КОЛЬЦЕВОЕ СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 1994 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к энергетическим установкам на твердом топливе.

Одним из путей развития твердотопливного двигателестроения является повышение удельного импульса топлива и связанного с ним увеличения температуры продуктов сгорания до 3500 К и выше.

На стенки сопла РДТТ действуют не только высокая температура продуктов сгорания, но и их химические компоненты, большие скорости движения и плотность газового потока. Поэтому для защиты сопла от высокой температуры, а также для предохранения от окисления и уноса массы поверхности современных сопел, омываемых продуктами сгорания, имеется специальное теплозащитное покрытие. Унос массы стенок сопла пытаются ограничить также и путем применения специальных жаростойких материалов, введения различных способов отвода тепла от соплового блока, в особенности в районе критического сечения.

Для охлаждения сопловых блоков РДТТ применяют абляционное охлаждение, заключающееся в отборе тепла от пограничных слоев газового потока наплавление, сублимацию или эндотермическое разложение материала нагревающейся поверхности сопла. Иногда стенки сопла защищают от нагрева продуктами абляции специального вещества, расположенного в камере РДТТ, образующими в сопле пристеночный слой или пленку, снижающие температуру и окислительный потенциал воздействующих продуктов сгорания топлива.

В районе критического сечения сопла, где произведение скорости газового потока на его плотность достигает максимального значения, тепловые потоки к стенке максимальны. В этом же районе наиболее сильно проявляется окислительное воздействие потока продуктов сгорания на стенки. Оба указанных фактора в современных конструкциях вызывают с течением времени работы РДТТ увеличение площади крити- ческого сечения в силу уноса массы.

В связи с применением высококалорийных твердых топлив с высокой температурой горения, наличием конденсированной фазы в продуктах сгорания и сравнительно большим содержанием в них окисляющих компонентов (О₂, СО₂, H₂О и др. ) район критического сечения сопла практически всегда подвергается уносу массы.

Для уменьшения уноса в области критического сечения сейчас широко применяются вкладыши, устанавливаемые в районе критического сечения и изготавливаемые из плотного графита, пирографита, необлицованного или облицованного вольфрамом, пропитанным медью или серебром (на 3-й ступени баллистической ракеты "Минитмэн"), различные композиционные материалы.

В известной работе описана конструкция круглого сопла с вкладышем из набора пирографитовых колец. Кольца из пирографита выполняют роль тепловой емкости, расположены в районе критического сечения. Однако изготовление таких колец вызывает затруднения из-за профилиро- ванного внутреннего контура горловины.

Известна конструкция соплового вкладыша с использованием твердого охладителя. Горловина сопла состоит из набора плоских колец, изготовленных из жаростойкого материала, между которыми радиально прокладываются пластины равномерно по окружности. Твердым охладителем заполняется пространство между кольцами, образованное прокладкой пластин. При разложении охладителя образуются газообразные продукты с низкой молекулярной массой, которые, смешиваясь с продуктами сгорания топлива, образуют пристеночный слой и охлаждают конструкцию сопла. Имея ряд преимуществ, указанная конструкция из-за сложности сборки и крепления не нашла широкого применения.

В кольцевых соплах путем перемещения центрального тела можно компенсировать изменение площади критического сечения из-за уноса массы. Искажение контура и укорочение штыря как показано в известной работе незначительно влияют на уменьшение удельного импульса. Такая конструкция запатентована в США (патент N 3726480).

В другой известной работе представлена схема разрезного регулируемого сопла с центральным телом. Центральное тело оснащено гидроприводом, перемещающим его в осевом направлении. Зависимость площади критического сечения сопла от осевого перемещения центрального тела близка к линейной. Однако для эффективного использования данной конструкции необходима разработка специальных топлив, у которых показатель степени горения от давления лежит в диапазоне 0,85-0,95. В отличие от обычных СТТ в составе такого топлива используется порошок алюминия с пластинчатыми частицами вместо сферического алюминия. Необходимо также применение специального пористого ПА, изготавливаемого по сложной технологии. Это является существенным недостатком указанной конструкции. Следует отметить, что кольцевые сопла с подвижным центральным телом отличаются сложностью конструкции привода, что снижает надежность сопла.

Известна конструкция осесимметричного штыревого сопла с неподвижным центральным телом, выбранная за прототип.

Центральное тело штыревого сопла удерживается с помощью 3-х профилированных равнорасположенных по окружности стержней, прикрепленных к наружному корпусу сопла. Вкладыши критического сечения кольцевой формы, имеющие профилированную поверхность, обращенную к потоку продуктов сгорания, выполнены из пиролитического графита.

Недостатком указанной конструкции является снижение удельного импульса из-за уноса массы в критическом сечении и увеличение площади проходного сечения, вызывающее нерасчетное падение давления в камере двигателя.

Целью изобретения является увеличение энергетических характеристик ракетного двигателя твердого топлива.

Указанная цель достигается тем, что кольцевые вкладыши в районе критического сечения сопла выполнены таким образом, что их поверхности, обращенные к проходному сечению имеют не профилированную, а цилиндрическую форму на длине 1-3 величины проходного сечения. Кроме того, вкладыши выполнены из низкотеплопроводного армированного материала.

Сравнение предлагаемого решения с прототипом и другими конструкциями позволило выявить признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "существенное отличие".

На чертеже изображен сопловой блок с центральным телом, продольный разрез.

