КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02K9/64 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей, работающих по безгенераторной схеме на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.

В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых сопел. Отличие между соплом Лаваля и кольцевым состоит в том, что кольцевое сопло имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую. Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что приводит к уменьшению линейных размеров двигателя.

Известна принципиальная схема кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, реализующая данный принцип (А.П.Васильев и др. "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей", Москва, "Высшая школа", 1967 г., рис. X. 18б).

Известна кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя (М. В. Добровольский и др. " Жидкостные ракетные двигатели", Москва, "Высшая школа", 1967 г., рис. 2.26, стр. 50 - прототип), содержащая кольцевые сопло, камеру сгорания со смесительной головкой, имеющей полости горючего и окислителя, расположенную осесимметрично внутри сопла.

В данной камере смесительная головка выполнена в виде цилиндра с цилиндрической огневой поверхностью, внутри которого проходят трубопроводы подачи компонентов в смесительную головку. Камера сгорания представляет собой кольцо, расположенное перпендикулярно к продольной оси камеры и имеющее профилированное поперечное сечение. Боковые поверхности камеры сгорания образованы круговыми плоскими стенками разного диаметра с профилированными периферийными участками. Центральная часть боковых поверхностей соединена между собой цилиндрическим огневым днищем, а периферийная образует кольцевое критическое сечение. В данной камере компоненты подаются в цилиндрическую смесительную головку и перемешиваются на выходе из форсунок. Продукты сгорания по радиальным лучам, перпендикулярным к оси камеры, подаются в критическое сечение, где изменяют направление движения и поступают в сопло.

Основными недостатками данной кольцевой камеры являются значительные диаметральные размеры, связанные с тем, что компоненты и, соответственно, продукты сгорания на выходе из смесительной головки движутся не вдоль оси камеры, а перпендикулярно к ней, изменяя направление своего движения в критическом сечении. Это вызывает уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания и не позволяет обеспечить необходимое значение удельного импульса тяги. Кроме этого, плоская профилированная поверхность не позволяет обеспечить достаточно большие давления внутри камеры сгорания из-за возможной потери прочности и устойчивости оболочек тракта охлаждения.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание кольцевой камеры ЖРД, позволяющей обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги и реализовать значительно большее давление в камере при минимальных габаритных размерах.

Поставленная задача достигается тем, что в кольцевой камере ЖРД, содержащей сопло, камеру сгорания со смесительной головкой, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы подвода горючего и окислителя, согласно изобретению камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, а внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение.

Наиболее оптимальные массово-энергетические характеристики камеры достигаются, если полость коллектора подачи горючего разделена на три и более изолированных друг от друга частей. Одна часть полости в этом случае соединяется с полостью подачи горючего смесительной головки, а другие - с полостями тракта охлаждения кольцевой камеры сгорания и профилированного охлаждаемого цилиндра, соединенными между собой.

Проведенный сравнительный анализ предложенного технического решения с прототипом и другими известными техническими решениями в данной области показал, что данная совокупность признаков в предложенном устройстве является новой и применена впервые. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "Новизна".

Предложенное техническое решение превосходит достигнутый уровень техники за счет обеспечения движения компонентов топлива и продуктов сгорания вдоль продольной оси камеры с разворотом в критическом сечении при плоском кольцевом огневом днище смесительной головки, что позволяет улучшить массово-энергетические характеристики камеры с кольцевым соплом и не является очевидным для среднего специалиста в данной области. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень".

Преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примера его выполнения и прилагаемых чертежей, где на фиг. 1 показан общий вид камеры, на фиг. 2 - устройство камеры, на фиг. 3 - поперечный разрез по плоскости A-A коллектора подачи горючего, на фиг. 4 - схема охлаждения и направление движения охладителя. На фиг. 4 цифрой "I" обозначен тракт охлаждения камеры сгорания и цилиндра, цифрой "II" - тракт охлаждения кольцевого сопла.

Основными элементами камеры являются:
1 - кольцевое сопло;
2 - кольцевая камера сгорания;
3 - кольцевая смесительная головка;
4 - полость горючего;
5 - полость горючего;
6 - полость окислителя;
7 - внутренняя кольцевая полость тракта охлаждения;
8 - наружная кольцевая полость тракта охлаждения;
9 - каналы;
10 - цилиндр;
11 - профилированная стенка;
12 - внутренняя стенка;
13 - коллектор подачи горючего;
14 - I-я полость коллектора подачи горючего;
15 - II-я полость коллектора подачи горючего;
16 - III-я полость коллектора подачи горючего;
17 - трубопровод подачи окислителя;
18 - коллектор подвода;
19 - коллектор отвода.

