного компонента отработанных газов - бензпирена.Смазку жидким маслом достаточно сложно организовать в цилиндре двойного действия, особенно при малых объемах цилиндров. В опытных двигателях Баландина с цилиндрами двойного действия смазка цилиндра проводилась одновременно с охлаждением поршня. Подача масла шла во внутреннюю полость поршня с подачей части масла через отверстия на стенки гильзы. На рис. 2 показан маслоохлаждаемый поршень двигателя МАН.

Рис. 2.

Маслоохлаждаемый поршень двигателя МАН.Слева - поршень в области ВМТ, справа - поршень в области НМТ.

Подобная система охлаждения поршня и смазки гильзы возможно только в крейцкопфных вариантахдвигателей, через которые возможно подведение масла в движущиеся ползуны через скользящий контактползунов по направляющим. Это видно на приводимых ниже примерах двигателя Мицубиси и Цегельского(рис. 3, 4). На двигателе Мицубиси масло подводится к крейцкопфному узлу, а в движущейся части к поршнюоно подводится по отдельному трубопроводу, расположенному параллельно штоку поршня. На двигателеЦегельского масло в поршень от крейцкопфного узла подводится по специальной трубке, проложенной втрубчатом штоке поршня.Таким образом, считать проблему смазки гильзы цилиндра двойного действия при наличие крейцкопфного узла неразрешимой нет основания. Имеется достаточно богатый опыт подвода масла через направляющие ползуна к движущейся каретке крейцкопфного узла, откуда масло подается в поршень и при необходимости некоторое его количество может подаваться на стенку гильзы для смазки подвижного контакта поршня в цилиндре.Однако с экономической и экологической стороны такой вариант не желателен. Масло, поданное на стенку гильзы цилиндра, не будет сниматься до микроскопической пленки маслосъемными кольцами, так как отсутствует отвод масла в картер. Следовательно, все масло будет использовано на «прогар»,т.е. оно сгорит вместе с топливом в цилиндре, что увеличивает расход масло и негативно отражается на экономике использования такого двигателя. С экологической точки зрения такая схема смазки нежелательна, так как масло при сгорании образует высокотоксичный продукт - бензопирен.По этим причинам проблема снижения трения в контакте поршня в гильзе цилиндра должна решаться другими средствами.Таким решением может быть уплотнение «сухого» типа на основе применения твердогоантифрикционного материала. В качестве таких материалов возможно применение двух веществ - графита идисульфида молибдена. Рассмотрение опыта в области конструирования цилиндропоршневой группыпоказывает, что твердые антифрикционные материалы используются для этих целей. Так, имеютсяконструкции поршней (для крупных тихоходных двигателей), в которых в поршневые кольца закатываетсябронзовый поясок с нанесением на него дисульфида молибдена.

Рис. 3 а). Двигатель Мицубиси UEC 85/160 с охлаждаемым поршнем. б). ДвигательЦегельского 6D55/120 с охлаждаемым поршнем.

Применяется лужение стального тронка сборных поршней (покрытие оловом), известно применение тефлона (фторопласта) снижающего трение поршня. Во всех случаях использования твердых антифрикционных материалов они применяются в виде тонких покрытий и совместно с жидкими маслами. На этом основании можно утверждать, что возможности твердых антифрикционных материалов используются далеко не полностью.Одним из широко используемых в технике твердых антифрикционных материалов является графит (практически чистый углерод с пластинчатой кристаллической структурой). Графит в чистом виде или в виде композитного медно-графитного (бронзо-графитного) материала, изготавливаемого на основе порошковой технологии, может использоваться для «сухих» трущихся пар без использования жидкого масла. Графит и медно-графит уже длительное время используются в электротехнике в качестве контактов подвижных токопроводов - щеток коллекторных машин. Он был создан в основном для этих целей, именно для этого применения отработаны его свойства и они проверены на многолетней массовой практике (см. таблицу 1). В зарубежной практике известно применение композитного материала на основе медной матрицы и с наполнением дисульфидом молибдена.Таблица 1Некоторые конструкционные характеристики композитныхматериалов на основе меди с графитовым наполнением----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Состав и Максимальная Удельное Твердость КоэффициентМарка плотность, скорость нажатие, (Ш)-по Шору тренияматериала скольжения, г /кв.см. (Б) - по Бринелюм / сек МпаМ - 1 - 25 150 - 200 26 - 38 (Ш) 0,25М - 6 - 25 150 - 200 26 - 35 (Ш) 0,20М - 24 - 15 175 - 200 6 - 12 (Б) 0,25МГ - 20 180 - 230 6 - 18 (Б) 0,20МГ2 - 20 180 - 230 6 - 14 (Б) 0,20КМК-Б10 95 % Cu5 % С - - 200 - 350 МПа -6,7 - 7,3 г/куб.см.КМК - Б11 95 % Cu5 % С - - 150 - 300 МПа -6,2 - 6,8 г/куб.см.Если не считать чисто электротехнических требований, то щетки электромашин должны обладатьследующими свойствами: достаточной прочностью, чтобы четко фиксироваться в оправах, хорошейприрабатываемостью, плотным прилеганием к смежной детали трущейся пары, возможностью работы привысоких температурах, обладать низким коэффициентом трения, допускать высокие скорости взаимногоперемещения.Из практики электротехнической промышленности известно, что щетки электромашин допускают скорости 20…25 м/сек, что находится на уровне максимальных скоростей поршня в двигателе (20…22 м/сек). Щетки электромашин работают в условиях неизбежного искрения, что приводит к их нагреву до нескольких сот градусов. Они хорошо прирабатываются, обеспечивая плотный контакт после приработки и при малом износе. Плотный постоянный контакт поддерживается при помощи пружинного поджатия, причем определены оптимальные условия прижатия. Щетки допускают зазоры скользящей посадки в оправах 0,12…0,15 мм. Срок службы щеток электромашин при применении отработанной конструкцией узла их крепления и постоянном сдвиге за счет пружинного поджатия составляет тысячи часов без замены. В соответствующей отрасли промышленности хорошо отработана технология изготовления меднографитовых щеток методом порошковой металлургии - спеканием порошков графита и меди предварительно спрессованной заготовки с получением заданных размеров деталей. В композитном варианте содержание графита в медной матрице может задаваться переменным, обеспечивая разные свойства по длине изделия.Кроме использования графита в качестве токопроводов электромашин необходимо отметить использование графита в качестве термостойкого материала в высокотемпературных аппаратах (печах и т.п.). Графит обладает высокой термостойкостью, достигающей 1800…2000оС., причем может работать в окислительной среде, при этом он достаточно легко обрабатывается, что делает его ценным материалом для изготовления термостойких элементов высокотемпературных установок.Сравнение условий работы щеток электромашин и поршневых колец дает основание сделать вывод, что условия работы у них достаточно близкие. Исходя из этого, можно сделать вывод, что на основе графита или композитного материала меднографита может быть выполнено подвижное уплотнение поршень /цилиндр.Имеется определенный опыт использования графитовых уплотнений как в поршневых машинах (компрессорах), так и непосредственно в двигателях. Так, в многоступенчатом углекислотном компрессоре ТС3Sp100/150 фирмы «Мафа Вурцер» (ГДР) в качестве поршневых уплотнений были применены графитовые кольца. Компрессор имеет цилиндры диаметром 150, 100 и 45 мм при ходе поршней 100 мм, частота вращения 560мин-1, максимальное давление 100 кг/см2. В роторно-поршневом двигателе (РПД) ККМ-502 фирмы NSU (ФРГ) уплотнения ротора было выполнено из материала на угольно-графитовой основе. Двигатель имел мощность 50 л.с. при 6000 об./мин. Если в отмеченном выше компрессоре скорость скольжения в ЦПГ на порядок ниже, чем применяется в поршневых двигателях, кроме того, температура газа также существенно ниже, чем в ДВС, то во втором примере использования уплотнений на графитовой основе они испытывали воздействие давления и температуры характерные для поршневых двигателей. Отметим, что оба примера применения графитовых уплотнений относятся к разработкам германских фирм (ГДР и ФРГ)Поскольку графит и меднографит, а также металлические детали при температуре 700о С. не обладают упругостью, необходимо решить вопрос прижатия уплотнительных элементов к зеркалу гильзы цилиндра. Учитывая эти особенности, была разработана следующая конструкция уплотнения с использованием медно-графитового (бронзографитового) материала (рис. 5).Уплотнение с использованием твердого антифрикционного материала выполняется следующим образом (рис.5). В поршне тарельчатой формы выполнены кольцевые пазы. В них вставляются разрезные графитовые или медно-графитовые (бронзо-графитовые) уплотнительные кольца, в каждый паз которого вставляется два полных кольца, каждое из которых состоит из двух половин. Стыки колец размещаются под углом 90 градусов, чтобы стыки первого ряда не совпадали со стыками колец второго ряда, в кольцевой паз вначале вставляются стальные пружинные кольца соответствующей ширине кольцевого паза с некоторым зазором После установки в паз пружинных колец, перед установкой поршня в цилиндр в паз устанавливаются две пары полуколец графитового (медно-графитового) кольца. Стальные пружинные кольца будут стремиться разжать половинки графитового кольца, прижимая их к зеркалу цилиндра.Вполне естественно, в процессе работы двигателя наружный диаметр кольца будет изнашиваться за счет постоянного прижатия пружинной вставкой графитовых элементов к зеркалу цилиндра, при этом торцевые зазоры будут по мере работы двигателя расширяться. Но при этом не будет происходит разгерметизации уплотнения, поскольку стыки одного ряда колец не совпадают со стыками второго ряда колец. Что же касается интенсивности износа, то усилия прижатия колец, выбранные по опыту прижатия щеток электрических машин, и опыт эксплуатации графитовых щеток электрических машин (включая щетки автомобильных стартеров и генераторов) свидетельствует, что ресурс работы такого уплотнения будет исчисляться тысячами часов.Пружинная вставка находится в глубине кольцевой проточки в поршне. От воздействия температуры она защищена днищем поршня и массивным графитовым кольцом. Причем графитовое кольцо контактирует с охлаждаемой стенкой гильзы цилиндра.

