МНОГОКАМЕРНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК F02K9/60 

Изобретение относится к ракетной технике, в которой создание жидкостных ракетных двигателей с донной тепловой защитой, предназначенной для уменьшения теплового и газодинамического воздействия продуктов сгорания работающих двигателей, является актуальной задачей.

Известны жидкостные ракетные двигатели, содержащие раму, донную защиту с цилиндрическим проемом с установленной через него с возможностью качания камерой с соплом, снабженной сферическим блистером, установленным с кольцевым зазором относительно обечайки цилиндрического проема донной защиты (книга В.А. Александров и др. Ракеты-носители. Под общ. ред. С.О. Осипова Ракеты-носители, стр. 186, рис. 5.10.)

В известном жидкостном ракетном двигателе обеспечивается защита агрегатов от теплового и газодинамического воздействия продуктов сгорания камер установкой сферического блистера с минимальным равномерным зазором относительно обечайки цилиндрического проема донной защиты. Кроме того, между блистером и обечайкой донной защиты может быть установлен уплотнительный элемент. Однокамерный жидкостный ракетный двигатель требует применения кардана для обеспечения управления вектором тяги и специальной системы управления по крену с использованием сопел крена, что не всегда возможно по схеме двигателя и связано с ростом массы или с потерей экономичности при выбросе управляющего, как правило, с низкой температурой, газа через сопла крена.

Известны также многокамерные жидкостные ракетные двигатели, содержащие общий для всех камер турбонасосный агрегат, газогенератор, агрегаты автоматики и регулирования, раму, и установленную в нижней части двигательного отсека донную защиту с цилиндрическими проемами, с установленными через них соплами выполненных с возможностью качания камер с цапфами, взаимодействующими с траверсами, соединенными с рамой, причем на внешней части сопел камер выполнены кольцевые бурты с закрепленными на них ответными частями с зазорами относительно цилиндрических проемов донной защиты сферическими блистерами, взаимодействующими с цилиндрическими обечайками проемов донной защиты с образованием щелевых зазоров между ними, (см. Жидкостный ракетный двигатель, F02K 9/97 патент РФ №2524483 от 27.07.2014 - прототип).

В известном многокамерном жидкостном ракетном двигателе обеспечивается возможность управления ракетой - носителем с высокой экономичностью не только по тангажу и рысканию, но и по крену за счет качания четырех камер, в главных плоскостях стабилизации при малых осевых размерах двигателя.

Однако, для многокамерных жидкостных ракетных двигателей, имеющих общий для всех камер турбонасосный агрегат, такой способ установки зазора затруднен и связан с необходимым ужесточением требований выполнения сборочных операций, а также с необходимым повышением точности изготовления сопрягаемых деталей и узлов по силовой цепочке начиная от сопл камер, цапф, траверс, рамы передачи силы тяги, рамы донной защиты, донной защиты и ее цилиндрической обечайки проема, через который вставляется камера своим соплом. В таком жидкостном ракетном двигателе при сборке блоков камер с траверсами и рамой появляется увеличение или уменьшение кольцевого зазора между блистером и кольцевой обечайкой донной защиты, усугубляемое и так малыми требуемыми размерами кольцевого зазора. Сложность обеспечения одинакового заданного малого торцевого зазора связана с тем, что выявление неравномерного результирующего зазора осуществляется в конце всего процесса сборки с уже готовыми собранными блистерами на камерах, траверсами и посадочными поверхностями рамы, когда из-за особенности конструкции устранить неравномерность кольцевого зазора приемлемыми способами затруднительно. Увеличение кольцевого зазора на одном блистере сопла одной камеры и уменьшение его на другом блистере сопла другой или трех других камер за счет регулировки установки донной защиты затруднительно и не всегда выполнимо, что в итоге приводит или касанию блистера за донную защиту или к повышенному кольцевому зазору между блистером и ответной частью донной защиты вдоль продольной оси симметрии камер, предназначенным для обеспечения заданного осевого зазора между ними. С одной стороны это приводит повышенному проникновению продуктов сгорания в том случае, когда кольцевой зазор получается увеличенным, а с другой стороны приводит к возможному соприкосновению блистера с цилиндрической обечайкой донной защиты, что усугубляется наличием вибрации блистера, сопла камеры и рамы с донной защитой при работе жидкостного ракетного двигателя. Для возможности сборки приходится увеличивать номинальные размеры продольного зазора, что приводит к проникновению горячих газов через кольцевые зазоры и увеличению теплового воздействия на агрегаты двигателя, повышающего их температуру, что не всегда допустимо. При эксцентричном кольцевом зазоре относительно продольной оси симметрии камеры между блистером и обечайкой цилиндрического проема донной защиты задача получения равномерного кольцевого зазора концентрично продольной оси симметрии камеры решается техническим решением, изложенным в патенте РФ №2611707 от 31.03.2016. При концентричном расположении сферического блистера и обечайки цилиндрического проема донной защиты и при значительном уменьшении продольного зазора в направлении продольной оси симметрии камеры вплоть до касания сферического блистера за обечайку цилиндрического проема донной защиты, или его увеличения до недопустимой величины, проблема снижения обеспечения теплового воздействия продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой остается нерешенной.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и уменьшение теплового воздействия продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой при возвратном течении их от срезов сопел за счет уменьшения монтажных кольцевых щелевых зазоров между блистерами и цилиндрическими проемами донной защиты.

