КАМЕРА С УВЕЛИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТЕПЛООБМЕНА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02K9/64 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей многократного использования, выполненных по безгазогенераторной схеме и работающих на кислородно-метановом топливе.

В настоящее время стоит проблема снижения стоимости выведения полезного груза в космическое пространство. Это предполагается осуществить, применив ракеты-носители многократного использования с высоконадежными двигателями, обеспечивающими безусловное выполнение полетного задания, работающими на дешевом экологически чистом топливе и обеспечивающим высокие энергетические характеристики. При создании таких двигателей предлагается изменить подход к выбору их конструкции и параметров. Конструкция двигателя должна быть удобной для межполетного обслуживания и высоконадежной в эксплуатации практически такой же, как в авиационных двигателях. Принципы проектирования и выбор параметров двигателя должны соответствовать этим требованиям. Эту проблему можно решить, если ракетный двигатель выполнить по безгазогенераторной схеме на кислородно-метановом топливе.

Известна кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя (М.В.Добровольский и др. «Жидкостные ракетные двигатели», Москва, «Высшая школа», 1967 г., стр.50, рис.2.26), содержащая кольцевое сопло, камеру сгорания со смесительной головкой, имеющей полости горючего и окислителя, и расположенную внутри сопла. Камера сгорания представляет собой кольцо, расположенное перпендикулярно к продольной оси камеры. Боковые поверхности камеры сгорания образованы круговыми плоскими стенками разного диаметра. Центральная часть боковых поверхностей соединена между собой цилиндрическим огневым днищем, а периферийная образует кольцевое критическое сечение. В данной камере компоненты топлива 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.

Основным недостатком такой кольцевой камеры являются значительные диаметральные размеры, связанные с тем, что компоненты топлива 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.

Известна принципиальная схема кольцевой камеры сгорания ракетного двигателя (патент РФ №2151318, формула изобретения опубликована в БИПМ №17 за 2000 г.), выполненного по безгазогенераторной схеме, в которой необходимый разогрев горючего, в частности водорода, в основном, обеспечивается за счет развитой поверхности тарельчатого сопла.

Основными недостатками данной кольцевой камеры являются:

- значительные диаметральные размеры, определяемые необходимостью компоновки ТНА во внутренней полости цилиндрической части камеры;

- малая величина линейного размера кольцевого критического сечения, трудно выполнимая с большой точностью, что может привести к появлению боковой составляющей тяги сопла;

- разворот газового потока продуктов сгорания на 180° при сверхзвуковой скорости, что может привести к значительному росту плотности теплового потока в стенку сопла в этом районе.

Недостатком такой камеры является также то, что при появлении внутренних дефектов в ее элементах конструкции визуально трудно их определить, а при их обнаружении придется заменить всю камеру.

Задачей изобретения является устранение этих недостатков и создание камеры ЖРД, обеспечивающей необходимый разогрев горючего, в частности метана, для балансовой увязки безгазогенераторной схемы двигателя высокой надежности и экономичности при многократном его использовании, а также существенное упрощение ее межполетного обслуживания.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается конструкция камеры с увеличенной поверхностью теплообмена жидкостного ракетного двигателя, содержащая охлаждаемую горючим камеру сгорания, содержащую кольцевую смесительную головку и внешний и внутренний коаксиально расположенные охлаждаемые цилиндры, при этом один торец каждого цилиндра соединен с кольцевой смесительной головкой, а другой торец внутреннего охлаждаемого цилиндра соединен с соплом, охлаждаемым горючим. Согласно изобретению камера сгорания снабжена дополнительным охлаждаемым цилиндром, наружная боковая поверхность которого примыкает к внутренней боковой поверхности внутреннего охлаждаемого цилиндра и один из торцов которого соединен с соплом, а другой - с торцом внутреннего охлаждаемого цилиндра, противолежащим торцу, соединенному со смесительной головкой, напротив которой расположено охлаждаемое днище, соединенное с торцом внешнего охлаждаемого цилиндра, причем торец внутреннего охлаждаемого цилиндра отстоит от днища на расстоянии а внутренний диаметр внешнего охлаждаемого цилиндра где d_K - внутренний диаметр дополнительного цилиндра, а δ - суммарная толщина стенок охлаждаемых внутреннего и дополнительного цилиндров.