Рис. 5.Уплотнение поршня в цилиндре, разработано на базе твердого антифрикционного материала: Здесь полукольцевые элементы получены методом спекания медно-графитовых (бронзографитовых) колец ( наборные кольца, составленных из полуколец).Шток поршня в процессе работы двигателя охлаждается маслом, поэтому через шток поршня будетпроисходить отток тепла от днища поршня. Все это дает основание предполагать, что стальная пружиннаявставка не будет подвергаться сильным термическим воздействиям от газов в цилиндре. Этому свидетельствуеттакже опыт использования стальных колец в двухтактных карбюраторных двигателях. Известно, чтобензиновые карбюраторные двигатели, в которых бензо-воздушные смеси сгорают при коэффициенте избыткавоздуха близком к 1,0, имеют высокую температуру сгорания, более 2200о С. Так, на двухтактном немецкомдвигателе спортивного мотоцикла MZ использовалось стальное кольцо высотой 1,25 мм, покрытое твердымхромом. На поршне двухтактного японского мотоцикла «Ямаха» применяли по одному стальному кольцувысотой 0,6 мм с упругостью, обеспечивающей удельное давление 2,5 кг/кв.см. Кольца имели покрытие изтефлона (по известным сведениям фторопласт или тефлон обычно используется до температуры 400оС). Этифакты приводятся здесь для того, чтобы показать, что стальные упругие кольца работали в условияхцилиндров двухтактных двигателей, а как известно, двухтактные двигатели имеют более высокуютеплонапряженность. Кроме того, отмеченные двухтактные двигатели имели кривошипно-камернуюпродувку, т.е. масляный картер отсутствовал и интенсивного охлаждения поршней капельным маслом стыльной стороны поршня, как это имеет место в четырехтактных двигателях, не происходило. Эти примерыпоказывают, что стальные кольца в термических условиях работы в цилиндре двухтактного двигателя вполнеработоспособны.Кроме термических условий имеются другие особенности работы поршневого кольца в цилиндре двигателя. Инерционные нагрузки могут вызвать вибрацию колец, следствием чего является потеря герметичности, а в отдельных случаях и поломка кольца. Исследования на вибрационную устойчивость показали, что главным фактором при этом является максимальное ускорение поршня. При этом кольца малой толщины подвергаются вибрации при более высоких ускорениях, которые согласно исследованиям составляют следующие значения.Высота кольца, мм Ускорение, вызывающее вибрацию, м/сек2.3,2 12 2002,4 16 2001,6 24 2001,2 32 400Расчеты опытного двигателя показывают, что в нем ускорения возможные не превышают 900 м/сек2. Кроме того, в оценках вибрации колец рассматривали плоское кольцо из упругого материала и какконсольный элемент, имеющий жесткое защемление одного конца, что имеет место при использованиитаких колец в качестве единственных элементов уплотнения. В нашем случае применены массивныекольца из графита или меднографита, т.е. не обладающие упругостью. Поэтому проблемы упругихколебаний не стоит. Естественно, чтобы исключить появление ударных нагрузок на кольца припрохождении ВМТ и НМТ, т.е. когда вектор скорости меняет знак, посадку уплотнительного кольца вкольцевой паз в поршне необходимо выполнять с минимальным допуском с учетом, естественно,температурного расширения..Рассмотренная конструкция уплотнительного элемента, выполняемого сборным из контактного медно-графитового кольца и упругого стального кольца, вставленного в соответствующие пазы в поршень, выполненный целиком совместно со штоками, не имеет больших термических сопротивлений на местах стыковки деталей и тепло от днища поршня, передаваемого ему при сгорании топлива, будет растекаться, и отводиться от места уплотнения через штоки, которые при движения поршня выходят за пределы камеры сгорания и периодически охлаждаются смазкой.В целом, узел уплотнения, цилиндропоршневой «сухой» группы, с использованием твердого антифрикционного материала в виде медно-графитового уплотнительного кольца имеет достаточно обоснованные конструктивные решения.Ниже приводится оценка потерь на трение в цилиндре с сухим уплотнением. Для такой оценки выполнен расчет, позволяющий оценить потери на трение при применении «сухого» цилиндра относительно традиционного цилиндра со смазкой жидким маслом.В традиционных двигателях применяют число компрессионных колец от 2 до 5, причем известно, что первое кольцо воспринимает 75 % энергии давления, второе - 20 %, третье - 5 %. Число маслосъемных колец варьирует от 1 до 3. В автомобильных двигателях малой и средней мощности обычно применяют два компрессионных кольца и одно маслосъемное.В конструируемом варианте применяется одно кольцо из меднографитового материала. Сравнение затрат энергии при применении традиционного уплотнения цилиндра и «сухого» цилиндра приведено в таблице 2. Расчет затрат энергии выполнен в безразмерном виде относительно диаметра цилиндра и хода поршня.