Указанная задача изобретения достигается тем, что в известном многокамерном жидкостном ракетном двигателе, содержащем общий для всех камер турбонасосный агрегат, газогенератор, агрегаты автоматики и регулирования, раму, и установленную в нижней части двигательного отсека донную защиту с цилиндрическими проемами, с установленными через них соплами выполненных с возможностью качания камер с цапфами, взаимодействующими с траверсами, соединенными с рамой, причем на внешней части сопел камер выполнены кольцевые бурты с закрепленными на них ответными частями с зазорами относительно цилиндрических проемов донной защиты сферическими блистерами, взаимодействующими с цилиндрическими обечайками проемов донной защиты с образованием щелевых зазоров между ними в нем не соединенные с внешними частями сопел камер части кольцевых буртов и ответные части блистеров выполнены с цилиндрическими отбортовками, ориентированными их свободными концами по направлению к траверсам, выполненными с возможностью телескопического перемещения вдоль продольных осей симметрии сопел камер друг относительно друга, и снабженными узлами фиксации перемещений.

Указанная задача изобретения достигается также тем, что узлы фиксации перемещений выполнены в виде равномерно размещенных по окружностям в стенках цилиндрических отбортовок и ответных частях блистеров сквозных отверстий с угловым шагом для крепежных болтов монтажа с цилиндрическими отбортовками кольцевых буртов, причем на цилиндрических отбортовках кольцевых буртов сквозные отверстия выполнены своими продольными осями симметрии в равномерно расположенных вдоль продольных осей симметрии сопел камер плоскостях, отстоящими друг от друга на равных расстояниях с возможностью обеспечения заданного продольно шага телескопического перемещения блистеров и кольцевых буртов.

Указанная задача изобретения достигается также тем, что группы равномерно расположенных с угловым шагом сквозных отверстий на цилиндрических отбортовках кольцевых буртов в каждой последующей вдоль продольных осей симметрии сопел камер группе выполнены с равными угловыми смещениями с обеспечением расположения сквозных отверстий для крепежных болтов монтажа без вскрытия стенок отверстий предыдущей.

