УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЛИНИИ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА СОПЕЛ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2005 года по МПК F02K9/97 F02K1/78 

Изобретение относится к устройству для регулирования линии разделения потока сопел реактивных двигателей для уменьшения боковых нагрузок на указанные сопла.

В ходе переходных процессов при запуске и выключении реактивных двигателей на уровне моря возникают значительные динамические и статические нагрузки, часто называемые боковыми нагрузками. Эти нагрузки в основном относят к характеристикам неупорядоченного потока, при разделении потока. Эти боковые нагрузки обычно ограничивают полезный размер сопла, который может использоваться, и, таким образом, производительность реактивного двигателя.

Существуют два принципиальных способа управления соплом реактивного двигателя относительно разделения потока:

а) первый способ и способ, согласно которому все сопла, начинающие функционировать на уровне моря, работают в настоящее время, состоит в том, что они предназначены для работы с совершенным потоком, что означает то, что они работают без разделения потока при номинальной работе. Однако при пуске двигателя существует короткий период действия боковых нагрузок, когда сопло при условиях переходного процесса не находится в условиях совершенного потока. Этот период времени обычно составляет менее двух секунд, и боковые нагрузки будут исчезать, когда давление газообразных продуктов сгорания в сопле достигает номинального значения.

b) второй способ, который не используется сегодня, представляет разделение непрерывного потока в ходе установившейся работы. Разделение потока в сопле будет нарастать до тех пор, пока ракета не достигнет высоты, где давление атмосферы не понизится до уровня, допускающего совершенный поток в сопле. Изобретение предназначено для достижения управления боковыми нагрузками как в переходном режиме, так и в установившемся режиме.

Сопла жидкостных реактивных двигателей часто работают в условиях, когда основная струя реактивного двигателя выходит в окружающую среду с давлением, не являющимся пренебрежимым. Примерами таких реактивных двигателей являются большие жидкостные реактивные двигатели для использования на уровне моря, такие как стартовые двигатели и двигатели разгонных ступеней для многоступенчатых ракет.

Боковые нагрузки, генерируемые в таких соплах, в целом достигают таких значений, что они создают повышенные требования к конструкции компонентов, несущих сопло. Эти требования приводят к повышенному весу самого сопла и компонентов, несущих сопло. Наибольшая возможная степень, которая может использоваться, кроме того, ограничивается требованием работы с непрерывным потоком в установившемся режиме.

Конечными последствиями боковых нагрузок являются ограничения общей удельной производительности сопла по массе и следующее из этого ограничение количества полезного груза, который может быть доставлен на орбиту ракетой-носителем.

Для устранения недостатков сопел известного уровня техники был предложен ряд технических решений, которые сами, как оказалось, имели существенные недостатки в разных отношениях. Недостатки относятся к работе, производительности, охлаждению и надежности.

Таким образом, традиционные колоколообразные сопла имеют ограниченные функциональные возможности и создают существенные переходные нагрузки при запуске и выключении. Сопло в форме двойного колокола также подвергается тяжелым переходным боковым нагрузкам.

Известным техническим приемом для уменьшения боковых нагрузок колоколообразного сопла является снабжение сопла барьерными кольцами, что снижает боковые нагрузки, однако барьерные кольца будут вызывать потерю производительности, когда сопло работает с полным расходом и, кроме того, эти кольца трудно охлаждать.

Другим известным техническим приемом для уменьшения боковых нагрузок на сопло является снабжение сопла выходным диффузором на конце сопла, который уменьшает эффективное уширение сопла. Выходной диффузор увеличивает вес сопла, и указанный выходной диффузор должен сбрасываться на большой высоте, что требует средства активного управления и движущихся частей. Кроме того, очень высока тепловая нагрузка на выходной диффузор.

Еще одним известным техническим приемом для уменьшения боковых нагрузок на сопло является помещение на внутреннюю поверхность стенки сопла абляционной вставки, которая подвергается уносу при работе реактивного двигателя и полностью устраняется, когда сопло достигает большой высоты. Недостатки этого технического приема состоят в том, что сопло будет тяжелее, и нет гарантии того, что вставку будет уносить равномерно по всей окружности.

Другим известным техническим приемом для уменьшения боковых нагрузок на сопло является применение ребер, проходящих в осевом направлении сопла на внутренней стороне сопла, делающих разделение потока более оссимметричным. Поток по стенке будет разделяться в карманах между указанными ребрами. Таким образом, устраняются большие области разного давления на стенку, вызывающего боковые нагрузки. Недостатками применения такого технического приема является то, что сопло будет тяжелее, и ребра будут подвергаться экстремальным тепловым нагрузкам, поскольку они установлены перпендикулярно стенке сопла и проходят в основную струю реактивного двигателя. Кроме того, их трудно охлаждать.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков известного уровня техники.