Таблица 2.Сравнение затрат энергии на преодоление трения в цилиндро-поршневой группе единичного цилиндра с поршневыми кольцамитрадиционного типа и в «сухом» цилиндре с уплотнениемв виде кольца из медно- графитового материала----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Параметры Традиционное На основе графитаЧисло колец:- компрессионных 2 1- маслосъемных 1 -Высота колец, мм- компрессионных 2,5 4 х 6 = 24- маслосъемных (с маслоотводящей канавкой) 1 х 2 -Площадь контакта кольцо-поршень, кв.см.- компрессионных (комплекта на поршень) 1,57 D 7,536 D- маслосъемных 0,628 D -Удельное давление, кг/кв.см- для компрессионных 5 0,2 (см. табл. 6.5 - 1)- для маслосъемных 10 --Коэффициент трения 0,07 (для условий 0,20 --- * ---смазки) Усилие на сдвиг комплекта колец, кг 1,0255 D 0,30144 DЗатраты энергии на трение за одинход поршня, кг.м. 1,0255 DS 0,30144 DSОтносительная величина затрат, % 100 % 29,39 %-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Из приведенного расчета следует, что конструируемый вариант «сухого» уплотнения имеет затраты натрение, составляющие 30 % от затрат на трение в традиционном варианте уплотнения с поршневымикольцами и смазкой жидким маслом из картера двигателя. Следовательно, у такого уплотнения имеютсяпреимущества, оно может работать в высокотемпературных условиях, позволяя реализовать «сухой» процесс вдвигателе без применения жидкой смазки со снижением затрат энергии на трение на величину практическиравную 30 % от затрат в узле уплотнения традиционного типа.Об изготовлении колец из твердого антифрикционного материла. Вполне естественно, при промышленном серийном производстве двигателей с таким уплотнением кольца должны выполняться по порошковой технологии на специализированных предприятиях, которые изготавливают из такого материала электротехнические изделия и сухие подшипники различного назначения. Для опытного двигателя возможно изготовление уплотнительных колец по упрощенной технологии. На заготовках колец при их токарной обработке выполняется одна или несколько кольцевых проточек. Возможно, после изготовления полуколец на их цилиндрической поверхности выполнить частые засверливания на глубину 2…3 мм. Кольцевые проточки или лунки от сверления заполняются графитовой пастой на основе порошкового графита и жидкого стекла в качестве связующего. Кольца просушиваются, и поверхность их зачищается, после чего они готовы для установки в двигателе. Жидкое стекло после просушки воспринимает температуру около 1000оС без размягчения, поэтому в условиях двигателя такое заполнение пазов на кольцах создаст твердый антифрикционный слой.

gamalij-v.livejournal.com

Прототип ЖРД из графита: готовы основные детали

Два экспериментальных жидкостных ракетных двигателя (ЖРД) с завесным охлаждением тягой по 100 кгс, чьи камеры изготовлены из нержавеющей стали, готовятся к огневым испытаниям. В данный момент эти двигатели проходят гидроиспытания — об их результатах мы сообщим на сайте.

Для повышения эффективности двигателя и снижения стоимости мы планируем серию экспериментов с различными материалами. Один из вариантов – использование высокотемпературных углерод-углеродных композитов. Однако они достаточно дороги. Поэтому, учитывая, что характеристики нашего двигателя (температура, давление в камере) весьма скромные, для начала мы собираемся рассмотреть вариант из графита. 

Графит выдерживает температуры большие, чем нержавеющая сталь, поэтому графитовый двигатель может обойтись одним поясом завесы вместо двух, а, возможно, и без завесного охлаждения вообще. Это упростит и удешевит конструкцию. Основные недостатки графита по сравнению со сталью — окисление и унос материала, а также низкая прочность. Впрочем, давление в нашей камере невысоко (16 атм), и расчеты показывают, что при толщине стенки 7 мм графит его выдержит. Величину уноса определим во время огневых испытаний.

В данный момент изготовлена камера и сопло ЖРД, которые вы можете видеть на фото.

Камера: вид сбоку

Камера: вид сверху 

Сопловая часть: вид сбоку 

Сопловая часть: вид со стороны сопла 

Графит далеко не впервые применяется в ракетной технике. Из него часто делают сопла и сопловые вставки для твердотопливных ракетных двигателей. Однако и в жидкостных двигателях он тоже использовался. Вот несколько примеров.

В одном из первых советских ЖРД ОР-2 (первый пуск двигателя — 1933 год) естественный графит защищал металлические камеру и сопло двигателя ОР-2 от перегрева. ОР-2 с расчетной тягой 50 кгс работал на этиловом спирте и жидком кислороде. На первом испытании прогорело сопло, из-за чего двигатель пришлось выключить через несколько секунд после запуска.

Вот что пишет один из пионеров ракетной техники в СССР Александр Полярный:

«Для увеличения продолжительности работы двигателя ОР-2 были проведены исследования по применению огнеупорных покрытий сопла и камеры сгорания (корунд, магнезит, искусственный и естественный графит и др.) с одновременным улучшением системы наружного охлаждения. Для камеры покрытие из корунда оказалось вполне пригодным, а сопло с этим покрытием быстро разрушалось. 

К середине августа 1933 г. испытания показали, что наилучшей является футеровка из естественного графита — при отсутствии в нем прожилок других минералов. Двигатель, футерованный таким графитом (рис. 2), работал 35–40 сек. с незначительной эрозией критического сечения сопла». 