Предлагаемое изобретение представлено на чертеже фиг. 1-10 (на фиг. 1 приведен проекционный вид сбоку на многокамерный жидкостный ракетный двигатель, где показаны основные агрегаты, в том числе камеры 1, рама 6, донная защита 17, на фиг. 2 - проекционный вид сверху на многокамерный жидкостный ракетный двигатель, где показаны основные агрегаты, в том числе камеры 1, клапан пуска окислителя 7, клапан пуска горючего 8, рама 6, донная защита 17, рулевые машинки 60, дроссель 59, на фиг. 3 - продольный разрез А-А камеры 1, где показаны сопло 2, цапфы 13,14 траверсы 15,16, кольцевой зазор 25, донная защита 17, цилиндрический проем 18, сферический блистер 23, продольная ось симметрии 26 камеры 1, на фиг. 4 - увеличенное изображение сопла 2 со сферическим блистером 23 и узлом фиксации перемещений 33, на фиг. 5 - вид Б сверху на сопло 2, где показан сферический блистер 23, показаны угловые шаги 37 размещения крепежных болтов монтажа 38, крепежные болты монтажа 38, гайки 57, на фиг. 6 - вид В, где показано увеличенное изображение узла фиксации перемещений 33, сквозные отверстия 35 в цилиндрической отбортовке 27 кольцевого бурта 22, минимальный кольцевой зазор 25, на фиг. 7 - увеличенное изображение кольцевого бурта 22, цилиндрической отбортовки 27, сквозных отверстий 35 и плоскости 40, 41, 42 и 43 размещения их продольных осей симметрии 39, расстояний 44, 45, 46 и 47 размещения плоскостей 40, 41, 42 и 43, на фиг. 8 - увеличенное изображение сферического блистера 23 с выполненными сквозными отверстиями 36 и кольцевой обечайкой 58, на фиг. 9 - крепежный болт монтажа 38, гайка 57, максимальный кольцевой зазор 25, кольцевая обечайка 58, сквозные отверстия 35, донная защита 17, на фиг. 10 - радиальный зазор между цилиндрической отбортовкой 27 и цилиндрической отбортовкой 29), где показаны следующие агрегаты:

1. Камера;

2. Сопло;

3. Срез сопла;

4. Турбонасосный агрегат;

5. Газогенератор;

6. Рама;

7. Клапан пуска окислителя;

8. Клапан пуска горючего;

9. Клапан окислителя;

10. Клапан горючего на газогенератор;

11. Клапан горючего на камеры;

12. Регулятор;

13. Цапфа;

14. Цапфа;

15. Траверса;

16. Траверса;

17. Донная защита;

18. Цилиндрический проем;

19. Растяжка;

20. Привалочная плоскость рамы;

21. Продольная ось симметрии многокамерного жидкостного двигателя;

22. Кольцевой бурт;

23. Сферический блистер;

24. Цилиндрическая обечайка проемов донной защиты;

25. Кольцевой зазор;

26. Продольная ось симметрии камеры;

27. Цилиндрическая отбортовка;

28. Ответная часть сферического блистера;

29. Цилиндрическая отбортовка;

30. Внешняя цилиндрическая поверхность цилиндрической отбортовки;

31. Внутренняя поверхность;

32. Радиальный зазор;

33. Узел фиксации перемещений;

34. Окружность;

35, 36. Сквозное отверстие;

37. Угловой шаг;

38. Крепежный болт монтажа;

39. Продольная ось симметрии сквозных отверстий;

40, 41, 42, 43 Плоскость;

44, 45, 46, 47. Расстояние;

48. Продольный шаг;

49. Первая группа сквозных отверстий;

50. Вторая группа сквозных отверстий;

51. Угловое смещение;

52. Третья группа сквозных отверстий;

53. Угловое смещение;

54. Четвертая группа сквозных отверстий;

55. Угловое смещение;

56. Стенка;

57. Гайка;

58. Кольцевая обечайка;

59. Дроссель;

60. Рулевая машинка.

