КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК F02K9/52 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к камерам жидкостных ракетных двигателей и входящим в них устройствам и деталям, и может быть использовано при создании высокоэкономичных смесительных головок и камер ЖРД для перспективных средств выведения.

Известна смесительная головка камеры ЖРД SSME, содержащая корпус, в котором установлено 600 форсунок, расположенных 13-ю концентрическими рядами. Форсунки выполнены в виде двойных коаксиальных трубок и являются двухкомпонентными. Смесительная головка также содержит форсунки, которые выступают из огневого днища, образуя антипульсационные перегородки в виде кольца с 5 расходящимися от центра к периферии лучами (Энциклопедия "Космонавтика", гл. ред. В.П. Глушко, М., 1985, стр. 382).

Недостатком указанной головки является то, что конструкция антипульсационных перегородок применима для смесительных головок с расположением форсунок по концентрическим окружностям. Данная конструкция неприемлема для шахматного расположения форсунок, которое имеет место в ряде смесительных головок современных ЖРД ("Конструирование и проектирование жидкостных ракетных двигателей"/ Под общей редакцией Г.Г. Гахуна, М.: Машиностроение, 1989 г., стр. 130, рис. 7, 5).

Известна камера ЖРД РД-107, работающая на жидком кислороде и керосине. В смесительной головке камеры ЖРД РД-107 по концентрическим окружностям установлены двухкомпонентные форсунки. На периферии смесительной головки равномерно по двум концентрическим окружностям установлены штифты (Альбом конструкций ЖРД, часть 3, составленный под руководством В.П. Глушко, Военное издательство Минобороны СССР, М., 1969, стр. 36, фиг. 52). Смесительная головка имеет огневое, среднее и наружное днища.

Недостаток этой головки в том, что в камерах с такой смесительной головкой возможна высокочастотная неустойчивость рабочего процесса.

Известна смесительная головка камеры ЖРД РД-111 (см. вышеуказанный «Альбом конструкций ЖРД», стр. 155, фиг. 379), содержащая форсунки для подачи компонентов топлива, установленные в наружном, среднем и огневом днищах. Днища скреплены между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой. Форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям. На периферии смесительной головки расположены равномерно по окружностям штифты.

Недостатком указанной головки является то, что в ней возможна в отдельных экземплярах камер высокочастотная неустойчивость рабочего процесса, особенно в условиях форсированных режимов.

Известна смесительная головка камеры ЖРД, содержащая наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от стороны квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная, выступающая относительно огневого днища форсунка, является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок (патент РФ №2205973, МПК: F02K 9/52, F02K 9/62 - прототип).

Основным недостатком данной смесительной головки является недостаточно высокая экономичность рабочего процесса, связанная со следующими факторами.

Достаточно большая часть форсунок, используемых для образования антипульсационных перегородок, работает в нерасчетном режиме из-за того, что указанные форсунки имеют длину больше, чем остальные, и их зона смесеобразования и горения отнесена дальше в камеру сгорания. Это приводит к неравномерности распределения компонентов по сечению головки, различной расходонапряжености и, как следствие, потерям удельного импульса тяги.

Имеют место потери, связанные с неравномерностью, вызванной различием шагов между форсунками при переходе от шахматного расположения форсунок к их расположению по концентрическим окружностям.

Расположение штифтов в смесительной головке, между форсунками и стенкой камеры, ведет к росту диаметральных размеров камеры, ее массы и массы двигателя в целом.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание камеры ЖРД с уменьшенными потерями, связанными со смесеобразованием.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенной камере жидкостного ракетного двигателя, содержащей регенеративно охлаждаемые сопло и цилиндрическую часть, смесительную головку, включающую наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, при этом форсунки горючего и окислителя расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, а штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная, выступающая относительно огневого днища форсунка является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок, согласно изобретению лучи являются продолжением сторон квадрата и соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки, в каждом штифте выполнено как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним и огневым днищами, причем выходная часть указанных каналов расположена параллельно оси камеры сгорания.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показано продольное сечение камеры ЖРД, на фиг. 2 показано продольное сечение смесительной головки камеры ЖРД, на фиг. 3 - вид А на смесительную головку, на фиг. 4 - продольный разрез двухкомпонентной форсунки, образующей антипульсационные перегородки.

Предложенная камера ЖРД включает в себя смесительную головку, которая содержит наружное 1, среднее 2 и огневое 3 днища, скрепленные между собой форсунками 4 горючего и форсунками 5 окислителя, штифтами 6. Расстояние между днищами и объемы межфорсуночных полостей определяются размерами форсунок 4 и 5.