Двигатель Vexin первой космической ракеты Франции Diamant-A (1965 год) тягой 33 000 кгс, работавший на скипидаре и азотной кислоте, имел в своем составе вставку в критическое сечение из графита.

В 2011 году Phoenicia — одна из команд, участвовавших в конкурсе Google Lunar X Prize — испытала графитовый двигатель тягой 75 кгс. В штатном режиме он должен работать на керосине и жидком кислороде, но тестовый прогон длился 53 секунды и был выполнен на газообразных пропане и кислороде.

sk.ru

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Щётки графитовые для электрических машин. ГОСТ Р 53617-2009 Щетки электрических машин. Конструкция. Типы и размеры. Щеткой электрической машины называется токопроводящий элемент, непосредственно соприкасающийся с коллектором или контактным кольцом, предназначенный обеспечить электрическую связь подвижной и неподвижной частей электрической машины. В настоящее время щётки изготавливают из различных углеродистых материалов, графита и металлических порошков. Щетки применяются в генераторах и двигателях постоянного тока со средними и затрудненными условиями коммутации, в низковольтных электродвигателях переменного тока коллекторного типа с облегченными условиями коммутации. Очень широко графитовые щётки применяются в быту. Практически в каждой электробритве, миксере, кофемолке и электродрели находится пара электрических щёток. Огромное количество графитовых щёток используется на судах морского и речного флота. Как правило, все тяговые электродвигатели (в шпилях, брашпилях, на траловых лебёдках) работают на постоянном токе и. соответственно, имеют в своём устройстве щёточный механизм. Внешний вид графитовой щётки определяется её размерами, составом материалов, используемых для изготовления щётки и её конструкцией, см. таблицу 1. Размеры щётки графитовой выражаются в миллиметрах и являются чуть ли не важнейшей потребительской характеристикой, поскольку при заказе, именно на эту характеристику обращают наибольшее внимание. Обозначают t х a х r, где t - это ширина (тангенциальный размер), a - толщина (аксиальный размер) и r - высота (радиальный размер). Например, 16х25х40. В зависимости от состава материалов готовую щетку принято называть графитовой, угольно-графитовой, электрографитированной (электрографитовой) или металлографитовой. Угольно-графитовые и графитовые щётки изготавливают из смеси сажи, графита и связующих веществ, путем простого прессования, с последующим обжигом для придания щётке механической прочности. Электрографитовые щетки технологически изготавливают точно также как и графитовые, но последним этапом их обработки является насыщение щёток углеродом в специальных печах при температуре 2500 С., в течение 45 суток. Щетки металлографитовые, как следует из названия, состоят из смеси графита и металлических порошков (медных, оловянных и др.). В наименовании щёток отражена их марка. Основные марки наиболее часто применяющихся щёток: Г-3, Г-20, МГ, МГСО, МГ-4, ЭГ-4, ЭГ-71, ЭГ-14, ЭГ-74 Конструкция щётки предполагает наличие или отсутствие проводника, наконечника и накладки. Сечение, длина и вид крепления проводника подбираются в зависимости от особенностей конструкции щёточного механизма и силы тока, протекающего через щётку. Тип наконечника, с помощью которого щётка соединяется со шпилькой щёткодержателя, можно увидеть в таблице 3. Накладка, располагается в верхней части щётки и служит для распределения усилия нажатия прижимной пружины на большую площадь щётки. Вид накладки смотрите в таблице 2. Существует специальный тип графитовых щёток: разрезные щётки, чаще называемые двойными. Разрабатывались такие щётки специально для улучшения контакта щётки с коллектором при наличии усиленной вибрации. Важнейшей характеристикой графитовых щёток является их твёрдость. По твердости щетки графитовые разделяют на мягкие, средней твёрдости и твердые. В применении к электрографитовым щёткам: щётки марок ЭГ-4 и ЭГ-71 являются мягкими, ЭГ-14 – средней твёрдости, а ЭГ-8 и ЭГ-74 – твёрдые. Щётка ЭГ-14 разрабатывалась специально, как универсальная, для того, чтобы, при необходимости, заменить электрографитовую щётку любой марки. Твёрдые графитовые щётки работают в условиях затруднённой коммутации и высоких температур. В состав таких щёток введён специальный абразивный порошок, придающий щётке чистящие свойства. Такие щётки не только передают электрический ток на коллектор, но и очищают его от нагара. Внимание! Учитывая особенность состава твёрдых графитовых щёток, не следует применять их вместо щёток других марок, даже если полностью совпадают размеры, вследствие того, что они могут повредить пластины коллектора. Важной особенностью любых щёток является условное обозначение или маркировка, то, что проставляется на теле щётки. Обратите внимание, что маркировка щётки очень редко совпадает с её маркой! Соответствие условного обозначения, марки, твёрдости, электрического сопротивления и номинальной плотности тока, Вы можете посмотреть в таблице 4. Справочная информация по подшипникам ПОДШИПНИКИ СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ скачать. Расчет дросселя ДРОССЕЛЬ РАСЧЕТ скачать. СПРАВОЧНИК МЕТАЛЛИСТА (марки сталей применение, электроды, производители металлопроката)МАШИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ КОЛЛЕКТОРНЫЕ методы испытаний скачать. МАШИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ общие методы испытаний скачать. ГОСТ Р 51689-200 Асинхронные электродвигатели до 400 кВт скачать. БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОМОНТЕРА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, СВЕТОТЕХНИКА и Т.Д. Обмоточные данные электродвигателей АИР скачать. ЩЕТКИ МАШИН ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ скачать. ГЕМКЕ Неисправности машин постоянного тока скачать. Термообработка металлов справочная информация скачать. СПРАВОЧНИК Электрические сети различная информация Общая характеристика щеткодержателей скачать. Электротехнические стали скачать. НАСТРОЙКА ТЕЛЬФЕРА скачать. Болезни электрических машин 1929 год. скачать. вернутся на главную страницу

diagnostica-em.narod.ru

Графит

Главная

Пара слов об авторе

Что такое киловатт-час?

Потребление энергии в частном доме

Правда жизни: без топлива - никак

Возможен ли вечный двигатель?

Как искать патенты

Энергия ветра

Самодельный генератор на постоянных магнитах

Самодельный ветряк с лопастями из шпона

Статья о древесных гранулах и сравнении их с другими видами топлива

Самодельная ветроустановка с вертикальной осью вращения

Самодельный трех лопастный ветряк с автомобильным генератором переделанным на постоянные магниты

Самодельный автоматический котел на древесных гранулах

Самодельный ветряк с лопастями из алюминиевой трубы с самодельным генератором

Самодельный тихоходный ветряк

Схема электрическая тихоходного ветряка

Самодельный ветряк с самодельным генератором

Ветряк в сельском доме - опыт и раздумья

Книги, архивы метеоданных

Наш ветряк с задней ступицей от ВАЗ-2109, доклад, авг 2012, pdf

Наш ветряк - доклад, фотографии и смета (zip)

Возобновляемая энергетика на Родосе

Теория идеального ветряка или в чем ошибка Владимира Сидорова

Знак вопроса

Перевод инструкции к программе Profili

Быть или не быть?