Многокамерный жидкостный ракетный двигатель содержит несколько, например, четыре, камеры 1 с соплами 2 и их срезами 3, турбонасосный агрегат 4, который выполнен общим для всех камер 1, газогенератор 5, раму 6, агрегаты автоматики, включающие клапан пуска окислителя 7, клапан пуска горючего 8, клапан окислителя 9 и горючего 10 для питания газогенератора 5, клапан горючего 11 на линии питания камеры 1 и регулятор 12 на линии горючего питания газогенератора 5. В камерах 1 выполнены цапфы 13 и 14, взаимодействующие с траверсами 15 и 16, установленными в нижней части рамы 6. Донная защита 17 установлена в нижней части многокамерного жидкостного ракетного двигателя, содержит цилиндрические проемы 18. Донная защита 17 закреплена за нижнюю часть рамы 6 с помощью растяжек 19 параллельно привалочной плоскости 20 рамы 6. Цилиндрические проемы 18 донной защиты 17 выполнены равномерно вокруг продольной оси симметрии 21 многокамерного жидкостного двигателя. Камеры 1 установлены своими соплами 2 в цилиндрических проемах 18. Причем, установка камер 1 в цилиндрических проемах 18 выполнена по местам сборки камер 1 цапфами 13 и 14 в траверсах 15 и 16, далее траверс 15 и 16 в раме 6. Кроме того, камеры 1 выполнены в пределах назначенных допусков и фактической точности технологического оборудования. Камеры 1 с соплами 2, с цапфами 13 и 14 выполнены с возможностью качания в траверсах 15 и 16. Траверсы 15 и 16 соединены с рамой 6. На внешних частях сопел 2 камер 1 выполнены кольцевые бурты 22. На внешних частях сопел 2 установлены сферические блистеры 23, взаимодействующие с цилиндрическими обечайками 24 проемов 18 донной защиты 17 с образованием продольных кольцевых зазоров 25 между ними. На кольцевых буртах 22 концентрично продольным осям симметрии камер 26 выполнены цилиндрические отбортовки 27. Цилиндрические отбортовки 27 ориентированы в сторону расположения траверс 15 и 16. На ответных частях 28 сферических блистеров 23 также выполнены кольцевые цилиндрические отбортовки 29, ориентированные. в сторону расположения траверс 15 и 16. Внешняя цилиндрическая поверхность 30 цилиндрической отбортовки 27 и внутренняя поверхность 31 цилиндрической отбортовки 29 выполнены с размерами, обеспечивающими телескопическое с минимальным радиальным зазором 32 перемещение вдоль продольной оси симметрии 26 сопел 2 камер 1. В исходном положении телескопическое перемещение сферических блистеров 23 и цилиндрических отбортовок 27 зафиксировано узлами фиксации перемещений 33. Узел фиксации перемещений 33 выполнен в виде равномерно размещенных по окружностям 34 в стенках цилиндрических отбортовок 27 кольцевых буртов 22 и в стенках цилиндрических отбортовок 29 сферических блистеров 23 сквозных соответственно отверстий 35 и 36 с угловым шагом 37 для крепежных болтов монтажа 38 с цилиндрическими отбортовками кольцевых буртов 22, причем на цилиндрических отбортовках 27 кольцевых буртов 22 сквозные отверстия 35 выполнены своими продольными осями симметрии 39 в равномерно расположенных вдоль продольных осей симметрии камер 26 плоскостях 40, 41, 42 и 43, отстоящими друг от друга на равных расстояниях 44, 45, 46 и 47 с возможностью обеспечения заданного продольного шага 48, например 1÷3 мм, телескопического перемещения сферических блистеров 23 и кольцевых буртов 22. Первая группа 49 равномерно расположенных в плоскости 40 с угловым шагом 37 сквозных отверстий 35 выполнена на цилиндрических отбортовках 27 кольцевых буртов 22. Вторая группа 50 равномерно расположенных в плоскости 41 на расстоянии продольного шага 48 от плоскости 40 с угловым шагом 37 сквозных отверстий 35 выполнена на цилиндрических отбортовках 27 кольцевых буртов 22, причем втора группа 50 сквозных отверстий 35 выполнена относительно первой группы 49 сквозных отверстий 35 с угловым смещением 51 относительно первой группы 49. Третья группа 52 равномерно расположенных в плоскости 42 сквозных отверстий 35 выполнена на расстоянии продольного шага 48 от плоскости 41 с угловым шагом 37 на цилиндрических отбортовках 27 кольцевых буртов 22, причем третья группа 52 сквозных отверстий 35 выполнена относительно второй группы 50 сквозных отверстий 35 с угловым смещением 53 относительно второй группы 50. Четвертая группа 54 равномерно расположенных в плоскости 43 сквозных отверстий 35 выполнена на расстоянии продольного шага 48 от плоскости 42 с угловым шагом 37 на цилиндрических отбортовках 27 кольцевых буртов 22, причем четвертая группа 54 сквозных отверстий 35 выполнена относительно третьей группы 52 сквозных отверстий 35 с угловым смещением 55 относительно третьей группы 52. Каждая последующая группа 50, 52, 54, начиная от второй группы 50, расположена относительно предыдущей с угловым смещением 51, 53, 55, обеспечивающим выполнение сквозных отверстий 35 без вскрытия стенок 56 сквозных отверстий 35 предыдущей. В процессе сборки камеры многокамерного жидкостного ракетного двигателя сферические блистеры 23 своими цилиндрическими отбортовками 29 и сквозными отверстиями 36 соединены с помощью крепежных болтов монтажа 38, гаек 57 через сквозные отверстия 35, выполненные в цилиндрических отбортовках 27 в составе второй группы 50, расположенной в плоскости 41. После окончания сборки многокамерного жидкостного ракетного двигателя, после установки камер 1 на раме 6 с помощью цапф 13, 14 и траверс 15, 16, донной защиты 17 и цилиндрических обечаек 24 в цилиндрических проемах 18 донной защиты 17 производят контроль величины продольного зазора 25 между сферическим блистером 23 и цилиндрической обечайкой 24. При недостаточном продольном зазоре 25 на любой, например из четырех камер 1 между сферическим блистером 23 и цилиндрической обечайкой 24 узел фиксации перемещений 33 на конкретной камере 1 подвергают разборке снятием крепежных болтов монтажа 38 и гаек 57, сферический блистер 23 перемещается телескопически своей цилиндрической отбортовкой 29 по цилиндрической отбортовке 27 кольцевого бурта 22, совмещая сквозные отверстия 36 сферического блистера 23 со сквозными отверстиями 35 третьей группы 52 и поворачивая с угловым шагом 37 относительно своего первоначального положения фиксируют сферический блистер 23 с помощью крепежных болтов монтажа 38 и гаек 57 в новом положении с увеличенным требуемым продольным зазором 25. Для перекрытия сквозных отверстий 35, освобожденных от крепежных болтов монтажа 38, на сферическом блистере 23 выполнена кольцевая обечайка 58. При увеличенном продольном зазоре 25 на любой, например из четырех камер 1 между сферическим блистером 23 и цилиндрической обечайкой 24 узел фиксации перемещений 33 на конкретной камере 1 подвергается разборке снятием крепежных болтов монтажа 38 и гаек 57, сферический блистер 23 перемещается телескопически своей цилиндрической отбортовкой 29 по цилиндрической отбортовке 27 кольцевого бурта 22, совмещая сквозные отверстия 35 сферического блистера 23 со сквозными отверстиями 35 первой группы 49 и поворачивая с угловым шагом 37 в другом направлении вращения относительно своего первоначального положения фиксируют сферический блистер 23 с помощью крепежных болтов монтажа 38 и гаек 57 в новом положении с уменьшенным требуемым продольным зазором 25. Многокамерный жидкостный ракетный двигатель снабжен дросселем 59 для обеспечения равномерного опорожнения баков, а также рулевыми машинками 60 для управления вектором тяги за счет обеспечения качания камер 1 с цапфами 13 и 14 в траверсах 15 и 16. При окончательной сборке между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими обечайками 24 проемов 18 донной защиты 17 обеспечивают минимальные продольные зазоры 25 в заданных пределах.

