УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для экспериментальной отработки при создании и модернизации маршевых однокамерных и многокамерных установок, в частности для имитации высотных условий при огневых испытаниях жидкостных ракетных двигателей с соплами больших степеней расширения.

Известны схемы устройств для наземных испытаний жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), использующие выхлопные диффузоры с центральным телом, результаты исследований которых приведены в книгах «Исследование ракетных двигателей на жидком топливе» (под редакцией В.А.Ильинского, М.: Мир, 1964 г., стр.75-83) и А.А.Шишков, Б.М.Силин. Высотные испытания реактивных двигателей. - (М.: Машиностроение, 1985 г., стр.66-71). В них достаточно подробно описаны преимущества использования выхлопных диффузоров с фиксированным и подвижным центральным телом для проведения наземных испытаний ракетных двигателей.

Известна конструкция устройства для преобразования кинетической энергии в потенциальную, содержащая подвижный конус, формирующий диффузорный канал, (патент 2810545, США). Предложенная конструкция позволяет изменять параметры рабочего тела на выходе из турбина.

Однако во всех рассмотренных случаях предлагаемые схемы выхлопных диффузоров с центральным телом имеют следующие недостатки:

- невозможность проведения испытания при повороте сопла двигателя;

- ограничение степени расширения испытываемых сопел ЖРД низкими величинами (, где F_a - площадь сечения на срезе сопла ракетного двигателя, F_кр - площадь критического сечения сопла) из-за использования проточности схемы диффузора (с подсосом атмосферного воздуха).

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для проведения испытаний ЖРД с соплами большой степени расширения в наземных условиях, в том числе и при повороте сопел, с одновременным упрощением конструкции и значительным снижением стоимости реализации устройства.

Для достижения технического результата предлагается три варианта устройств для испытаний жидкостных ракетных двигателей.

В первом варианте устройства для испытаний жидкостных ракетных двигателей, содержащего узел стыковки, монтируемый на сопле жидкостного ракетного двигателя, к которому крепится выхлопной диффузор, состоящий из внешней цилиндрической оболочки и размещенного в ней центрального тела в виде цилиндра с профилированными входным и выходным участками, центральное тело состоит из двух частей: подвижной с профилированным входным участком и неподвижной с профилированным выходным участком. Неподвижная часть центрального тела устанавливается и центрируется радиальными стойками, имеющими ромбовидное поперечное сечение и размещаемыми внутри цилиндрической оболочки выхлопного диффузора, который имеет внутренний диаметр, больший или равный диаметру выходного сечения сопла. Внутри неподвижной части центрального тела размещается привод, обеспечивающий возможность осевого перемещения подвижной части центрального тела как при настройке, так и во время работы. Входной участок центрального тела выполнен в виде последовательного ряда конусов с различными углами наклона образующей либо в виде криволинейной поверхности от острой кромки к цилиндрической поверхности центрального тела и соосно вдвинут в сверхзвуковую часть сопла на расстояние, определяемое газодинамическими параметрами сопла и обеспечивающими равенство пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения является то, что центральное тело состоит из двух частей: подвижной с профилированным входным участком и неподвижной с профилированным выходным участком. Использование центрального тела из двух частей, подвижной и неподвижной, позволяет осуществлять настройку положения центрального тела относительно выходного сечения сопла без перемещения всего диффузора. Размещение внутри неподвижной части привода, обеспечивающего осевое перемещения подвижной части, позволяет автоматически вводить центральное тело в сопло ЖРД на установочный уровень до начала работы и изменять этот уровень при дросселировании тяги ЖРД. Профилирование входного участка центрального тела выполнено в виде последовательного ряда конусов с различными углами наклона образующей либо в виде криволинейной поверхности от острой кромки к цилиндрической поверхности центрального тела позволяет затормозить поток продуктов сгорания на том расстоянии, на которое вдвинуто центральное тело в сверхзвуковую часть сопла ЖРД, и уменьшить газодинамические нагрузки на выхлопной диффузор. Размещение профилированной входной части центрального тела в сверхзвуковой части сопла ЖРД уменьшает газодинамические нагрузки на внутреннюю поверхность стенок сопла и обеспечивает равенство пускового и рабочего давления диффузора, при этом величина расстояния, на которое вдвинуто центральное тело, определяется исходя из газодинамических параметров сопла.

Равенство или превышение внутреннего диаметра цилиндрической оболочки выхлопного диффузора относительно диаметра выходного сечения сопла ЖРД обеспечивает уменьшение времени выхода системы ЖРД - диффузор на рабочий режим.