Ветрогирлянды

Что такое число Рейнольдса?

Теория паруса

Теория идеального ветряка

Расчет лопастей ветряка

Старинный ветряк, сохранившийся в курском областном музее.

Вопросы по расчету лопастей

Расчет минимального ветра, необходимого для страгивания ветряка

Концентраторы ветрового потока

Ветровая энергия для дома

Оптимальный угол атаки в ветряке

Винт-турбина

Поляры плоской пластины и желобков, а также GOE417A

Как изготовить деревянные лопасти для ветряка

Программа для трансформации профилей

Идеальный коэффициент использования энергии ветра.

Г. X . САБИНИН ТЕОРИЯ ИДЕАЛЬНОГО ВЕТРЯКА

Программа для расчета потерь напора

Парашютный ветряк

Энергия воды

Энергия равнинных рек - что ждать?

Самодельная мини гидроэлектростанция Кимкетовых

Принцип работы гидротарана и расчетные формулы.

Статья из довоенной технической энциклопедии про гидротаран.

Самодельная микро ГЭС. Часть 1. Напорная установка

Теория и расчет напорной микро ГЭС

Теория и расчет пропеллерной проточной микро ГЭС

Турбина Пельтона. Физика работы и основные формулы.

Энергия Солнца

Несколько слов об энергии Солнца

Возобновляемая энергетика на Родосе

Электрооборудование

Сложности при изучении магнетизма.

Как измерить характеристики неизвестного магнита?

Расчет магнитного поля в железе генератора.

Расчет бандажа для постоянных магнитов

Электрогенераторы ВИНДЭК для ветряков и микро ГЭС

Электрические характеристики велосипедного генератора

Электрические характеристики генератора Г303В

Определение внутреннего сопротивлениия генератора

Устройство автомобильных генераторов

Книги и ссылки

Авторское право

Карта сайта

__________

 

>Проектируем свой стирлинг

Собрал кое-какие сведения о работе графита в качестве уплотнений.На ныне исчезнувшей странице http://www.volnovoidvigatel.ru/kushul-vankel/index-112.htm даны оценочные расчёты для поршневых колец ДВС по аналогии с расчётом щёток электрических машин, а именно

Таблица 2.

Сравнение затрат энергии нан предоление трения в цилиндро-поршневой группе единичного цилиндра с поршневыми кольцами традиционного типа и в "сухом цилиндре с уплотнением в виде кольца из медно-графитового материала.

Параметры Традиционная смазка На основеграфита
Число колец    
  - компрессионных 2 1
  - маслосъмных 1 -
Высота колец, мм    
  - компрессионных 2,5 -4x6=24
  - маслосъмных (с маслоотводящей канавкой) 1x2 -
Площадь контакта кольцо-поршень, кв.см    
  - компрессионных (комплекта на поршень) 1,57D 7,536D
  - маслосъёмных 0,628D -
Удельное давление, кг/кв.см    
  - для компрессионных 5 0,2 (см. табл. 6.5 - 1)
  - для маслосъёмных 10 -
Коэффициент трения 0,07 (для условий смазки) 0,20
Усилие на сдвиг комплекта колец, кг 1,0255D 0,2D
Затраты энергии на трение за один ход поршня 1,0255DS 0,30144DS
Относительная величина затрат 100% 29,39%
И ещё оттуда же цитатка: Имеется определенный опыт использования графитовых уплотнений как в поршневых машинах (компрессорах), так и непосредственно в двигателях. Так, в многоступенчатом углекислотном компрессоре ТС3Sp100/150 фирмы «Мафа Вурцер» (ГДР) в качестве поршневых уплотнений были применены графитовые кольца. Компрессор имеет цилиндры диаметром 150, 100 и 45 мм при ходе поршней 100 мм, частота вращения 560мин-1, максимальное давление 100 кг/см2. В роторно-поршневом двигателе (РПД) ККМ-502 фирмы NSU (ФРГ) уплотнения ротора было выполнено из материала на угольно-графитовой основе. Двигатель имел мощность 50 л.с. при 6000 об./мин. Если в отмеченном выше компрессоре скорость скольжения в ЦПГ на порядок ниже, чем применяется в поршневых двигателях, кроме того, температура газа также существенно ниже, чем в ДВС, то во втором примере использования уплотнений на графитовой основе они испытывали воздействие давления и температуры характерные для поршневых двигателейИ ещё:Что же касается интенсивности износа, то усилия прижатия колец, выбранные по опыту прижатия щеток электрических машин, и опыт эксплуатации графитовых щеток электрических машин (включая щетки автомобильных стартеров и генераторов) свидетельствует, что ресурс работы такого уплотнения будет исчисляться тысячами часов.

http://grafi.ru/prod081.html- данные о предельных температурах работы и скорости износа вращающихся уплотнений, например, вот такая табличка,

для условий:Материал уплотнений - графит; Скорость вращения - 1м/с; Режим трения - сухой.Во-первых, похоже, что они неправильно нарисовали шкалу. Либо внизу должно быть не 0.01мкм, а 0.1мкм, либо остальную шкалу нужно поделить на 10. Короче, ценность графика оказалась нулевой. Во всяком случае, если нагрузка на шток составляет 1500Н, то, при условии, что радиальная нагрузка составит 1% от осевой (реалистично?), получим 15Н боковой нагрузки. При нагрузке 0.5Н/мм^2 это достижимо при площади поверхности 15/0.5=30мм^2 - весьма умеренно.

http://www.graphitel.ru/index.php?id=346- - цитируюДля деталей материала АГ-1500 рекомендуемый материал контртела - стали всех марок и твердостей, хромовое покрытие; предельно допустимое удельное давление 10-15 кгс/см2, предельно допустимая скорость 30 м/с. Для деталей из материала АГ-600 рекомендуемый материал контртела аналогичен деталям из материала АГ-1500, предельно допустимое удельное давление 10-12 кгс/см2, предельно допустимая скорость 20 м/с. Допустимая рабочая температура при эксплуатации изделий из материалов АГ-1500 и АГ-600 составляет: в окислительной среде 400-450°С; в восстановительной и нейтральной средах 2300-2500°С. Величина износа при предельно допустимых удельных давлениях и скоростях в условиях сухого трения на воздухе при комнатной температуре за 100 часов работы составляет не более 50 мкм.Из последней фразы следует, что на вышеприведённом графике шкала всё же должна читаться как 0.01, 0.1, 1 мкм/ч. Значит, при минимальной нагузке износ будет порядка 0.02мкм/ч, что для износа в 100мкм составляет время работы 5000 часов. И самое приятное, что температура тут выше и достигает 400-450С даже в среде воздуха. В среде гелия она вроде бы ничем не ограничена, правда тут будут другие проблемы, связанные с неравенством коэффициентов термического расширения графита и металла.