Таким образом, предлагаемая конструкция многокамерного жидкостного ракетного двигателя обеспечивает минимальный равномерный кольцевой зазор 25 между камерами 1 и донной защитой 17 при влиянии множественности отклонений по допускам при изготовлении деталей и сборочных единиц, влияющих на зазоры, сопрягаемых привалочной плоскости 20 рамы 6, цапф 13 и 14 камер 1, траверс 15 и 16, донной защиты 17 и растяжек 19 ее крепления к раме 6.

В полете многокамерный жидкостный ракетный двигатель работает следующим образом. Окислитель поступает от клапана пуска окислителя 7 в турбонасосный агрегат 4, а далее через клапан окислителя 9 в газогенератор 5. Горючее поступает от клапана пуска горючего 8 в турбонасосный агрегат 4, а далее через капан горючего 10 и регулятор 12 в газогенератор 5. Продукты сгорания из газогенератора 5 поступают на турбину турбонасосного агрегата 4, а далее на четыре камеры 1. Кроме того, горючее поступает от турбонасосного агрегата 4 через дроссель 58 и клапан горючего 11 на охлаждение камер 1. Управление вектором тяги осуществляется отклонением камер 1 в траверсах 15 и 16 с помощью рулевых машинок 59. За счет возможности изменения расположения сферического блистера 23 относительно кольцевого бурта 22 зазора 25 с последующим контролем кольцевых зазоров 25 между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими обечайками 24 проемов 18 донной защиты 17 не требуется уменьшение допусков на изготовление траверс 15, 16, цапф 13, 14, рамы 6, сопел 2, камер 1, блистеров 23.

