Стендовый жидкостный ракетный двигатель с непрерывной спиновой детонацией Российский патент 2018 года по МПК F02K9/52 F02K7/02 

Область техники

Изобретение относится к стендовым ЖРД, работающих в режиме непрерывной детонации на топливной смеси, состоящей из газообразного кислорода и керосина.

Предшествующий уровень техники

На сегодняшний день известна основная схема организации детонационного горения: в детонационных волнах, непрерывно циркулирующих в тангенциальном направлении поперек кольцевой камеры сгорания (спиновая детонация). Однако до сих пор нет экспериментальных данных, подтверждающих эффективность этого способа. Прямого сравнения измеренных тяговых характеристик реактивных двигателей с импульсной детонацией и с непрерывным горением не производили из-за того, что испытания длились не более одной секунды.

Проведенные патентные исследования по ЖРД со спиновым детонационным горением выявили три иностранных изобретений и одно Российское техническое решение, которые относятся к рассматриваемой теме.

Так, например, в изобретении US №3240010, 1966 г. детонационная камера сгорания образована между кольцевой смесительной головкой и заглушкой, вставленной в корпус двигателя. Кольцевая камера сгорания содержит смесительную головку, в которой выполнены две пары кольцевых струйных форсунок. Двигатель также содержит инициатор детонации, через заслонку подает топливную смесь в кольцевую камеру сгорания.

В изобретении US №3336754, 1967 г. корпус двигателя выполнен в виде кольцевой или эллипсообразной формы, который с одной стороны закрыт диском, а с другой закрыт кольцевой оболочкой, в которой выполнена кольцевая камера сгорания, образованная двумя кольцевыми вкладышами, в которых выполнены струйные форсунки окислителя и горючего. Выход продуктов сгорания из той кольцевой камеры создает тягу двигателя. В кольцевой камере создается непрерывная детонационная волна за счет ввода продуктов сгорания из инициатора детонации.

Известен стендовый ЖРД со спиновым детонационным режимом горения (патент US №8544280, 01.10.2013 г. МПК F02K 5/02 - 7/02), включающий в себя кольцевую камеру сгорания, в которой с одной стороны присоединена смесительная головка, а с другой - реактивное сопло. Кольцевая камера сгорания образована двумя соосными цилиндрами с образованием кольцевого зазора между ними. Смесительная головка состоит из кольцевого канала, через который со стороны входа двигателя подается горючее, и элемента, обеспечивающего закручивание потока газообразного окислителя - крыльчатка, вентилятора или лопаточное устройство. Между кольцевой камерой сгорания и смесительной головкой установлено кольцо, сужающее зазор между цилиндрами таким образом, чтобы предотвратить проскок детонационной волны из кольцевой камеры сгорания в смесительную камеру при работе двигателя. Реактивное сопло образуется коническим центрирующим телом, присоединенным к другому торцу внешнего цилиндра. Кольцевая камера сгорания имеет каналы, через которые осуществляется замер давления и температуры топливной смеси внутри камеры сгорания, и канал для ввода электрода для зажигания смеси.

Известен также Российский стендовый ракетный двигатель (Доклады Академии Наук, 2014 г., том 459, №6, с. 711-716, «Экспериментальное доказательство энергоэффективности термодинамического цикла Зельдовича», авт.Фролов С.М. и др.), включающий в себя кольцевую камеру сгорания, к которой с одной стороны присоединена смесительная головка, а с другой - реактивное сопло. Кольцевая камера сгорания образована двумя соосными цилиндрами с образованием кольцевого зазора между ними. Смесительная головка состоит из тонкого диска с заостренной кромкой, присоединенного к торцу внутреннего цилиндра камеры сгорания, так, что между кромкой и внешней стенкой камеры сгорания был кольцевой зазор шириной 1 мм, и 72 радиальных мелких отверстий во внешней стенке камеры сгорания, расположенных в одном поперечном сечении на осевом расстоянии 0,5 мм вниз по течению. Кислород попадает в камеру сгорания в осевом направлении через кольцевой зазор смесительной головки, а водород через указанные радиальные отверстия. Реактивное сопло образовано коническим центральным телом с углом при вершине 50°, присоединенным к другому торцу внутреннего цилиндра. Вблизи выходного сечения внешнего цилиндра с зазором расположен электрод, обеспечивающий зажигание топливной смеси. Ввиду больших тепловых нагрузок корпус камеры сгорания охлаждается водой и изготовлен из меди. Прототип.