Кольцевое сопло состоит из обечайки 1 и центрального тела 2. Вкладыш 4 центрального тела, имеющий цилиндрическую поверхность, обращенную к проходному сечению, фиксируется выходным конусом 3, ввинчиваемым в переднюю часть 6 центрального тела. Вкладыш 5 обечайки крепится при помощи цилиндрической втулки 7.

Возможны различные варианты крепления центрального тела (на опорном стержне, проходящем по всей длине двигателя и закрепленном в районе переднего днища, при помощи профилированных пилонов и стержней к элементам обечайки и т. д. ).

Различными могут быть и способы крепления цилиндрических колец-вкладышей 4 и 5 в критическом сечении на центральном теле и обечайке. В процессе работы двигательной установки из-за уноса материала конструкции сопла площадь критического сечения F_кр. и среза сопла F_a изменяется во времени. Таким образом, отношение F_a/F_кр. не остается постоянным. Для обеспечения расчетного режима работы двигателя и постоянства расхода необходимо сохранение указанного отношения постоянным. Но если на срезе сопла можно добиться минимального уноса массы путем применения различных способов охлаждения, то в критическом сечении, как было отмечено выше, в настоящее время практически всегда имеется унос массы.

В результате исследовательских и экспериментальных работ авторами было установлено, что процесс уноса массы материала в районе горловины начинается у входа потока в критическую область и продвигается в процессе работы ДУ в направлении движения потока продуктов сгорания. Через некоторое время, по мере прогрева, начинает уноситься материал непосредственно в критическом сечении, что и вызывает увеличения F_кр.

Если поверхность горловины имеет не скругленный профиль, а, как предлагают авторы, цилиндрический на определенной длине, то с течением времени процесс уноса продвигается по этой цилиндрической поверхности, а минимальное проходное сечение остается постоянным до тех пор, пока не будет унесена вся цилиндрическая поверхность.

Проведенные экспериментальные исследования сопловых вкладышей с длиной цилиндрической поверхности от 3 до 15 мм и временем работы ДУ от 5 до 60 с показали, что для кольцевых сопел длина цилиндрического участка критического сечения (L) зависит от величины проходного сечения (l) и составляет L = (1-3)l. При L < l не обеспечивается надежная работа вкладыша более 10-15 с, при L > 3l начинает отрицательно сказываться на энергетические характеристики двигателя непрофилированность горловины.

Длина цилиндрической поверхности в указанных пределах зависит и от времени работы ДУ, материала вкладыша, скорости истечения, температуры и окислительного потенциала продуктов сгорания топлива.

Для каждого типа сопла величину L следует выбирать экспериментальным путем, поскольку аналитически ее определить в настоящее время не представляется возможным.

Предлагаемая конструкция может быть использована в кольцевых соплах различных размеров и с разным наклоном критического сечения к оси двигателя. Указанную схему можно использовать и в конструкциях круглых сопел.

Для изготовления вкладышей обечайки и центрального тела необходимо использовать армированные материалы, в том числе композиционные материалы, состоящие из различных наборов слоев тканей строго ориентированных перпендикулярно к оси сопла, что обеспечивает равномерность уноса массы по периметру критического сечения, графиты различной плотности и структуры, пирографиты, стеклопластики, углепластики и их модификации, а также твердое топливо.

Преимуществом предлагаемого решения, кроме обеспечения постоянного критического сечения, является и упрощение технологии изготовления вкладышей из-за их цилиндрической или конической (в случае наклона оси сопла по отношению к оси двигателя) формы вместо профилированной, применяемой в известных конструкциях.

Предлагаемую конструкцию соплового блока целесообразно использовать в двигательных установках в тех случаях, когда площадь критического сечения сохраняется постоянной в процессе работы двигателя, и увеличение удельного импульса из-за отсутствия разгара критического сечения оказывает значительное влияние на эффектив- ность ракеты в целом.

Предлагаемая конструкция соплового блока использована в экспериментальных установках для исследования различных процессов, происходящих в кольцевых соплах. (56) Виницкий А. М. , Волков В. Т. и др. Конструкция и отработка РДТТ. М. : Машиностроение, 1980, стр. 54, рис. 4.9.

Патент США N 239-265.11, N 3940067, 1976.

Изобретение может быть использовано в энергетических установках на твердом топливе. Цель изобретения состоит в повышении энергетических характеристик двигателя за счет снижения потерь из-за уноса материала сопла в районе критического сечения. Кольцевое сопло состоит из раструба 1 и центрального тела 2 с вкладышами 4,5, поверхности которых, обращенные к проходному сечению, выполнены цилиндрическими и шириной, составляющей 1 - 3 величины проходного сечения. При работе сопла процесс уноса материала начинается у входа потока в критическую область и продвигается в направлении движения потока, с течением времени процесс уноса продвигается по цилиндрическим поверхностям вкладышей, а минимальное проходное сечение остается постоянным до тех пор, пока не будет унесена вся цилиндрическая поверхность. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. КОЛЬЦЕВОЕ СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, содержащее раструб и установленное внутри него центральное тело, снабженные в районе критического сечения вкладышами кольцевой формы, отличающееся тем, что, с целью повышения энергетических характеристик за счет снижения потерь из-за уноса материала сопла в районе критического сечения, в нем поверхности вкладышей, формирующие проходное сечение, выполнены цилиндрическими, ширина вкладышей составляет 1 - 3 величины проходного сечения. 2. Сопло по п. 1, отличающееся тем, что в нем кольцевые вкладыши выполнены из низкотеплопроводного армированного материала.