Согласно изобретению она решается тем, что внутренняя поверхность сопла снабжена равномерно разнесенными по окружности областями с повышенной шероховатостью поверхности по сравнению с остальной внутренней поверхностью сопла.

Теперь будет описан не вносящий ограничений пример осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг.1 изображает частичный вид колоколообразного сопла с областью, поверхностная шероховатость которой была увеличена, фиг.2а изображает схематический вид линии разделения в известном колоколообразном сопле с осевой симметрией, и фиг.2b изображает схематический вид линии разделения сопла, соответствующего настоящему изобретению.

Как можно видеть на фиг.1, внутренняя сторона стенки сопла 1 имеет равномерно распределенные по окружности области 2 с изменяющейся шероховатостью поверхности. Это изменение шероховатости поверхности сформировано в осевом направлении по всей длине L сопла 1 или части сопла и проходит до выходного отверстия сопла.

Как можно видеть на фиг.1, области 2 с повышенной шероховатостью поверхности проходят по меньшей мере по части длины L сопла, и ширина W1 указанных областей на выходе сопла меньше ширины W2 примыкающих областей с не повышенной шероховатостью поверхности, равна ей или больше нее.

Конфигурация области 2 с повышенной шероховатостью поверхности может быть треугольной, прямоугольной или может иметь форму кривой постоянных значений (полиноминальной).

Повышенная шероховатость поверхности может достигаться посредством, например, механической обработки, такой как грубая зачистка или фрезерование, или газоплазменным или плазменным напылением. Поверхностная шероховатость должна быть настолько большой, чтобы она проникала сквозь вязкий подслой граничного слоя стенки сопла. Таким образом, шероховатость поверхности на внутренней стороне больших сопел для работы на уровне моря будет превышать 1 мм на выходе. Шероховатость поверхности может варьироваться или быть постоянной по всей длине сопла с максимальной шероховатостью поверхности вблизи выхода сопла. Шероховатость поверхности может варьироваться от 0,5 до 2 мм.

Поскольку шероховатость поверхности варьируется в направлении по окружности сопла 1, это влияет на пограничный слой у стенки сопла и, таким образом, на линию разделения потока. Как можно видеть на фиг.2b, линия с разделения потока имеет в сопле с изменяющейся шероховатостью поверхности на внутренней стороне стенки сопла волнистую конфигурацию, и боковые нагрузки на стенку сопла будут, таким образом, относительно равномерно разнесены вдоль сопла. Плоскость разделения, формирующая волнообразную линию с разделения, приводит к получению меньших областей с разным давлением по сравнению со случаем, если линия разделения и, таким образом, плоскость b разделения была бы наклонной, как показано на фиг.2а. Волнообразное движение линии разделения не будет подвергать стенку сопла боковым нагрузкам такой величины, как линейная линия разделения. Плоскость разделения по своей природе неустойчива и будет наклоняться в случайном порядке, если сопло работает в условиях разделения потока, как показано на фиг.2а. Линия разделения, показанная на фиг.2а, формирует оптимальную линию разделения с той точки зрения, что давление на стенку сопла имеет одинаковое значение на одинаковом расстоянии от выхода сопла. Это означает, что на сопло не воздействуют боковые нагрузки.

Поскольку, согласно изобретению, внутренняя сторона стенки сопла имеет равномерно разнесенные по окружности области с большей шероховатостью поверхности, чем у остальной внутренней поверхности сопла, линия разделения может регулироваться, и, таким образом, можно будет увеличить уширение сопла и использовать сопло с разделением непрерывного потока в ходе установившейся работы, что было невозможно с существующими соплами.

Устройство для регулирования линии разделения потока в реактивном сопле включает равномерно разнесенные по окружности области с повышенной шероховатостью поверхности по сравнению с остальной частью внутренней поверхности сопла, расположенные внутри сопла. Изобретение уменьшит боковые нагрузки на сопло. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регулирования линии разделения потока в реактивном сопле для уменьшения боковых нагрузок, отличающееся тем, что внутри сопла (1) находятся равномерно разнесенные по окружности области (2) с повышенной шероховатостью поверхности по сравнению с остальной частью внутренней поверхности сопла.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шероховатость поверхности постепенно увеличивается от входного отверстия до выходного отверстия сопла, и тем, что шероховатость поверхности у выходного отверстия превышает 1 мм.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что районы (2) с повышенной шероховатостью поверхности проходят, по меньшей мере, по части длины (L) сопла, и тем, что ширина (W1) этих областей у выходного отверстия сопла меньше, равна или больше ширины (W2) примыкающих областей с неповышенной шероховатостью поверхности.