ГАЗОГЕНЕРАТОР ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/64 

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а более конкретно к газогенераторам ЖРД, предназначенным для выработки газа, идущего на привод турбины турбонасосного агрегата (ТНА).

Известны газогенераторы ЖРД, содержащие охлаждаемую камеру сгорания, форсуночную головку, состоящую из переднего, среднего и огневого днищ, форсунок окислителя и горючего (см. книгу Г.Г. Гахун и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", М., Машиностроение, 1989, стр. 144, 145, рис. 8.3, 8.4). Эти газогенераторы выполнены по однозонной схеме, в которой весь расход окислителя и горючего вводится в одном поперечном сечении через форсуночную головку.

Недостатком таких газогенераторов является невозможность обеспечения устойчивого горения и равномерности температуры на выходе из газогенератора при работе на смесях, резко отличающихся от стехиометрической, т.е. работающих с большим избытком одного из компонентов топлива. Такая схема применяется в ЖРД, работающих с дожиганием генераторного газа в основной камере сгорания.

В двигателях с дожиганием на компонентах жидкий кислород и углеводородное горючее, например керосин, применяют окислительные газогенераторы. Примером такого газогенератора является газогенератор двигателя РД-253 (см. книгу Г. Г. Гахун и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", М. , Машиностроение, 1989, стр.143, рис.8.2). В этом газогенераторе в зону головки подается горючее и окислитель в соотношении, надежно обеспечивающем воспламенение и устойчивое горение, т.е. близком к стехиометрическому. Через дополнительный ввод подается необходимый избыток окислителя. Камера газогенератора охлаждается окислителем.

Недостатком указанного газогенератора является наличие сферического коллектора для подвода избыточного компонента, практически охватывающего всю длину газогенератора. Это приводит к увеличению габаритов и веса газогенератора из-за наличия сферического коллектора с большой поверхностью, а также к неравномерности температурного поля из-за невозможности равномерно раздать избыточный компонент по сечению камеры газогенератора через сферический коллектор и наличия большого количества отверстий в стенке камеры газогенератора. Ухудшается охлаждение из-за наличия большого количества бобышек для подачи избыточного компонента и отсутствия завесного охлаждения камеры сгорания до зоны смешения и после зоны смешения. В приведенной конструкции отсутствует элемент, предотвращающий закрутку потока в коллекторе. Закрутка потока избыточного компонента приводит к неравномерности статического давления по длине коллектора и, как следствие, к неравномерной раздаче избыточного компонента и неравномерности температурного поля на выходе из газогенератора.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании малогабаритного, надежного газогенератора малого веса, обеспечивающего высокую равномерность температурного поля на выходе из газогенератора.

Поставленная задача решается тем, что в нем на внутренней оболочке камеры, соединенной через ребра каналов охлаждения с наружной оболочкой, например, при помощи пайки, имеются бобышки с отверстиями для подачи избыточного компонента, a каналы охлаждения камеры сгорания выполнены по обе стороны от бобышек и между ними и соединены с коллектором отверстиями, расположенными в два ряда с протоком охладителя из первого ряда по каналам от бобышек в головку и из второго ряда в каналы между бобышками в сторону головки и обратную сторону с последующим поворотом потока в каналы с тупиками, снабженными отверстиями навесного охлаждения. Предложенное конструктивное решение позволяет улучшить охлаждение газогенератора как путем организации конвективного охлаждения, так и завесного.

Для создания завесного охлаждения в первой высокотемпературной зоне газогенератора, расположенной от головки до зоны впрыска избыточного компонента, в месте соединения огневого днища с внутренней оболочкой камеры выполнена отбортовка, в этой отбортовке выполнены равномерно расположенные тангенциальные каналы, направленные в сторону внутренней оболочки камеры сгорания. По этим каналам подается избыточный компонент, в данном случае окислитель, в результате чего создается надежное завесное охлаждение от головки до зоны смешения.

В известных газогенераторах не предусмотри механизм регулирования дальнобойности струй подачи избыточного компонента в зону смешения. Все отверстия подачи избыточного компонента работают под одним перепадом давления, в результате не обеспечивается необходимая подача избыточного компонента по зонам поперечного сечения камеры газогенератора, следствием чего является большая неравномерность температурного поля на выходе из газогенератора.

В предлагаемом газогенераторе во входном патрубке коллектора подвода избыточного компонента установлена перфорированная отверстиями диафрагма, часть отверстий диафрагмы патрубками соединены с отверстиями в бобышках камеры сгорания. В результате часть отверстий в бобышках камеры работает с одним перепадом давлений, а часть с другим, при этом за счет разного перепада обеспечивается различная дальнобойность струй и подача избыточного компонента в необходимую зону поперечного сечения камеры и достигается высокая равномерность температурного поля.

В коллекторе подвода избыточного компонента со стороны, противоположной патрубку подвода, установлена поперечная перегородка, устраняющая закрутку потока в коллекторе. В результате этого обеспечивается одинаковое статическое давление избыточного компонента в коллекторе и его равномерная раздача через отверстия в бобышках, что также улучшает равномерность температурного поля.

Настоящее изобретение будет полно описано при помощи фиг. 1-6.

На фиг. 1 представлен общий вид газогенератора, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез газогенератора А-А по коллектору подвода избыточного компонента, на фиг.3 - вид по стрелке В на фиг.2 со стороны патрубка подвода избыточного компонента в коллектор; на фиг.4 - место Б соединения огневого днища и рубашки охлаждения камеры сгорания на фиг.1; на фиг.5 - поперечный разрез по ГГ на фиг.4 по тангенциальным отверстиям; на фиг.6 - продольный разрез по ДД по рубашке охлаждения на фиг.1.