Однако известное техническое решение не обеспечивает требуемого ресурса работы камеры сгорания при давлении более 2 кгс/см² и продолжительности огневого испытания более 2 сек.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в создании ЖРД, работающего в режиме непрерывной спиновой детонации при достаточно высоких давлениях в камере сгорания (от 16 кгс/см² и более).

Эта задача решена за счет того, что в стендовом ЖРД с непрерывной спиновой детонацией, включающем в себя кольцевую камеру сгорания, к которой с одной стороны присоединена смесительная головка, а с другой - реактивное сопло, кольцевая камера сгорания образована двумя соосными цилиндрами с образованием кольцевого зазора между ними,

- смесительная головка установлена вдоль оси двигателя и выполнена из кольцевого огневого днища, в котором по середине выполнена кольцевая щелевая форсунка подвода окислителя, по обе стороны от которой выполнены радиальные струйные форсунки подачи горючего, оси которых направлены под острым углом к щелевой форсунке, а выход из смесительной головки соединен с кольцевой детонационной камерой;

- наружный корпус кольцевой камеры состоит из наружной силовой стенки, выполненной из высокопрочного сплава и внутренней оребренной стенки, выполненной из высокотеплопроводного сплава, соединенных между собой пайкой;

- в корпусе кольцевой камеры выполнены три отверстия, герметично проходящие через обе его стенки, одно для подвода горючей смеси из инициатора детонационного горения в кольцевую камеру детонационного горения, другие два для регистрации давления в кольцевой камере;

- внутренний корпус двигателя состоит из наружной гладкой стенки, выполненной из высокотеплопроводного сплава, внутренней оребренной стенки - из прочного теплопроводного сплава, соединенных между собой пайкой.

Другими отличиями является то, что:

- что инициатор детонационного горения выполнен в виде камеры, имеющей штуцера подвода окислителя и горючего и выводной канал подачи продуктов сгорания в кольцевую камеру, а также свечу зажигания;

- значение острых углов, по которым наклонены оси стройных форсунок, лежат в пределах 40°-50°;

- наружная силовая оболочка наружного корпуса выполнена из сплава ВНС-16, а внутренняя огневая стенка выполнена из меди или медного сплава БрХ08;

- наружная оболочка внутреннего корпуса выполнена из меди или медного сплава БрХ08, а внутренняя оболочка этого корпуса выполнена из сплава 273;

- корпус инициатора детонационного горения выполнен из стали ЭП-202;

- окислитель представляет собой воздух;

- окислитель представляет собой газообразный кислород;

- горючее представляет собой жидкий керосин.

Перечень чертежей

На фиг. 1 представлено продольное сечение предлагаемого двигателя; на фиг. 2 представлен фрагмент сечения смесительной головки.

Описание изобретения

Двигатель включает в себя (фиг. 1) смесительную головку 1, наружный корпус 2, внутренний корпус 3, инициатор детонации 4, магистраль подвода окислителя 5, магистраль подвода горючего 6, магистраль подвода охлаждающей жидкости в наружный корпус 7, магистраль отвода охлаждающей жидкости 8, магистраль подвода охлаждающей жидкости во внутренний корпус 9, магистраль отвода охлаждающей жидкости из внутреннего корпуса 10 и узел крепления 11.

Камера (фиг. 1) состоит из камеры сгорания 12 и сопла 13.

Камера сгорания представляет собой кольцевой канал, образованный наружным и внутренним корпусами 2.

Сопло представляет собой профилированный контур, образованный наружным и внутренним корпусами.

Смесительная головка 1 (фиг. 2) состоит из огневого днища 14, в котором выполнены кольцевой канал 15 и множество отверстий 16 с обеих сторон кольцевого канала щелевой форсунки, направленных под острым углом 40…50° в сторону кольцевого канала, и корпуса 17, выполненного из высокопрочного материала.

