ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F02K9/52 F02K9/95 

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при разработке форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), содержащих систему воспламенения при помощи пускового горючего.

Одной из основных проблем при создании ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, является обеспечение надежной работы системы воспламенения, в том числе обеспечение пожаровзрывобезопасности за счет принятия специальных мер по предотвращению контакта горючего с окислителем до его поступления в полость камеры сгорания.

Проблема заключается в том, что ЖРД является генератором широкого спектра вибрационных нагрузок, которые могут приводить к разрушению арматуры питания, в том числе трубопроводов подачи горючего к средствам воспламенения.

Известна камера с форсуночной головкой, в которой средства воспламенения выполнены из струйных форсунок, установленных за внутренним огневым днищем в силовом корпусе камеры (патент RU №2158841, MПK: F02K 9/52, заявка №99101161/06 от 21.01.99 г.).

При такой схеме обеспечивается отсутствие контакта элементов системы воспламенения с полостью окислителя камеры. Однако в такой конструкции есть существенный недостаток - в случае разрушения трубопровода, подводящего горючее к форсунке, высокотемпературный газ из камеры сгорания начнет поступать в образовавшуюся негерметичность с последующим разгаром и разрушением камеры.

Известна форсуночная головка камеры сгорания ЖРД, содержащая корпус и огневое днище с установленной в них форсункой пускового горючего, при этом торец форсунки пускового горючего утоплен в огневое днище, а в огневом днище вокруг форсунки пускового горючего выполнен канал переменного сечения с входной частью, сужающейся частью и минимальным проходным сечением, соединяющий полость горючего форсуночной головки с полостью камеры сгорания (патент RU№2429370, МПК: F02K 9/52, заявка №2010104718 от 10.02.2010 - прототип).

Указанная форсуночная головка в случае разрушения подводящего трубопровода горючего системы воспламенения работает следующим образом.

Горючее из полости пускового горючего форсуночной головки поступает как в канал форсунки горючего, так и в отверстие огневого днища, тем самым препятствуя попаданию высокотемпературных продуктов сгорания из огневой полости камеры сгорания в форсунку горючего и, соответственно, препятствуя лавинообразному разрушению форсуночной головки.

Основным недостатком данной форсуночной головки является то, что струя пускового горючего подается внутрь камеры сгорания, окруженная струей основного несамовоспламеняющегося горючего, что приводит к ее перемешиванию и размытию струей основного горючего, и, в конечном итоге, снижению эффективности работы системы воспламенения, основанной на поджиге несамовоспламеняющихся компонентов топлива струей пускового горючего.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности работы системы воспламенения жидкостного ракетного двигателя, работающего на несамовоспламеняющихся компонентах топлива.

Указанная задача достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем регенеративно охлаждаемую кольцевую камеру с тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, газогенератор, агрегаты регулирования, питания и управления, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, огневое днище, канал подачи пускового горючего с выходной частью в виде полой профилированной втулки, форсунки, установленные в указанных блоках смесительной головки по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания, согласно изобретению, в выходной части канала подачи пускового горючего коаксиально установлена с возможностью осевого перемещения дополнительная полая подпружиненная втулка, на входной части канала которой выполнена уплотнительная поверхность, при этом в одном положении указанная дополнительная втулка взаимодействует выходной частью с ответной профилированной поверхностью на внутренней поверхности огневого днища, в другом - взаимодействует входной уплотнительной поверхностью с ответным уплотнительным элементом, расположенным в упомянутом канале пускового горючего.

Сущность предложенного изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид предложенного жидкостного ракетного двигателя, на фиг.2 - осевой разрез форсуночной головки с системой воспламенения, на фиг.3 - выносной элемент А - осевой разрез форсунки пускового горючего, на фиг.4 - разрез Б-Б - поперечный разрез выходной части канала форсунки пускового горючего, на фиг.5 - разрез В-В - поперечный разрез входной части канала форсунки пускового горючего.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит корпус 1, блок подачи окислителя 2, блок подачи горючего 3. Форсунки 4 установлены в указанных блоках 2 и 3 смесительной головки по концентрическим окружностям и соединяют полости блоков с полостью камеры сгорания. Канал 5 подачи пускового горючего выполнен с выходной частью в виде полой профилированной втулки 6. В выходной части втулки 6 канала 5 подачи пускового горючего коаксиально установлена с возможностью осевого перемещения дополнительная полая подпружиненная втулка 7. На входной части канала 8 втулки 7 выполнена уплотнительная поверхность 9. В одном положении втулка 7 взаимодействует выходной частью 10 с ответной профилированной поверхностью 11 на внутренней поверхности огневого днища 12. В другом положении втулка 7 взаимодействует уплотнительной поверхностью 9 с ответным уплотнительным элементом 13, расположенным в упомянутом канале пускового горючего на ребрах 14. В огневом днище 12 выполнен канал 15 подачи пускового горючего на режиме запуска и основного горючего на основном режиме.