Газогенератор состоит из головки 1, камера сгорания 2 и коллектора 3 подвода избыточного компонента, соединенных между собой при помощи пайки и сварки.

Головка 1 содержит переднее днище 4 с патрубком подвода горючего 5, среднее днище 6, огневое днище 7, форсунки окислителя 8 и форсунки горючего 9. Между передним 4 и средним днищем 6 образована полость 10 для подвода горючего к форсункам горючего 9, а между огневым днищем 7 и средним днищем 6 образована полость 11 для подвода окислителя к форсункам окислителя 8.

Камера газогенератора 2 содержит наружный корпус 12 и внутреннюю оболочку 13, между которыми имеются каналы 14, 15 и 16 для протока охлаждающего компонента топлива, в данном случае окислителя.

На внутренней оболочке 13 выполнены бобышки 17 с отверстиями 18, совмещенными с отверстиями 19 в наружном корпусе 12, для подачи избыточного компонента в полость 20 камеры сгорания 2.

Наружная оболочка 12 камеры 2 снабжена отверстиями 21 и 22 для подвода избыточного компонента в каналы 14 и 16 (см. фиг.1 и 6. Отверстия 21 в 22 на фиг.6 показаны условно пунктиром). Внутренняя оболочка 13 снабжена отверстиями 23 для подачи избыточного компонента из каналов 15 в камеру сгорания для создания завесного охлаждения.

Коллектор 3 состоит из профилированной обечайки 24 и подводящего патрубка 25 с фланцем 26. В патрубке 25 установлена диафрагма 27, перфорированная отверстиями 28. Диафрагма 27 крепится в патрубке 25 при помощи резьбового кольца 29. Часть отверстий 28 патрубками 30 соединена через отверстия 19 с отверстиями 18 в бобышках 17. В коллекторе 24 со стороны, противоположной входному патрубку 25, установлена поперечная перегородка 31.

В месте крепления огневого днища 7 к внутренней оболочке 13 камеры сгорания 2 огневое днище снабжено равномерно расположенными тангенциальными отверстиями 32, направленными в сторону внутренней оболочки 13.

При работе двигателя горючее через патрубок 5 поступает в полость 10 головки газогенератора, оттуда через форсунки горючего 9 впрыскивается в полость 20 камеры сгорания 2 газогенератора.

Окислитель через патрубок 25 поступает в коллектор 3, часть его через отверстия 22 по каналам охлаждения 16 камеры 2 поступает в полость 11 головки 1. Часть окислителя из коллектора через отверстия 21 поступает в каналы охлаждения 14, откуда часть, охлаждая камеру, идет в полость 11 головки, а часть по этим же каналам идет в обратном направлении, охлаждает камеру и попадает в каналы 15 (см. фиг.6) с тупиками, образованными бобышками 17, и через отверстия 23 сбрасывается в камеру для создания завесного охлаждения.

Из полости 11 головки 1 окислитель через форсунки 8 впрыскивается в камеру газогенератора. В результате сгорания компонентов топлива вблизи огневого днища образуется газ с высокой температурой.

Большая часть окислителя через отверстия 28 поступает в коллектор и через отверстия 18 и 19 впрыскивается в полость 20 камеры сгорания. Часть окислителя через патрубки 30 с большим перепадом давлений через отверстия 18 и 19 также впрыскивается в полость 20 камеры сгорания.

Избыточный компонент, поступающий через отверстия 18 и 19, смешивается с горючим газом, идущим от огневого днища. После смешения образуется газ с пониженной температурой, используемый для привода турбины ТНА. При этом обеспечивается надежное охлаждение газогенератора и требуемая для надежной работы турбины равномерность температурного поля.

Газогенератор жидкостного ракетного двигателя содержит форсуночную головку с передним, средним и огневым днищами, камеру сгорания с внутренней оболочкой, снабженной продольными каналами охлаждения, и коллектор с патрубком подвода избыточного компонента, соединенный отверстиями через бобышки с камерой сгорания. В газогенераторе каналы охлаждения камеры сгорания выполнены по обе стороны от бобышек и между ними и соединены с коллектором отверстиями, расположенными в два ряда с протоком охладителя из первого ряда по каналам от бобышек в головку из второго ряда в каналы между бобышками в сторону головки и обратную сторону с последующим поворотом потока в каналы с тупиками, снабженными отверстиями завесного охлаждения. Изобретение позволяет получить компактный газогенератор малого веса с надежным охлаждением и равномерным температурным полем на выходе. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газогенератор жидкостного ракетного двигателя, содержащий форсуночную головку с передним, средним и огневым днищами, камеру сгорания с внутренней оболочкой, снабженной продольными каналами охлаждения, и коллектор с патрубком подвода избыточного компонента, соединенный отверстиями с камерой сгорания, отличающийся тем, что коллектор подвода избыточного компонента соединен с камерой сгорания отверстиями через бобышки, каналы охлаждения камеры сгорания выполнены по обе стороны от бобышек и между ними и соединены с коллектором отверстиями, расположенными в два ряда с протоком охладителя из первого ряда по каналам от бобышек в головку и из второго ряда в каналы между бобышками в сторону головки и обратную сторону с последующим поворотом потока в каналы с тупиками, снабженными отверстиями завесного охлаждения. 2. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что в нем по торцу отбортованного огневого днища в месте крепления его к внутренней оболочке равномерно расположены тангенциальные каналы, направленные в сторону внутренней оболочки камеры сгорания. 3. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что во входном патрубке коллектора установлена, например, на резьбе перфорированная отверстиями диафрагма, при этом часть отверстий диафрагмы, например, патрубками соединена с отверстиями в бобышках камеры сгорания. 4. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что в коллекторе подвода избыточного компонента со стороны, противоположной патрубку подвода, установлена поперечная перегородка.