Внутри кольцевого сопла 1 осесимметрично установлена кольцевая камера сгорания 2 с кольцевой смесительной головкой 3, имеющей полости горючего 4, 5 и окислителя 6. Тракт охлаждения камеры разделен на две кольцевые полости - внутреннюю 7 и наружную 8, соединенные между собой каналами 9. Внутри кольцевой камеры сгорания 2 осесимметрично установлен охлаждаемый цилиндр 10 с профилированной наружной 11 и внутренней 12 стенками. Один конец цилиндра 10 соединен со смесительной головкой 3, другой - с кольцевым соплом 1. Кольцевое сопло 1, профилированная наружная стенка 11 цилиндра 10 и стенка кольцевой камеры сгорания 2 образуют кольцевое критическое сечение. В начальной части кольцевого сопла установлен коллектор подачи горючего 13, полость которого разделена на три изолированные полости 14, 15 и 16. Тракты охлаждения цилиндра 10, часть тракта охлаждения кольцевого сопла 1, тракт охлаждения камеры сгорания 2 соединены между собой и с полостями 14, 15 коллектора подачи горючего 13. Полость 16 коллектора 13 соединена с полостью горючего смесительной головки 3. Внутри охлаждаемого цилиндра 10 установлены трубопровод 17 подачи окислителя в кольцевую смесительную головку 3. На наружной поверхности кольцевого сопла 1 установлены коллекторы подвода 18 и отвода 19 охладителя кольцевого сопла.

Предложенная кольцевая камера работает следующим образом.

Окислитель по трубопроводу подачи окислителя 17 подается в полость окислителя 6 смесительной головки 3. В полости горючего 4,5 смесительной головки 3 горючее подается из полости 16 коллектора 13. В камере сгорания 2, в кольцевом зазоре, образованном охлаждаемым цилиндром 10 и внутренней стенкой тракта охлаждения 7, компоненты перемешиваются и воспламеняются. Продукты сгорания вдоль оси цилиндра 10 поступают к критическому сечению, образованному кольцевым соплом 1, профилированной стенкой 11 охлаждаемого цилиндра 10 и внутренней стенкой кольцевой камеры сгорания 2, изменяют направление своего движения в критическом сечении и оказывают давление на внутреннюю стенку кольцевого сопла 1.

Как видно из схемы (фиг. 4), подача охладителя в охлаждающий тракт осуществляется по двум параллельным контурам. В первый, наиболее напряженный контур, состоящий из тракта охлаждения внутренней стенки 12, охлаждаемого цилиндра 10, наружной кольцевой полости тракта охлаждения 8, критического сечения, внутренней кольцевой полости 7 и тракта охлаждения наружной профилированной стенки 11 охлаждаемого цилиндра 10, охладитель подается в зоне минимальных тепловых потоков корпуса камеры расходом, равным 0,45...0,65 общего расхода.

Этот расход через половину пазов направляется на охлаждение критического сечения и, повернув в переточных канавках на 180^o, по смежным пазам направляется в сторону смесительной головки 3, растекаясь в районе коллектора подачи горючего 13 по всем пазам рубашки охлаждения. В районе смесительной головки 3 охладитель перетекает на охлаждение части корпуса камеры сгорания 2 и продолжает течение от головки до конца цилиндрической части.

Подвод охладителя на охлаждение второго контура, состоящего из тракта охлаждения кольцевого сопла 1 и части тракта охлаждения профилированной стенки 11 расходом, равным 0,35...0,55 общего расхода охладителя, осуществляется через коллектор 18. Отвод охладителя - через коллектор 19.

Использование предложенного технического решения позволит уменьшить габаритные размеры двигателя и повысить удельный импульс тяги за счет увеличения площади среза сопла при неизменной длине двигателя.

Камера предназначена для использования в жидкостных ракетных двигателях, работающих по безгенераторной схеме на криогенных компонентах, например кислороде и водороде. Кольцевая камера двигателя содержит сопло, камеру сгорания со смесительной головкой, расположенную внутри сопла, коллекторы подачи горючего и окислителя. Камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой, которая расположена вдоль продольной оси камеры. Внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и в месте с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение. Полость коллектора подачи горючего разделена на три изолированные друг от друга части, при этом одна часть полости соединяется с полостью подачи горючего смесительной головки, а две другие - с полостями тракта охлаждения кольцевой камеры сгорания и цилиндра, соединенными между собой. Данное техническое решение позволяет обеспечить высокое значение удельного импульса тяги при минимальных габаритных размерах камеры. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Кольцевая камера жидкостного реактивного двигателя, содержащая сопло, камеру сгорания со смесительной головкой с полостями горючего и окислителя, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы горючего и окислителя, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, а внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение. 2. Кольцевая камера жидкостного реактивного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что полость коллектора горючего разделена на три и более изолированные друг от друга части, при этом одна часть полости соединена с полостью горючего смесительной головки, а другие - с полостями тракта охлаждения кольцевой камеры сгорания и профилированного охлаждаемого цилиндра, соединенными между собой.