Изобретение позволяет проводить испытания ЖРД с низким давлением в камере сгорания и соплами с большой степенью расширения (до , где F_a - площадь сечения на срезе сопла ракетного двигателя, F_кр - площадь критического сечения сопла), в том числе с насадками радиационного охлаждения из композиционных материалов без использования дорогостоящих технически сложных систем с предварительным вакуумированием. Кроме этого, такие устройства позволяют проводить испытания многосопловых двигательных установок.

Второй вариант конструкции представляет собой устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, содержащее узел стыковки, монтируемый на сопле жидкостного ракетного двигателя, к которому крепится выхлопной диффузор, состоящий из внешней цилиндрической оболочки и размещенного в ней центрального тела в виде цилиндра с входным и выходным участками, в котором центральное тело устанавливается и центрируется радиальными стойками, имеющими ромбовидное поперечное сечение, размещаемыми внутри цилиндрической оболочки выхлопного диффузора, имеющего внутренний диаметр, больший или равный диаметру выходного сечения сопла. Центральное тело своим входным участком соосно вдвинуто в сверхзвуковую часть сопла на расстояние, определяемое газодинамическими параметрами сопла, обеспечивающими равенство пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора. Кроме этого, профилированный входной участок центрального тела в виде затупленного конуса имеет узлы для подачи газа: один в виде кольцевого сопла со срезом, направленным навстречу потоку газа в сопле жидкостного ракетного двигателя, второй - выполнен в виде поясов с распределенной системой отверстий (перфорацией), расположенных на боковой поверхности входного участка центрального тела, а узлы подачи газа имеют автономные магистрали подачи газа, на которых устанавливаются автоматические регуляторы расхода газа, обеспечивающие переменный расход газа в процессе работы ЖРД.

Такое техническое решение позволяет заменить профилирование входной части центрального тела газовым конусом, образующимся при выдуве газа через кольцевое сопло входного участка центрального тела и направленным навстречу потоку газа в сопле ЖРД, а газ, подаваемый через участки с перфорацией, обеспечивает охлаждение стенок центрального тела. Изменяя расход газа, подаваемого через входной участок, мы уменьшаем пусковое давление, приближая его к рабочему давлению выхлопного диффузора. Кроме этого, наличие охлаждения позволяет значительно увеличить время испытания ЖРД с имитацией высотных условий.

Третий вариант устройства для испытаний жидкостных ракетных двигателей, содержащий узел стыковки, монтируемый на сопле жидкостного ракетного двигателя, к которому крепится выхлопной диффузор, состоящий из внешней цилиндрической оболочки и размещенного в ней центрального тела в виде цилиндра с профилированными входным и выходным участками, в котором центральное тело устанавливается и центрируется радиальными стойками, имеющими ромбовидное поперечное сечение, размещаемыми внутри цилиндрической оболочки выхлопного диффузора, имеющего внутренний диаметр, больший или равный диаметру выходного сечения сопла, отличается тем, что центральное тело своим входным участком соосно вдвинуто в сверхзвуковую часть сопла на расстояние, определяемое газодинамическими параметрами сопла, обеспечивающими равенство пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора, при этом профилированный входной участок центрального тела выполнен двухслойным, причем верхний слой выполнен из легкоуносимого, например полимерного, материала, а сам слой формируется в виде набора конусообразных колец из материалов, имеющих различную скорость разрушения (уноса, деструкции).

Такой подход позволяет автоматически изменять проходные сечения в зоне входного участка центрального тела и изменять параметры газового потока в них. Газовая завеса, образовавшаяся из продуктов разложения разрушающегося слоя, снижает температуру конструкции центрального тела и стоек до допустимой для материалов, из которых они изготовлены.

Предлагаемые изобретения позволяют создавать выхлопные диффузоры простой конструкции, ограниченных размеров для испытаний высотных ступеней ЖРД и двигателей разгонных блоков, имеющих низкое давление в камере сгорания и сопла с большой геометрической степенью расширения. Эффект достигается за счет резкого снижения пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора упрощенной конструкции. Кроме этого, такие диффузоры можно монтировать отдельно на каждом сопле при многосопловой компоновке двигательной установки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлено устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, в котором центральное тело выхлопного диффузора состоит из подвижной и неподвижной частей с приводом (вариант 1).

На фиг.2 представлено устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, в котором входной участок центрального тела выхлопного диффузора имеет узлы вдува газа (вариант 2).

На фиг.3 представлено устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, в котором входной участок центрального тела выхлопного диффузора выполнен двухслойным (вариант 3).