Наружный корпус 2 состоит из наружной оболочки 18, выполненной из высокопрочного сплава, например, ВНС-16 и внутренней оребренной стенки 19, выполненной из высокотеплопроводного сплава, например, меди или медного сплава БрХ08, соединенных между собой методом пайки. В корпусе выполнены три отверстия, проходящие через обе стенки, 20 - для подачи горючей смеси из инициатора в камеру сгорания и 21 - для двух датчиков давления, регистрирующих процесс и величины давления в камере сгорания 12.

Внутренний корпус 3 состоит из гладкой оболочки 23, выполненной из высокотеплопроводного сплава, например, из меди или медного сплава БрХ08, и оребренной оболочки 22, выполненной из прочного теплопроводного сплава, например, сплава 273, соединенных между собой методом пайки.

Инициатор детонационного горения 4 состоит из камеры сгорания 24, двух штуцеров подвода горючего 25, двух штуцеров подвода окислителя 26, канала подвода продуктов сгорания 27 в камеру сгорания демонстрационного образца и свечи зажигания 28. Корпус камеры сгорания инициатора 29 выполнен из стали ЭП-202 неохлаждаемым; вблизи торца свечи 28 выполнены перпендикулярно оси камеры два отверстия 30 для впрыска горючего и два отверстия для впрыска окислителя.

Магистрали подвода компонентов топлива, подвода и отвода охлаждающей жидкости, например, воды, выполнены таким образом, что соединение со стендовыми магистралями выполнены разъемными, при этом подвод и отвод охлаждающей жидкости для внутреннего корпуса выполнены в виде двух коаксиально расположенных труб.

Узел крепления 11 представляет собой диск, в котором выполнены шесть отверстий, используемых для крепления к стендовой раме.

Конструктивное исполнение трактов охлаждения камеры сгорания в сочетании с использованием высокотеплопроводных и высокопрочных сплавов позволяет обеспечить работоспособность камеры сгорания при повышенных значениях энергетических характеристик двигателя по сравнению с известными. Представленная схема смесеобразования позволяет сократить период смешения компонентов, что способствует возникновению устойчивого горения с детонационными волнами.

Работа двигателя

Вначале подается жидкость в охлаждающие тракты наружного 2 и внутреннего 3 корпусов.

Для охлаждения наружного корпуса вода через штуцеры 7 и коллектор 34 поступает в охлаждающий тракт и, пройдя его, через коллектор 35 и штуцеры 8 отводится в стендовые емкости.

Для охлаждения внутреннего корпуса вода через четыре штуцера 9, тракт 36 и отверстия 37 поступает в охлаждающий тракт, и пройдя его, через тракты 38, 39 и четыре штуцера 10 отводится в стендовые емкости.

Газообразный кислород (воздух) с температурой окружающей среды из стендовой магистрали поступает через четыре штуцера 5 в коллектор 32, из которого через кольцевую щель 15 (смотри фиг. 2), поступает в кольцевую камеру сгорания 12; одновременно кислород через два штуцера 26 поступает в камеру сгорания 24 инициатора.

Керосин через два штуцера 6 поступает в коллектор 33 и далее через отверстия 16 (смотри фиг. 2) диаметром 0,35 мм впрыскивается в кольцевую камеру сгорания 12, где происходит смешение с поступившем кислородом; одновременно керосин через два штуцера 25 поступает в камеру сгорания инициатора.

Для поджига смеси кислорода с керосином в инициаторе применяется свеча 28.

Кислород впрыскивается в камеру сгорания 24 инициатора через 2 отверстия, керосин - впрыскивается через 2 отверстия перпендикулярно оси камеры инициатора, где происходит смешение поступивших компонентов.

Для поджига смеси в камере 24 инициатора используется специальная электрическая свеча.