Применение предлагаемого технического решения уменьшает тепловое воздействие продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой при возвратном течении их от срезов сопел за счет обеспечения минимальных монтажных продольных кольцевых зазоров между сферическими блистерами и цилиндрическими проемами донной защиты, чем обеспечивается расчетная рабочая температура агрегатов в двигательном отсеке и надежность их работы.

Изобретение относится к ракетной технике. Многокамерный жидкостный ракетный двигатель, содержащий общий для всех камер турбонасосный агрегат, газогенератор, агрегаты автоматики и регулирования, раму и установленную в нижней части двигательного отсека донную защиту с цилиндрическими проемами, с установленными через них соплами выполненных с возможностью качания камер с цапфами, взаимодействующими с траверсами, соединенными с рамой, причем на внешней части сопел камер выполнены кольцевые бурты с закрепленными на них ответными частями с зазорами относительно цилиндрических проемов донной защиты сферическими блистерами, взаимодействующими с цилиндрическими обечайками проемов донной защиты с образованием щелевых зазоров между ними в нем, не соединенные с внешними частями сопел камер части кольцевых буртов и ответные части блистеров выполнены с цилиндрическими отбортовками, ориентированными их свободными концами по направлению к траверсам, выполненными с возможностью телескопического перемещения вдоль продольных осей симметрии сопел камер друг относительно друга и снабженными узлами фиксации перемещений. Изобретение обеспечивает уменьшение теплового воздействия продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой при возвратном течении их от срезов сопел за счет уменьшения монтажных кольцевых щелевых зазоров между блистерами и цилиндрическими проемами донной защиты. 2 з.п. флы, 10 ил.

1. Многокамерный жидкостный ракетный двигатель, содержащий общий для всех камер турбонасосный агрегат, газогенератор, агрегаты автоматики и регулирования, раму и установленную в нижней части двигательного отсека донную защиту с цилиндрическими проемами с установленными через них соплами выполненных с возможностью качания камер с цапфами, взаимодействующими с траверсами, соединенными с рамой, причем на внешней части сопел камер выполнены кольцевые бурты с закрепленными на них ответными частями с зазорами относительно цилиндрических проемов донной защиты сферическими блистерами, взаимодействующими с цилиндрическими обечайками проемов донной защиты с образованием щелевых зазоров между ними, отличающийся тем, что не соединенные с внешними частями сопел камер части кольцевых буртов и ответные части блистеров выполнены с цилиндрическими отбортовками, ориентированными их свободными концами по направлению к траверсам, выполненными с возможностью телескопического перемещения вдоль продольных осей симметрии сопел камер друг относительно друга и снабженными узлами фиксации перемещений.

2. Многокамерный жидкостный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что узлы фиксации перемещений выполнены в виде равномерно размещенных по окружностям в стенках цилиндрических отбортовок и ответных частях блистеров сквозных отверстий с угловым шагом для крепежных болтов монтажа с цилиндрическими отбортовками кольцевых буртов, причем на цилиндрических отбортовках кольцевых буртов сквозные отверстия выполнены своими продольными осями симметрии в равномерно расположенных вдоль продольных осей симметрии сопел камер плоскостях, отстоящими друг от друга на равных расстояниях с возможностью обеспечения заданного продольного шага телескопического перемещения сферических блистеров и кольцевых буртов.

3. Многокамерный жидкостный ракетный двигатель по п. 2, отличающийся тем, что группы равномерно расположенных с угловым шагом сквозных отверстий на цилиндрических отбортовках кольцевых буртов в каждой последующей вдоль продольных осей симметрии сопел камер группе выполнены с равными угловыми смещениями с обеспечением расположения сквозных отверстий для крепежных болтов монтажа без вскрытия стенок отверстий предыдущей.