На фиг.1 представлено устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, состоящее из сопла ЖРД 1, узла стыковки 2, цилиндрической оболочки выхлопного диффузора 3, центрального тела 4, состоящего из неподвижной части 5 и подвижной части 6. Профилированная входная часть центрального тела 7 может быть выполнена в виде набора конусов либо в виде криволинейной поверхности от острой кромки к цилиндрической поверхности центрального тела (на Фиг.1 не показана криволинейная поверхность) и соосно вдвинута в сверхзвуковую часть сопла на расстояние l, определяемое газодинамическими параметрами сопла, обеспечивающими равенство пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора. Выходная часть 8 центрального тела 4 выполнена в виде конуса. Привод 9 расположен в неподвижной части 5 центрального тела 4, которое монтируется на стойках 10.

Устройство работает следующим образом. После установки ЖРД на стапеле на сопло 1 монтируется узел стыковки 2, к которому герметично крепится выхлопной диффузор 3, подвижная часть 6 центрального тела 4 которого предварительно вдвинута с помощью привода 9 в сопло ЖРД, обеспечивая расчетное значение расстояния l. После запуска ЖРД и выхлопного диффузора (примерно через 0,3…0,5 с) подвижная часть 6 центрального тела 4 начинает выводиться приводом 9 из сопла ЖРД 1 до рабочего значения величины l и фиксируется приводом.

На фиг.2 представлено устройство для испытаний ЖРД, в котором профилированный входной участок 7 центрального тела 4 имеет узлы для подачи газа в виде ресивера 11 с центральным соплом и поясов с распределенной системой отверстий 12. Узлы для подачи газа имеют автономные магистрали для подвода газа 13 и 14, на которых установлены соответственно регуляторы расхода 15, 16. Расстояние l, на которое центральное тело первоначально вдвинуто в сопло ЖРД, не изменяется.

Устройство работает следующим образом. После установки ЖРД на стапеле стенда на сопле 1 монтируется узел стыковки 2, к которому герметично крепится выхлопной диффузор 3, центральное тело 4 вдвигается в сопло ЖРД на величину l. До запуска ЖРД включается подача газа в ресивер 11 с кольцевым соплом на расход, составляющий не более 10…15% максимального. Одновременно с запуском ЖРД начинают увеличивать расход подаваемого газа в ресивер 11 с помощью регулятора расхода 15 через магистраль 13 таким образом, чтобы при выходе ЖРД на рабочий режим расход газа стал расчетным.

Одновременно по магистрали для подвода газа 14 с помощью регулятора расхода 16 осуществляют подачу газа через систему отверстий 12. После выхода ЖРД на рабочий режим подача газа в ресивер с кольцевым соплом со срезом направленным навстречу потока газа в сопле ЖРД уменьшается в зависимости от параметров работы ЖРД.

На фиг.3 представлено устройство для испытаний ЖРД, в котором входной участок 7 центрального тела 4 выполнен двухслойным, верхний слой 17 из легкоуносимого материала, например полимерного. Слой формируется в виде набора конусообразных колец из материалов, имеющих различную скорость разрушения (уноса, деструкции).

Устройство работает следующим образом. После установки ЖРД на стапеле на сопло 1 монтируется узел стыковки 2, к которому герметично крепится выхлопной диффузор 3. Центральное тело 4 диффузора вдвигается при установке в сопло ЖРД 1 на расстояние l. При запуске ЖРД площадь сечения для прохода газов начинает увеличиваться по мере уноса материала верхнего слоя 17 на входном участке 7 центрального тела 4 выхлопного диффузора. При этом продукты охлаждения образуют низкотемпературную завесу вдоль поверхности центрального тела. Толщина уноса материала подбирается исходя из площади проходного сечения, обеспечивающего минимальное давление запуска и времени работы ЖРД.