Предложенное техническое решение позволяет, используя накопленный технологический опыт по камере обычной компоновки, обеспечить высокую надежность, простое межполетное обслуживание и достичь высоких энергетических характеристик в камере с увеличенной поверхностью теплообмена ЖРД, выполненного по безгазогенераторной схеме, что достигается за счет создания разборной на отдельные элементы камеры, обеспечения развитой поверхности теплообмена только цилиндрической части камеры сгорания и разворота продуктов сгорания при докритической скорости их движения и их истечения из сопла Лаваля.

Надежность такого двигателя будет обеспечена двумя факторами, отсутствием газогенератора и пониженным уровнем давления в камере по сравнению с достигнутым в нашей стране уровнем. Использование безгазогенераторной схемы при создании кислородно-метановых двигателей автоматически приведет к снижению давления до 8 МПа.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена зависимость относительного удельного теплового потока от тяги.

На фиг.2 изображены принципиальные схемы камеры с увеличенной поверхностью теплообмена и кольцевой смесительной головки с соосно-струйными форсунками.

В ЖРД, имеющем камеру с увеличенной поверхностью теплообмена, главным энергетическим источником для привода ТНА является удельный тепловой поток с камеры, определяемый как отношение теплового потока к секундному массовому расходу топлива через двигатель. При увеличении тяги камеры обычной компоновки удельный тепловой поток снижается. Это иллюстрируется нижеприведенной формулой, определяющей зависимость удельного теплового потока от тяги двигателя и графической зависимостью относительного удельного теплового потока от тяги, представленной на фиг.1. Относительный удельный тепловой поток определен как отношение удельных тепловых потоков, снимаемых с камер двигателей тягой свыше 100 кН (от 100 кН до 2000 кН) к удельному тепловому потоку, снимаемого с камеры двигателя тягой 100 кН.

где β - расходный комплекс камеры;

Р_К - давление в камере;

R_V - тяга камеры в вакууме;

- относительная площадь поперечного сечения цилиндрической части камеры, a. F_K и F_* - площади поперечного сечения цилиндрической части камеры сгорания и узкого сечения сопла соответственно.

Из этого следует, что цилиндрическая часть камеры обычной схемы тягой 2 МН (200 тс), при сохранении ее длины такой же, как и на камере, тягой 0,1 МН, будет иметь примерно в шесть раз меньший удельный тепловой поток, чем камера тягой 0,1 МН (10 тс).

Для получения необходимого разогрева горючего, обеспечивающего балансовую увязку безгазогенераторной схемы двигателя большой тяги, предлагается конструкция камеры с увеличенной поверхностью теплообмена, принципиальная схема которой представлена на фиг.2.

Основными элементами камеры являются: смесительная головка 1 с соосно-струйными форсунками 2 и с полостями горючего Г₁, Г₂, и окислителя О_к; кольцевая часть 3 камеры сгорания, образованная внутренней поверхностью внешнего охлаждаемого цилиндра 4 и внешней поверхностью внутреннего охлаждаемого цилиндра 5; охлаждаемое днище 6 камеры; цилиндрическая часть 7 камеры сгорания, расположенная внутри дополнительного охлаждаемого цилиндра 8 и охлаждаемое сопло Лаваля 9.

Конструкция предлагаемой изобретением камеры новой компоновки тягой до 2 МН имеет, в сравнении с конструкцией камеры обычной компоновки, существенно большую поверхность теплообмена и обеспечит разогрев горючего в ее тракте охлаждения, необходимый для балансовой увязки безгазогенераторной схемы двигателя.

В такой камере необходимый разогрев горючего в тракте охлаждения достигается за счет увеличения боковой поверхности ее цилиндрической части и появления дополнительной поверхности теплообмена на огневой стенке днища камеры сгорания

Площадь поперечного сечения кольцевой 3 камеры сгорания, образованная внешним 4 и внутренним 5 охлаждаемыми цилиндрами, равна площади поперечного сечения дополнительного охлаждаемого цилиндра 8, а также площадь боковой поверхности мнимого цилиндра, являющегося продолжением внутренней стенки дополнительного охлаждаемого цилиндра 8 и ограниченного охлаждаемым днищем 6, равна площади поперечного сечения кольцевой части 3 камеры сгорания. Соблюдение этого равенства необходимо для выдерживания примерно постоянной плотности теплового потока от продуктов сгорания в огневую стенку газового тракта камеры сгорания на всем его протяжении.

