КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F02K9/64 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании ракетных двигателей с очень высокими плотностями теплового потока в стенку камеры.

В настоящее время одной из основных проблем при создании двигателей с высокими плотностями теплового потока является обеспечение надежного охлаждения стенок камеры сгорания. При достижении определенного значения давления наиболее распространенный наружный способ охлаждения внутренних стенок камеры путем подачи охладителя в тракт охлаждения оказывается недостаточно эффективным. Одним из способов решения данной проблемы может быть использование транспирационно охлаждаемых внутренних стенок (вставок) камер, выполненных из пористого материала, в которых охладитель подается в камеру сгорания сквозь поры в материале внутренней стенки. При этом создается защитная завеса, плотность теплового потока в стенку снижается. При некотором критическом значении расхода жидкого охладителя температура стенки становится равной температуре кипения жидкости при заданном давлении. На режиме критического расхода внутренняя стенка защищается сплошной завесой жидкости. При снижении расхода жидкость частично испаряется, а завеса становится в основном газовой. Преимущества транспирационного охлаждения увеличиваются при больших температурных перепадах. Подача части охладителя через поры в камеру сгорания приводит к некоторой потере экономичности камеры, но в тоже время позволяет обеспечить требуемую работоспособность.

Основным недостатком транспирационного охлаждения является снижение экономичности камеры, связанное с тем, что часть расхода охладителя, например, горючего, подается в огневую полость через стенки камеры сгорания, минуя смесительную головку. Исходя из этого, важно подобрать оптимальное расположение участка пористой внутренней стенки (вставки) в тракте охлаждения камеры и определить соотношение между длиной пористой вставки и длиной тракта охлаждения.

Известна камера сгорания жидкостного ракетного двигателя, с регенеративным и транспирационным охлаждением, содержащая смесительную головку с огневым днищем и форсунками, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, внутреннюю и наружную оболочки, транспирационно охлаждаемую пористую вставку. (см. Мелькумов и др. Ракетные двигатели. Москва, Машиностроение, 1976, с. 268-270).

В указанной камере компоненты подаются в смесительную головку и через форсунки поступают в камеру сгорания. Часть камеры, расположенная у головки, охлаждается регенеративно, наружным проточным охлаждением, а другая, в районе максимальных тепловых потоков, транспирационно.

Основным недостатком данной камеры является недостаточно высокое значение массово-энергетических характеристик, обусловленное неоптимальным соотношением длин регенеративной и транспирационной частей тракта, что приводит к излишнему расходу охладителя через пористую вставку и снижению удельного импульса тяги.

В основу настоящего изобретения положена задача создания камеры жидкостного ракетного двигателя, конструкция которой обеспечивала бы надежное охлаждение стенок камеры с минимальными потерями экономичности при минимально возможной массе камеры.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащей внутреннюю и наружную оболочки, образующие тракт охлаждения, и скрепленные с транспирационно охлаждаемой проницаемой пористой вставкой, внутренний профиль которой соответствует газодинамическому профилю камеры, смесительную головку с огневым днищем и коаксиальными соосно-струйными форсунками, включающими наконечник и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник, и соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, пористая вставка расположена от огневого днища на расстоянии, равном 15...20 внутренних диаметров втулки.

Как показывает проведение исследования, при дальнейшем уменьшении нижнего предела указанного соотношения происходит интенсивный унос пористого материала, расположенного в следе периферийных форсунок головки.

Верхний предел указанного соотношения выбирается исходя из того, что при дальнейшем его увеличении не в полной мере реализовываются преимущества транспирационного охлаждения.

Проведенный сравнительный анализ прототипа и других известных технических решений в данной области с предложенным техническим решением показал, что данная совокупность признаков в предложенном устройстве применена впервые и ранее не использовалась. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение с прототипом показало, что данное техническое решение превосходит достигнутый уровень техники за счет более экономичного использования расхода охладителя и обеспечения более высоких значений удельных параметров камеры без усложнения конструкции и не является очевидным для среднего специалиста в данной области. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень".

Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примера его выполнения и прилагаемых чертежей, на которых: фиг. 1 изображает осевой разрез камеры сгорания; фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

Камера сгорания содержит смесительную головку 1 с огневым днищем 2. В днище 2 установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки 3, состоящие из наконечника 4 и втулки 5, охватывающей с кольцевым зазором наконечник 4. Форсунки 3 соединяют полости компонентов с полостью камеры сгорания. Стенки камеры сгорания состоят из наружной 6 и внутренней 7 оболочек, образующих тракт охлаждения 8 начальной части камеры сгорания. Оболочки 6 и 7 скреплены с транспирационно охлаждаемой пористой вставкой 9, внутренний профиль которой соответствует газодинамическому профилю камеры, и расположенной от огневого днища 2 на расстоянии, равном 15...20 внутренних диаметров втулки 5. На наружной поверхности пористой вставки 9 расположены коллектора 10 подвода охладителя.

Начальный участок пористой вставки может быть выполнен с проницаемостью в 1,1...2,5 раза большей, чем проницаемость остальной части вставки. Это необходимо для того, чтобы обеспечить повышенный расход охладителя на начальном участке пористой вставки, так как проведенные исследования показывают, что именно на начальной кромке пористой вставки требуется увеличенный расход охладителя.

Нижний предел указанного соотношения выбирается исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении интенсивная эрозия входной кромки пористой вставки.

Верхний предел указанного соотношения выбирается исходя из того, что при дальнейшем его увеличении не в полной мере реализуются преимущества транспирацонного охлаждения.

Целесообразно также, чтобы на начальном участке вставки со стороны подвода охладителя была выполнена кольцевая проточка, при этом толщина стенки вставки в месте проточки должна составлять 0,3...0,4 толщины стенки вставки.

Кольцевая проточка также выполняется с целью обеспечения повышенного расхода охладителя в переходной зоне от оболочек к пористой вставке и на начальном участке самой вставки за счет местного уменьшения гидравлического сопротивления тракта.

Нижний предел указанного соотношения выбирается исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении не в полной мере реализуются преимущества транспирационного охлаждения.

Верхний предел указанного соотношения выбирается исходя из того, что при дальнейшем его увеличении не в полной мере реализуются преимущества транспирационного охлаждения.

Предложенная камера работает следующим образом.

Компоненты топлива подаются в смесительную головку 1. Из смесительной головки 1 по коаксиальным соосно-струйным форсункам 3, установленным в огневом днище 2 и состоящим из наконечника 4 и втулки 5, компоненты поступают в камеру сгорания. Одна часть охладителя подается в тракт охлаждения 8, образованный наружной 6 и внутренней 7 оболочками, и далее поступает для дальнейшего использования. Другая часть охладителя подается в коллекторы 10, расположенные на наружной поверхности пористой вставки 9, и через поры внутри материала вставки подаются на огневую стенку вставки и охлаждают ее.

Использование предложенного технического решения позволит обеспечить надежное охлаждение стенок камеры в районе максимальной плотности тепловых потоков при обеспечении оптимальных массово-энергетических характеристик.

Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя с регенеративным и транспирационным охлаждением содержит смесительную головку с огневым днищем и форсунками, внутреннюю и наружную оболочки, транспирационно охлаждаемую пористую вставку. Форсунки соединяют полости компонентов с полостью камеры сгорания и выполнены коаксиальными, соосно-струиными, включающими втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник. Внутренняя и наружная оболочки расположены в начальной части камеры сгорания. Пористая вставка расположена от огневого днища на расстоянии, равном 15-20 внутренних диаметров втулки. Начальный участок пористой вставки выполнен с проницаемостью в 1,1-2,5 раза большей, чем проницаемость остальной части. Такое выполнение камеры сгорания обеспечивает надежность охлаждения стенок камеры с минимальными потерями при минимально возможной массе камеры. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камера сгорания ЖРД с регенеративным и транспирационным охлаждением, содержащая смесительную головку с огневым днищем и форсунками, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, внутреннюю и наружную оболочки, транспирационно охлаждаемую пористую вставку, отличающаяся тем, что форсунки выполнены коаксиальными, соосно-струйными, включающими втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник, при этом внутренняя и наружная оболочки расположены в начальной части камеры сгорания, а пористая вставка расположена от огневого днища на расстоянии, равном 15-20 внутренних диаметров втулки. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что начальный участок пористой вставки выполнен с проницаемостью в 1,1-2,5 раза больше, чем проницаемость остальной части. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что на начальном участке проницаемой пористой вставки со стороны подачи охладителя выполнена кольцевая проточка, при этом толщина стенки в месте проточки составляет 0,3-0,4 толщины стенки вставки. 4. Камера по пп.1-3, отличающаяся тем, что внутренний профиль транспирционно охлаждаемой пористой вставки соответствует газодинамическому профилю камеры.