Применение предлагаемых устройств особенно эффективно для высотных ступеней многосопловой компоновки.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для экспериментальной отработки при создании и модернизации маршевых однокамерных и многокамерных установок, в частности для имитации высотных условий при огневых испытаниях жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с соплами больших степеней расширения. Предложено три варианта устройства для испытаний ЖРД с использованием выхлопного диффузора с центральным телом. В первом варианте центральное тело состоит из подвижной части и неподвижной с приводом, обеспечивающим возможность осевого перемещения подвижной части центрального тела, входной участок которого выполнен в виде последовательного ряда конусов с различными углами наклона образующей. Во втором варианте устройства для испытаний ЖРД профилированный входной участок центрального тела выполнен в виде затупленного конуса и имеет узлы для подачи газа: один в виде кольцевого сопла со срезом, направленным навстречу потоку газа в сопле ЖРД, второй - в виде поясов с распределенной системой отверстий (перфорацией), расположенных на боковой поверхности входного участка центрального тела, а узлы подачи газа имеют автономные магистрали подачи газа с автоматическими регуляторами расхода газа. В третьем варианте устройства для испытаний ЖРД профилированный входной участок центрального тела выполнен двухслойным, причем верхний слой из легкоуносимого, например полимерного, материала, а сам слой формируется в виде набора конусообразных колец из материалов, имеющих различную скорость разрушения (уноса, деструкции). Изобретения обеспечивают создание выхлопных диффузоров простой конструкции, ограниченных размеров для испытаний высотных ступеней ЖРД и двигателей разгонных блоков, имеющих низкое давление в камере сгорания и сопла с большой геометрической степенью расширения, а также снижение пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора упрощенной конструкции. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, содержащее узел стыковки, монтируемый на сопле жидкостного ракетного двигателя, к которому крепится выхлопной диффузор, состоящий из внешней цилиндрической оболочки и размещенного в ней центрального тела в виде цилиндра с профилированными входным и выходным участками, отличающееся тем, что центральное тело состоит из двух частей: подвижной с профилированным входным участком и неподвижной с профилированным выходным участком, причем неподвижная часть устанавливается и центрируется радиальными стойками, имеющими ромбовидное поперечное сечение, размещаемыми внутри цилиндрической оболочки выхлопного диффузора, имеющего внутренний диаметр, больший или равный диаметру выходного сечения сопла, кроме того, внутри неподвижной части центрального тела размещается привод, обеспечивающий возможность осевого перемещения подвижной части центрального тела, как при настройке, так и во время работы, а входной участок центрального тела выполнен в виде последовательного ряда конусов с различными углами наклона образующей либо в виде криволинейной поверхности от острой кромки к цилиндрической поверхности центрального тела и соосно вдвинут в сверхзвуковую часть сопла на расстояние, определяемое газодинамическими параметрами сопла, обеспечивающими равенство пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора.

2. Устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, содержащее узел стыковки, монтируемый на сопле жидкостного ракетного двигателя, к которому крепится выхлопной диффузор, состоящий из внешней цилиндрической оболочки и размещенного в ней центрального тела в виде цилиндра с входным и выходным участками, отличающееся тем, что центральное тело устанавливается и центрируется радиальными стойками, имеющими ромбовидное поперечное сечение, размещаемыми внутри цилиндрической оболочки выхлопного диффузора, имеющего внутренний диаметр, больший или равный диаметру выходного сечения сопла, при этом центральное тело своим входным участком соосно вдвинуто в сверхзвуковую часть сопла на расстояние, определяемое газодинамическими параметрами сопла, и обеспечивающими равенство пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора, кроме этого, профилированный входной участок центрального тела в виде затупленного конуса имеет узлы для подачи газа, один - в виде кольцевого сопла со срезом, направленным навстречу потоку газа в сопле жидкостного ракетного двигателя, второй выполнен в виде поясов с распределенной системой отверстий (перфорацией), расположенных на боковой поверхности входного участка центрального тела, а узлы подачи газа имеют автономные магистрали подачи газа, на которых устанавливаются автоматические регуляторы расхода газа, обеспечивающие переменный расход газа в процессе работы жидкостного ракетного двигателя.

3. Устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, содержащее узел стыковки, монтируемый на сопле жидкостного ракетного двигателя, к которому крепится выхлопной диффузор, состоящий из внешней цилиндрической оболочки и размещенного в ней центрального тела в виде цилиндра с профилированными входным и выходным участками, отличающееся тем, что центральное тело устанавливается и центрируется радиальными стойками, имеющими ромбовидное поперечное сечение, размещаемыми внутри цилиндрической оболочки выхлопного диффузора, имеющего внутренний диаметр, больший или равный диаметру выходного сечения сопла, при этом центральное тело своим входным участком соосно вдвинуто в сверхзвуковую часть сопла на расстояние, определяемое газодинамическими параметрами сопла, и обеспечивающими равенство пускового и рабочего давлений выхлопного диффузора, при этом профилированный входной участок центрального тела выполнен двухслойным, причем верхний слой из легкоуносимого, например, полимерного материала, а сам слой формируется в виде набора конусообразных колец из материалов, имеющих различную скорость разрушения (уноса, деструкции).