http://www.avs.zp.ua/prop.php?ic=50 - графитосвинцовые материалы, их предельная нагрузка, предельная температура, предельная скоростьАГ-1500-С05 - графитосвинцовые заготовки. Рекомендуются для использования при сухом трении по сталям и хромовому покрытию. Рекомендуемый материал контртела - чугун, сталь, хромовое покрытие; предельно допустимое удельное давление 20-25 кгс/см2; предельно допустимая скорость 25 м/с. Допустимая рабочая температура при эксплуатации изделий из указанных материалсв в окислительной, восстановительной и нейтральной средах составляет 300°C.Если всё действительно так хорошо, то можно думать о другой конструкции двигателя, без "горячей шапки", вместо неё ставятся просто два уплотнения - холодное и горячее. При этом уменьшается вес движущейся горячей части, уменьшаются челночные потери. Поскольку не будет вредного пространства в зазоре между горячей частью и цилиндром, можно увеличить расстояние между холодной и горячей частью и существенно уменьшить потери теплопроводностью. Эти потери - вовсе не мелочи. В нашем случае "низкотехнологичного" двигателя, потери теплопроводностью и челночные потери могут быть равны механической мощности или даже превышать её, сильно снижая КПД двигателя. Вполне возможно, что даже при снижении температуры нагревателя до 250-300С двигатель с горячим уплотнением будет лучше, чем двигатель на 350-400С, но с горячей шапкой. Также можно будет сильно увеличить отношение хода к диаметру. При этом возрастёт линейная скорость, т.е. улучшатся условия работы генератора.

Мораль - можно пытаться делать поршневые кольца из графита, работающие при высокой температуре, и надеяться на достижение ресурса в несколько тысяч часов.

И ещё некоторые ссылки по графиту:

http://www.vigosmit.ru - делают разные изделия из графита. Контора маленькая, т.е. могут быть снисходительны к нам

http://www.eavangard.ru/rus/production/carbon.htm - уплотнительные материалы на основе графита

http://www.unichimtek.ru/publications/publications_55.html - то же, отечественная разработка

Библиотека, там есть что-то про графит тоже - нужно подписываться за деньги. Где спонсоры? http://www.oglibrary.ru/data/faq.htm

Будяк Д.В.

 

Аккумулирование

Аккумулирование и локальные энергосети

Электроэнергия из теплоаккумулятора

Газовые аккумуляторы

Энергия смешивания воздуха с водой

Энергия из воздуха: список ссылок и патентов"

Моя модель энергетической башни (видео)

Дождливые башни - не всё так страшно

Дождливая башня превращается в ледянящую

Электричество из тепла

Правда жизни: без топлива - никак

Промышленно выпускавшиеся двигатели Стирлинга

Двигатель стирлинга мощностью 44 вт

Моя программа расчёта Стирлинга

Книга Уолкера по двигателям Стирлинга

Расчёт криокулера с циклом Стирлинга (djvu)

Модельный Стирлинг из пробирки

Ищем активные сообщества по Стирлингам

Как сделать маленькую паровую машину, 1913 год

Как сделать мощную паровую машину, 1913 год

Мощные промышленные паровые машины Spilling, pdf

Термоэлектричество

Теория вихревых турбомашин, tif

Сайт Дубинина В.С.

ДВС

Вода в бензине - из истории вопроса

Взрыв пыли - к вопросу о твёрдотопливном ДВС

Проектируем свой Стирлинг

Заглавная страница проекта Стирлинга

Про уплотнения из графита

Отчёт о состоянии проекта – июнь 2015

Техническая концепия системы

Экономическая концепия проекта

Водород в двигателе Стирлинга

Журнал изменений проекта

Ищем активные сообщества по Стирлингам

Моя программа расчёта Стирлинга

Самодельные топливные элементы

Топливные элементы с прямым окислением угля (DCFC)

Оригинальная статья автора изобретения (1896 год) в Русском переводе

Опыты фирмы SARA

Обзор зарубежных публикаций

Мои опыты по DCFC в 2005 г.

Состояние работ на сентябрь 2010 года

Лабораторная работа N1 (Open Office)

Дневники некоторых опытов

Методичка по изготовлению уголька(Open Office)

Программы для управления экспериментом

Программирование

Программы для опытов по DCFC/УТЭ

Введение в Common Lisp для профессионалов Delphi/SQL

Мой старый .emacs (utf-8)

Примеры метапрограммирования в программе Mathematica

__________

www.rosinmn.ru

Контактное графитовое уплотнение ротора турбомашины

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к уплотнениям масляных полостей газотурбинных двигателей и энергетических установок.. Контактное графитовое уплотнение ротора турбомашины содержит контактную втулку, установленную на валу, корпус с крышкой, с расположенными в нем уплотнительным кольцом в виде сегментов и осевой пружиной. Уплотнение снабжено кольцевой обоймой, расположенной в корпусе с радиальным зазором, и неразрезным упорным графитовым кольцом, установленным в кольцевой обойме и контактирующим с уплотнительным кольцом в виде сегментов по торцам, выполненными коническими относительно продольной оси вала, а другим торцом неразрезное упорное графитовое кольцо контактирует с корпусом, причем неразрезное упорное графитовое кольцо и уплотнительное кольцо в виде сегментов зафиксированы в кольцевой обойме от проворота. Уплотнение упрощает конструкцию и повышает надежность устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к уплотнениям масляных полостей газотурбинных двигателей и энергетических установок.

Известно радиальное секционное уплотнение, содержащее контактную втулку, установленную на валу, корпус с крышкой, с расположенными в нем уплотнительным кольцом в виде сегментов и осевой пружиной (см. рис. 18.5_2а, стр. 1202, глава 18-Уплотнения ГТД, авторы: А.А.Иноземцев, М.А.Нихамкин, В.Л.Сандрацкий, «Газотурбинные двигатели», ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, 2007 г.).

Данное уплотнение выбрано в качестве прототипа.

В известном уплотнении перетечка воздуха происходит через суммарный торцевой зазор графитовых сегментов как обжатому диаметру, так и упорному торцу. Усилие прижатия по уплотняемому диаметру и упорному торцу осуществляется затяжкой двух видов пружин браслетной и осевых, что нетехнологично и неоднозначно при изготовлении. Также осевые пружины оказывают неравномерное прижатие по окружности графитовых сегментов. Так как сегменты зафиксированы в окружном направлении, то уплотнение ограничено в эксплуатации линейной скоростью скольжения в зоне контакта сегментов и вала.