Предлагаемая камера работает следующим образом. Окислитель после насоса подается в полость Ок смесительной головки 1, откуда по внутреннему каналу соосно-струйной форсунки 2 подается в кольцевую часть 3 камеры сгорания.

Горючее после насоса подается в тракт охлаждения сопла Лаваля 9, откуда оно поступает в тракт охлаждения дополнительного цилиндра 8, затем горючее разворачивается на 180° и поступает в тракт охлаждения внутреннего цилиндра 5, после чего оно подается в полость горючего Г₁ кольцевой смесительной головки 1. Затем горючее направляют в тракт охлаждения внешнего цилиндра 4 и далее - в тракт охлаждения днища 6 камеры сгорания. Нагретое таким образом горючее идет на привод турбины ТНА. После турбины горючее подается в полость смесительной головки Г₂, откуда по газовым каналам соосно-струйных форсунок 2 попадает в кольцевую часть камеры сгорания 3, где сгорает в смеси с окислителем.

Применение предложенного технического решения позволит уменьшить длину камеры ЖРД, выполненного по безгазогенераторной схеме, в сравнении с камерой сгорания обычной компоновки, достичь высокого значения удельного импульса тяги за счет применения только внешнего охлаждения огневых стенок камеры, а также обеспечить простое межполетное диагностирование дефектов и ее обслуживание.

Камера с увеличенной поверхностью теплообмена жидкостного ракетного двигателя с охлаждаемой горючим камерой сгорания содержит кольцевую смесительную головку и внешний и внутренний, коаксиально расположенные охлаждаемые цилиндры. Торец каждого цилиндра соединен с кольцевой смесительной головкой. Другой торец внутреннего охлаждаемого цилиндра соединен с соплом, охлаждаемым горючим. К внутренней боковой поверхности внутреннего охлаждаемого цилиндра примыкает наружная боковая поверхность дополнительного охлаждаемого цилиндра. Один из торцов дополнительного охлаждаемого цилиндра соединен с соплом, а другой - с торцом внутреннего охлаждаемого цилиндра, противолежащим торцу, соединенному со смесительной головкой, напротив которой расположено охлаждаемое днище, соединенное с торцом внешнего охлаждаемого цилиндра. Изобретение позволит уменьшить длину камеры жидкостного ракетного двигателя, выполненного по безгазогенераторной схеме, повысить удельный импульс тяги за счёт использования только внешнего охлаждения огневых стенок камеры и обеспечить простое межполётное обслуживание и диагностирование дефектов камеры. 3 ил.

Камера с увеличенной поверхностью теплообмена жидкостного ракетного двигателя с охлаждаемой горючим камерой сгорания, содержащей кольцевую смесительную головку и внешний и внутренний коаксиально расположенные охлаждаемые цилиндры, при этом торец каждого цилиндра соединен с кольцевой смесительной головкой, а другой торец внутреннего охлаждаемого цилиндра соединен с соплом, охлаждаемым горючим, отличающаяся тем, что камера сгорания снабжена дополнительным охлаждаемым цилиндром, наружная боковая поверхность которого примыкает к внутренней боковой поверхности внутреннего охлаждаемого цилиндра и один из торцов которого соединен с соплом, а другой - с торцом внутреннего охлаждаемого цилиндра, противолежащим торцу, соединенному со смесительной головкой, напротив которой расположено охлаждаемое днище, соединенное с торцом внешнего охлаждаемого цилиндра, причем торец внутреннего охлаждаемого цилиндра отстоит от днища на расстоянии а внутренний диаметр внешнего охлаждаемого цилиндра где d_K - внутренний диаметр дополнительного цилиндра, а δ - суммарная толщина стенок охлаждаемых внутреннего и дополнительного цилиндров.