Форсунки горючего 4 и окислителя 5 выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище 3 с переходом в периферийной зоне головки 7 к расположению по окружностям. Штифты 6 расположены на окружности в периферийной зоне 7 смесительной головки. Форсунки 8, расположенные на сторонах квадрата 9 в центральной части 10 смесительной головки, а также форсунки 11, находящиеся для каждой из сторон квадрата 9 на двух лучах 12, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище 3, образуя антипульсационные перегородки 13. Каждая периферийная, выступающая относительно огневого днища 3 форсунка 8 является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок. Указанные лучи 12 являются продолжением сторон квадрата 9 и соединяют его вершины с периферийной зоной 7 смесительной головки. В каждом штифте 6 выполнено как минимум три канала 14, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним 2 и огневым 3 днищами, причем выходная часть указанных каналов 15 расположена параллельно оси камеры сгорания.

Также камера включает в себя регенеративно охлаждаемую профилированную цилиндрическую часть 16 с критическим сечением 17 и соплом 18.

Предложенная камера работает следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по форсункам окислителя 5 подают в камеру сгорания. Горючее из полости горючего по форсункам горючего 4 подают в камеру сгорания, где оно перемешивается с окислителем, воспламеняется и сгорает. При горении, на режиме запуска, могут возникать высокочастотные колебания, ведущие к неустойчивости процесса горения, связанные с нестационарностью переходных режимов запуска.

Для предотвращения возможности появления таких процессов, поверхность огневого днища 3, при помощи квадрата 9 и лучей 12, состоящих из выступающих форсунок 8 и 11 и образующих антипульсационные перегородки 13, разделяют на несколько изолированных друг от друга зон, что препятствует распространению колебаний из одной зоны в другую. В этом случае, при возникновении колебаний в одной зоне, они не распространяются далее по всему огневому днищу и затухают.

Для обеспечения требуемого качества смесеобразования и защиты огневых стенок камеры от прогаров, часть расхода горючего подают через каналы 14 штифтов 6, которые в этом случае играют роль однокомпонентных форсунок.

Выполнение форсунок, образующих антипульсационные перегородки, двухкомпонентными позволит улучшить качество смесеобразования за счет обеспечения подачи горючего и окислителя в одной плоскости.

Форсунки, образующие антипульсационные перегородки 13, выполнены двухкомпонентными, причем каждая форсунка содержит корпус с наконечником с внутренним каналом, соединяющим полость окислителя с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость горючего с полостью камеры сгорания, при этом в выходной части указанного канала и втулки установлены завихрители для придания соответствующему потоку компонента топлива вращательного движения, причем перепад давления каждого канала компонента топлива упомянутой двухкомпонентной форсунки равен перепаду давления соответствующей однокомпонентной форсунки, при этом геометрические характеристики факелов распыла компонентов топлива равны соответствующим геометрическим характеристикам факелов распыла упомянутых однокомпонентных форсунок.

Компоненты топлива из форсунок поступают в полость профилированной цилиндрической части 16, воспламеняются и сгорают. Продукты сгорания компонентов топлива поступают к критическому сечению 17, проходят через него и расширяются в сопле 18, создавая при этом тягу.

Использование предложенного технического решения позволит создать камеру ЖРД со смесительной головкой, применение которой обеспечит надежную и устойчивую работу смесительной головки камеры ЖРД при высоком качестве смесеобразования, что позволит обеспечить высокий удельный импульс тяги ЖРД.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к камерам жидкостных ракетных двигателей и входящим в них устройствам и деталям. Камера жидкостного ракетного двигателя содержит регенеративно охлаждаемые сопло и цилиндрическую часть, смесительную головку, включающую наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой. Форсунки горючего и окислителя расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, а штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки. Расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки. Каждая периферийная, выступающая относительно огневого днища форсунка, является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок. Лучи являются продолжением сторон квадрата и соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки, в каждом штифте выполнено как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним и огневым днищами, причем выходная часть указанных каналов расположена параллельно оси камеры сгорания. Изобретение обеспечивает уменьшение потерь, связанных со смесеобразованием. 4 ил.

Камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая регенеративно охлаждаемые сопло и цилиндрическую часть, смесительную головку, включающую наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, при этом форсунки горючего и окислителя расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, а штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная, выступающая относительно огневого днища форсунка является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок, отличающаяся тем, что лучи являются продолжением сторон квадрата и соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки, в каждом штифте выполнено как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним и огневым днищами, причем выходная часть указанных каналов расположена параллельно оси камеры сгорания.