Задачей настоящего изобретения является создание контактного графитового уплотнения ротора турбомашины, в котором устранены описанные выше недостатки.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного уплотнения является снижение перетечек воздуха, упрощение конструкции, повышение надежности, а также возможность эксплуатации при больших линейных скоростях.

Указанный технический результат достигается тем, что в контактном графитовом уплотнении ротора турбомашины, содержащем контактную втулку, установленную на валу, корпус с крышкой, с расположенными в нем уплотнительным кольцом в виде сегментов и осевой пружиной, согласно настоящему изобретению оно снабжено кольцевой обоймой, расположенной в корпусе с радиальным зазором, и неразрезным упорным графитовым кольцом, установленным в кольцевой обойме и контактирующим с уплотнительным кольцом в виде сегментов по торцам, выполненными коническими относительно продольной оси вала, а другим торцом неразрезное упорное графитовое кольцо контактирует с корпусом, причем неразрезное упорное графитовое кольцо и уплотнительное кольцо в виде сегментов зафиксированы в кольцевой обойме от проворота.

Такое конструктивное выполнение уплотнения позволяет снизить перетечки воздуха за счет того, что графитовое упорное кольцо выполнено без разреза. Также браслетная и осевые пружины заменяются одной осевой (например, тарельчатой) пружиной, что упрощает конструкцию уплотнения и повышает надежность его работы. Уплотнение разгружено по перепаду давлений за счет наличия в кольцевых выступах проточек графитовых колец, кроме внутреннего кольцевого выступа на упорном графитовом кольце. Паз на кольцевой обойме однозначно определяет окружное взаимное расположение графитовых колец и сегментов. Усилие пружины настраивается таким образом, чтобы возможно было проскальзывание как по контактной втулке, так и по упорному торцу корпуса. Это снижает скорость взаимного скольжения, чем расширяет область применения этого уплотнения по скоростному параметру.

В частном случае реализации контактного графитового уплотнения ротора турбомашины:

- оно содержит расположенное между осевой пружиной и крышкой ответное графитовое кольцо, установленное в кольцевой обойме и зафиксированное в ней от проворота. Это приводит к повышению надежности, так как исключает трение осевой пружины об крышку.

Следует отметить, что для выравнивания давления и уменьшения площади контакта на внутренних поверхностях неразрезного упорного графитового кольца и уплотнительного кольца, контактирующих с контактной втулкой, а также на торцевых поверхностях неразрезного упорного графитового кольца и ответного графитового кольца, контактирующих с корпусом и крышкой, выполнены кольцевые каналы, сообщенные между собой и с радиальным зазором, расположенным между кольцевой обоймой и корпусом.

На чертеже представлен продольный разрез контактного графитового уплотнения ротора турбомашины.

Контактное графитовое уплотнение ротора турбомашины содержит контактную втулку 1, установленную на валу 2, корпус 3 с крышкой 4, с расположенными в нем уплотнительным кольцом 5 в виде сегментов и осевой пружиной 6, при этом оно снабжено кольцевой обоймой 7, расположенной в корпусе 3 с радиальным зазором 8, и неразрезным упорным графитовым кольцом 9, установленным в кольцевой обойме 7 и контактирующим с уплотнительным кольцом 5 в виде сегментов по торцам, выполненными коническими относительно продольной оси вала 2, а другим торцом неразрезное упорное графитовое кольцо 9 контактирует с корпусом 3, причем неразрезное упорное графитовое кольцо 9 и уплотнительное кольцо 5 в виде сегментов зафиксированы в кольцевой обойме 7 от проворота, например, посредством выполнения со стороны внешней поверхности в неразрезном упорном графитовом кольце 9 и уплотнительном кольце 5 в виде сегментов радиальных глухих пазов, образующих единую цилиндрическую полость, в которую установлен выполненный на кольцевой обойме 7 радиальный выступ 10.

В случае установки между осевой пружиной 6 и крышкой 4 ответного графитового кольца 11 со стороны его внешней поверхности также выполняется радиальный глухой паз, образующий с пазами неразрезного упорного графитового кольца 9 и уплотнительного кольца 5 в виде сегментов единую цилиндрическую полость, в которую установлен выполненный на кольцевой обойме 7 радиальный выступ 10.

На внутренних поверхностях неразрезного упорного графитового кольца 9 и уплотнительного кольца 5, контактирующих с контактной втулкой 1, а также на торцевых поверхностях неразрезного упорного графитового кольца 9 и ответного графитового кольца 11, контактирующих с корпусом 3 и крышкой 4, выполнены кольцевые каналы 12, сообщенные между собой и с радиальным зазором 8, расположенным между кольцевой обоймой 7 и корпусом 3.

Уплотнение собирается следующим образом. В корпус 3 устанавливается неразрезное упорное графитовое кольцо 9, уплотнительное кольцо 5 в виде сегментов, кольцевая обойма 7, осевая пружина 6 и ответное графитовое кольцо 11. Полученный пакет деталей поджимается крышкой 4. Полученное уплотнение устанавливается на контактной втулке 1.

В процессе работы осевая пружина 6 оказывает осевое воздействие на неразрезное упорное графитовое кольцо 9, уплотнительное кольцо 5, выполненное в виде сегментов, и ответное графитовое кольцо 11. При этом за счет контакта неразрезного упорного графитового кольца 9 и уплотнительного кольца 5 в виде сегментов по конической поверхности происходит дополнительное поджатие по контактной втулке 1.

1. Контактное графитовое уплотнение ротора турбомашины, содержащее контактную втулку, установленную на валу, корпус с крышкой, с расположенными в нем уплотнительным кольцом в виде сегментов и осевой пружиной, отличающееся тем, что оно снабжено кольцевой обоймой, расположенной в корпусе с радиальным зазором, и неразрезным упорным графитовым кольцом, установленным в кольцевой обойме и контактирующим с уплотнительным кольцом в виде сегментов по торцам, выполненными коническими относительно продольной оси вала, а другим торцом неразрезное упорное графитовое кольцо контактирует с корпусом, причем неразрезное упорное графитовое кольцо и уплотнительное кольцо в виде сегментов зафиксированы в кольцевой обойме от проворота.

2. Контактное графитовое уплотнение ротора турбомашины по п. 1, отличающееся тем, что содержит расположенное между осевой пружиной и крышкой ответное графитовое кольцо, установленное в кольцевой обойме и зафиксированное в ней от проворота.

www.findpatent.ru

Ракетный двигатель твердого топлива

 

Двигатель предназначен для использования в ракетостроении. Он содержит порошковой заряд 7, воспламенитель 6, сопловой блок 2, в раструбе которого установлен графитовый вкладыш 4, размещенный в стальной тонкостенной цилиндрической обойме, мембрану 5, установленную в закритической зоне. При этом мембрана выполнена в виде узла, состоящего из тонкостенного алюминиевого диска с кольцевой проточкой и эквидистантного ей кольца. Кольцо со стороны диска выполнено с концентрическими выступами и по внешнему диаметру завальцовано периферийной частью диска, на котором со стороны соплового вкладыша выполнена кольцевая канавка треугольного сечения. Изобретение направлено на повышение надежности работы ракетного двигателя за счет исключения разрушения соплового графитового вкладыша при обеспечении стабильных давлений вскрытия сопловой мембраны. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к ракетостроению и учитывает все возрастающие требования по повышению совершенства конструкций ракетных двигателей и надежности их работы.