Двигатель также содержит регенеративно охлаждаемую камеру сгорания 16, газогенератор 17 и турбонасосный агрегат 18, агрегаты регулирования, питания и управления (не показаны).

Предложенный двигатель работает следующим образом.

Компоненты топлива поступают в газогенератор 17 и воспламеняются. Продукты сгорания компонентов топлива приводят во вращение турбину и насосы турбонасосного агрегата 18, который начинает подавать компоненты топлива в соответствующие полости смесительной головки. Компоненты топлива, из полости блока подачи окислителя 2 и полости блока подачи горючего 3, через форсунки 4, поступают в камеру сгорания. В момент запуска пусковое горючее подается в канал 5 и из него поступает к профилированной втулке 6. Во втулке 6 поток пускового горючего воздействует на торцевую поверхность полой подпружиненной втулки 7 и перемещает ее к огневому днищу, сжимая при этом пружину (не обозначена). Одновременно с этим поток пускового горючего поступает в канал 8 дополнительной втулки 7. Втулка 7 перемещается к огневому днищу и садится выходной частью 10 на ответную профилированную поверхность 11 на внутренней поверхности огневого днища 12, образуя, таким образом, замкнутый канал пускового горючего, открывающийся через канал 15 непосредственно в камеру сгорания.

Компоненты топлива, подаваемые в камеру сгорания 16 из блока подачи окислителя 2 и блока подачи горючего 3 через форсунки 4 воспламеняются от струи пускового горючего и образуют продукты сгорания. Продукты сгорания компонентов топлива расширяются в камере сгорания 16 и поступают к срезу сопла камеры сгорания, создавая при этом тягу.

После запуска двигателя подача пускового горючего через канал 5 прекращается. В этом случае на дополнительную полую подпружиненную втулку 7 уже не действует поток пускового горючего, и упомянутая втулка 7, под действием пружины, начинает отходить от ответной профилированной поверхности 11 на внутренней поверхности огневого днища 12.

В образовавшуюся щель, между выходной частью 10 втулки 7 и ответной профилированной поверхностью 11 на внутренней поверхности огневого днища 12, начинает поступать основное горючее.

Часть основного горючего, через канал 15, который в этом случае выполняет роль однокомпонентной струйной форсунки горючего, поступает в камеру сгорания, а другая часть основного горючего перемещает втулку 7, по направлению от огневого днища, до тех пор, пока втулка 7 не начнет взаимодействовать уплотнительной поверхностью 9 с ответным уплотнительным элементом 13, расположенным в упомянутом канале пускового горючего на ребрах 14. Под действием основного горючего, втулка 7 садится уплотнительной поверхностью 9 канала 8 на ответный уплотнительный элемент 13 и полностью перекрывает канал подачи пускового горючего. В этом случае через канал 15, который в этом случае выполняет роль однокомпонентной струйной форсунки горючего, расход основного горючего поступает в камеру сгорания и защищает огневое днище от прогара.

Использование предложенного технического решения позволит повысить надежность и эффективность работы системы воспламенения жидкостного ракетного двигателя.

Экспериментальные работы, проведенные авторами и заявителем с системой воспламенения, содержащей предложенные решения, показали ее высокую надежность, в том числе и при разрушении подводящего трубопровода горючего системы воспламенения.

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при разработке форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), содержащих систему воспламенения. ЖРД, содержащий регенеративно охлаждаемую кольцевую камеру с тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением. Смесительная головка включает корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, огневое днище, канал подачи пускового горючего с выходной частью в виде полой профилированной втулки. Форсунки установлены в указанных блоках смесительной головки по концентрическим окружностям и соединяют полости блоков с полостью камеры сгорания. В выходной части канала подачи пускового горючего коаксиально установлена с возможностью осевого перемещения дополнительная полая подпружиненная втулка, на входной части канала которой выполнена уплотнительная поверхность. В одном положении указанная дополнительная втулка взаимодействует выходной частью с ответной профилированной поверхностью на внутренней поверхности огневого днища, в другом - взаимодействует входной уплотнительной поверхностью с ответным уплотнительным элементом, расположенным в упомянутом канале пускового горючего. Изобретение обеспечивает повышение надежности и эффективности работы системы воспламенения ЖРД. 5 ил.

Жидкостный ракетный двигатель, содержащий регенеративно охлаждаемую кольцевую камеру с тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, газогенератор, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, огневое днище, канал подачи пускового горючего с выходной частью в виде полой профилированной втулки, форсунки, установленные в указанных блоках смесительной головки по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания, отличающийся тем, что в выходной части канала подачи пускового горючего коаксиально установлена с возможностью осевого перемещения дополнительная полая подпружиненная втулка, на входной части канала которой выполнена уплотнительная поверхность, при этом в одном положении указанная дополнительная втулка взаимодействует выходной частью с ответной профилированной поверхностью на внутренней поверхности огневого днища, в другом - взаимодействует входной уплотнительной поверхностью с ответным уплотнительным элементом, расположенным в упомянутом канале пускового горючего.