Продукты сгорания из инициатора через отверстие 20 поступают в кольцевую камеру сгорания 12 и воспламеняют находящуюся там смесь кислорода с керосином и, соответственно, инициируют спиновую детонационную волну. После возникновения детонационной волны, расход керосина через инициатор отключается, через инициатор продолжает поступать в кольцевую камеру сгорания 12 только кислород.

Выполнение кольцевой камеры сгорания из двух коаксиально расположенных достаточно прочных охлаждаемых корпусов позволяет поднять давление продуктов сгорания в камере до 16 кгс/см² и выше и увеличить продолжительность огневого испытания до 30 секунд и более.

Выполнение смесительной головки в виде кольцевого огневого днища с выполнением в нем кольцевой щелевой форсунки подвода окислителя, по обе стороны от которой выполнены радиальные струйные форсунки подачи горючего, позволяет получить требуемое смешение компонентов в непосредственной близости у огневого днища, что обеспечивает "плавность" запуска двигателя.

Промышленное применение

Предлагаемая конструкция двигателя позволяет проводить отработку процесса горения с детонационными волнами в широком диапазоне параметров работы двигателя с последующим использованием результатов отработки для создания промышленных образцов.

Изобретение относится к области испытаний, в частности стендовых испытаний режимов работы ЖРД, работающих в режиме непрерывной детонации на топливной смеси, состоящей из газообразного кислорода и керосина. Изобретение представляет собой стендовый ЖРД с кольцевой камерой детонационного горения, смесительной головкой, инициатором, реактивным соплом и измерительной аппаратурой. Отличительными особенностями заявленного ЖРД является то, что смесительная головка выполнен в виде кольцевой щели в огневом днище для подачи окислителя, по обе стороны от которой под острым углом расположены форсунки подачи горючего. Другим отличием от известных решений является то, что корпус двигателя и камеры выполнен двухслойным, внутренний слой из прочного сплава, а внешний из высокотеплопроводного сплава. Изобретение обеспечивает повышение максимального рабочего давления. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стендовый жидкостный ракетный двигатель с непрерывной спиновой детонацией, включающий в себя кольцевую камеру сгорания, к которой с одной стороны присоединена смесительная головка, а с другой - реактивное сопло, кольцевая камера сгорания образована двумя соосными цилиндрами с образованием кольцевого зазора между ними, отличающийся тем, что смесительная головка установлена вдоль оси двигателя и выполнена из кольцевого огневого днища, в котором посередине выполнена кольцевая щелевая форсунка подвода окислителя, по обе стороны от которой выполнены радиальные струйные форсунки подачи горючего, оси которых направлены под острым углом к щелевой форсунке, а выход из смесительной головки соединен с кольцевой детонационной камерой, при этом наружный корпус кольцевой камеры состоит из наружной силовой оболочки, выполненной из высокопрочного сплава, и внутренней оребренной оболочки, выполненной из высокотеплопроводного сплава, соединенных между собой пайкой, при этом в корпусе кольцевой камеры выполнены три отверстия, герметично проходящие через обе его оболочки, одно для подвода горючей смеси из инициатора детонационного горения в кольцевую камеру детонационного горения, другие два - для регистрации давления в кольцевой камере, при этом внутренний корпус двигателя состоит из наружной гладкой оболочки, выполненной из высокотеплопроводного сплава, внутренней оребренной оболочки - из прочного теплопроводного сплава, соединенных между собой пайкой.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что инициатор детонационного горения выполнен в виде камеры, имеющей штуцеры подвода окислителя и горючего и выводной канал подачи продуктов сгорания в кольцевую камеру, а также свечу зажигания.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что значение острых углов, по которым наклонены оси струйных форсунок, лежат в пределах 40°-50°.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что наружная силовая оболочка наружного корпуса выполнена из сплава ВНС-16, а внутренняя огневая стенка выполнена из меди или медного сплава БрХ08.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что наружная оболочка внутреннего корпуса выполнена из меди или медного сплава БрХ08, а внутренняя оболочка этого корпуса выполнена из сплава 273.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус инициатора детонационного горения выполнен из стали ЭП-202.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что окислитель представляет собой воздух.

8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что окислитель представляет собой газообразный кислород.

9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что горючее представляет собой жидкий керосин.