Известна конструкция ракетного двигателя на твердом топливе [1], состоящего из корпуса с теплозащитным покрытием, соплового днища - переднего днища, заряда твердого топлива, воспламенительного устройства, поворотного сопла с сопловым вкладышем и заглушкой, установленной в расширяющейся части сопла.

Такая конструкция двигателя при всех своих достоинствах имеет существенный недостаток, а именно заглушка-диафрагма расположена в расширяющейся части сопла, а поскольку эта диафрагма вклеивается, а клей, как известно, имеет непостоянные свойства по ряду причин, то раннее вскрытие мембраны при срабатывании воспламенителя приведет к невоспламенению порохового заряда, что недопустимо.

Известна конструкция ракетного двигателя твердого топлива [2], состоящего из камеры сгорания с сопловым блоком, в критическом сечении раструба сопла которого установлен сопловой вкладыш с мембраной перед ним, пороховой заряд, воспламенитель на мембране.

Данная конструкция ракетного двигателя надежна при использовании стального молибденового вкладыша, поскольку при вылете мембраны с остатками воспламенителя на ней она не может нанести повреждение стальному вкладышу, но постановка соплового вкладыша из графита, как наиболее легкого материала при тех же габаритах приведет к его разрушению, что недопустимо.

Поэтому учитывая все перечисленные выше недостатки - задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы ракетного двигателя за счет исключения разрушения соплового графитового вкладыша при обеспечении стабильных давлений вскрытия сопловой мембраны, по сравнению с аналогом и прототипом.

Это достигается тем, что в ракетном двигателе твердого топлива, графитовый вкладыш размещен в стальной, тонкостенной цилиндрической обойме с кольцевой отбортовкой по образующей, причем мембрана установлена в закритической зоне между торцем соплового вкладыша и кольцевой отбортовкой обоймы, при этом мембрана наполнена в виде узла, состоящего из объединенных между собой тонкостенного алюминиевого диска с кольцевой проточкой и эквидистантного проточке стального высокопрочного кольца, а стальное кольцо со стороны диска выполнено с кольцевыми концентрическими выступами и по внешнему диаметру завальцовано периферийной частью диска, при этом на диске со стороны соплового вкладыша выполнена калиброванная кольцевая канавка треугольного сечения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что данная конструкция мембранного узла обеспечивает надежную его заделку в сопловом блоке, а также надежный срез мембраны при постоянном расчетном давлении среза.

Изобретение поясняется фиг. 1-3, на которых приняты следующие обозначения: 1 - ракетный двигатель твердого топлива, 2 - сопловой блок, 3 - раструб сопла, 4 - графитовый вкладыш, 5 - мембранный узел (фиг. 2), 6 - воспламенитель, 7 - пороховой заряд, 8 - алюминиевый диск, 9 - стальное высокопрочное кольцо, 10 - кольцевые концентрические выступы, 11 - канавка треугольного сечения, 12 - стальная обойма.

Работа ракетного двигателя осуществляется следующим образом: в двигателе 1 при срабатывании воспламенителя 6 происходит воспламенение порохового заряда 7, образовавшиеся пороховые газы создают давление внутри двигателя, действуя при этом на мембранный узел 5, установленный в сопловом блоке 2 между графитовым вкладышем 4 и обоймой 12 и состоящий из алюминиевого диска 8, соединенного прессованием со стальным высокопрочным кольцом 9, при этом кольцевые концентрические выступы 10 внедряются в алюминий, при достижении определенного давления происходит вскрытие мембранного узла 5 по кольцевой калиброванной канавке треугольного сечения 11 алюминиевого диска 8 и унос его через раструб сопла 3.

Предложенная конструкция ракетного двигателя с таким мембранным узлом при выходе двигателя на рабочий режим не позволяет мембране вытягиваться и изгибаться по месту заделки, мембрана четко срезается по калиброванной канавке треугольного сечения при постоянном давлении в двигателе, независимо от разброса внутрибаллистических характеристик двигателя, в широком диапазоне температур. С другой стороны стальное недеформирующееся высокопрочное кольцо, контактирующее с графитовым вкладышем, надежно защищает вкладыш от трещин, сколов и других механических повреждений в момент срезания и вылета мембраны.

Выполнение на мембране некалиброванной кольцевой канавки может привести: 1 - к раннему срезу мембраны, что повлечет за собой невоспламенение порохового заряда или к его затуханию; 2 - к позднему срезу мембраны, что повлечет за собой резкий заброс давления внутри двигателя и его разрушение, что недопустимо.

Кольцевая канавка на мембране специально выполнена треугольной для создания концентрации напряжения.

Стальное кольцо со стороны диска выполнено с кольцевыми концентрическими выступами и по внешнему диаметру завальцовано периферийной частью алюминиевого диска, что увеличивает жесткость заделки и не позволяет мембране вытягиваться и изгибаться по месту заделки.

Выполнение мембраны только из одного алюминиевого диска приведет к вытягиванию и изгибанию мембраны по месту заделки и, как следствие, к трещинам и сколам графитового вкладыша, что недопустимо.

Источники информации 1. Винницкий А. М. Ракетные двигатели на твердом топливе. - М.: Машиностроение, 1973, с. 15-19, рис. 1.13 - аналог.

1. Фахрутдинов И. Х. Ракетные двигатели твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1981, с. 4-5, рис. 1.1 - прототип.

Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий камеру сгорания, пороховой заряд, воспламенитель, сопловой блок, в раструбе которого установлен графитовый вкладыш с мембраной, отличающийся тем, что графитовый вкладыш размещен в стальной тонкостенной цилиндрической обойме с кольцевой отбортовкой по образующей, причем мембрана установлена в закритической зоне между торцом соплового вкладыша и кольцевой отбортовкой обоймы, при этом мембрана выполнена в виде узла, состоящего из объединенных между собой тонкостенного алюминиевого диска с кольцевой проточкой и эквидистантного проточке стального высокопрочного кольца, а стальное кольцо со стороны диска выполнено с кольцевыми концентрическими выступами и по внешнему диаметру завальцовано периферийной частью диска, при этом на диске со стороны соплового вкладыша выполнена калиброванная кольцевая канавка треугольного сечения.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

www.findpatent.ru


Смотрите также