КАМЕРА ЖРД, РАБОТАЮЩАЯ НА ТРЕХ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА КИСЛОРОД, ВОДОРОД И УГЛЕВОДОРОД ПО ЗАМКНУТОЙ СХЕМЕ С ДОЖИГАНИЕМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА Российский патент 2023 года по МПК F02K9/42 F02K9/62 

При создании ЖРД с предельно высокими энергомассовыми характеристиками ведется обширный поиск конструкторских решений по использованию компонентов топлива с высокой удельной массой, высокими энергетическими параметрами, возможностью использования высокого давления компонентов топлива в камере и большой степени расширения сверхзвуковой части сопла.

В последнее время, с целью эффективного использования большой плотности компонента топлива и высоких энергетических характеристик ведутся разработки по созданию ракетного двигателя, работающего на трех компонентах топлива кислород, водород и углеводород.

В конструкторских решениях, описанных в патентах РФ №2382223, №2386844, №2443894, №2481488 b двигателях ЖРД используются различные пневмогидравлические схемы двигателей, позволяющие использовать три компонента топлива; в конструкциях, описанных в патентах РФ №2495272 и №2502886, предложены различные виды подачи компонентов топлива в камеру сгорания.

Все конструкции в указанных выше патентах имеют существенные недостатки:

- очень сложные пневмогидравлические схемы;

- наличие большого количества клапанов агрегатов регулирующих и обвязывающих трубопроводов и, как следствие, большой вес и низкую надежность, а главное, не позволяют реализовать в полной мере преимущество компонентов топлива, их массовые и энергетические характеристики.

В конструкции, описанной в патенте РФ №2562315 и принятой за прототип, реализовано две зоны горения топлива. В первой зоне горения в виде кольцевой полости происходит сгорание одного горючего, после чего продукты сгорания попадают на лопатки турбины, а затем в камеру сгорания, в которой расположен центральный форсуночный блок в виде пустотелого цилиндра другого горючего.

В оставшейся цилиндрической части камеры происходит сгорание второго горючего и смешение продуктов сгорания компонентов топлива первой и второй зоны, после чего они поступают в сужающуюся часть сопла.

Недостатком конструкции прототипа, не говоря о сложности, является невозможность использования в полной мере энергетических характеристик компонентов топлива, а именно вместо реализации оптимального соотношения компонентов топлива с температурой горения ~3600 К в кольцевой полости возможно получение температуры не более ~900 К, так как продукты сгорания поступают на лопатки турбины.

Во второй зоне горения также невозможно получение высокой полноты сгорания второго горючего из-за присутствия продуктов сгорания первого горючего.

Задачей создания предлагаемого изобретения является улучшение удельных энергетических характеристик ЖРД, повышение надежности и уменьшение материальных затрат.

Поставленная задача достигается тем, что в камере ЖРД, работающей на трех компонентах топлива кислород, водород и углеводород по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа, содержащей камеру сгорания с цилиндрической и сужающейся частью, двухполостной блок головки с двухкомпонентными форсунками, наружное днище с расположенными на нем запальными устройствами и магистралями подвода компонентов топлива, согласно изложению, в цилиндрической части камеры сгорания и в полости головки выполнена перегородка с каналами охлаждения, разделяющая полость горения компонентов топлива О₂ и Н₂ от полости горения топлива O₂ и углеводород и разделяющая блок форсунок на кольцевой водородный блок и внутренний углеводородный блок, в которой (в перегородке) верхняя оребренная полость соединяет магистраль подачи водорода с полостью форсунок, расположенных в кольцевой полости блока форсунок, а нижняя оребренная полость соединяет магистраль подачи водорода с внутренней полостью блока форсунок, и в боковой стенке перегородки перед блоком форсунок выполнены продольные пазы для поступления окислительного генераторного газа во внутреннюю полость блока форсунок,

- согласно изложению, в перегородке в нижней оребренной полости в районе блока форсунок в каналах охлаждения выполнены тупики, за которыми во внутренней стенке перегородки выполнены отверстия для поступления водорода на охлаждение нижнего и верхнего оребрения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг. 1-5.

На фиг. 1 приведен общий вид камеры 2 с подводными магистралями окислительного генераторного газа 11, подводными магистралями водорода 8 и 9, углеводородного горючего 10, в состав которой входит перегородка 7, кольцевой блок форсунок 4 и внутренний блок форсунок 5, а также входная магистраль горючего 12 на охлаждение цилиндрической и сужающейся части 3 камеры сгорания 2.

На фиг. 2 показано поступление водорода в кольцевой блок 4 и части водорода через отверстия 15 во внутренней стенке перегородки 7 за блоком форсунок 13 в каналы охлаждения 16 внутреннего оребрения и поступление углеводородного горючего из каналов внутреннего оребрения через отверстия 14 в полость внутреннего блока форсунок. 5.

На фиг. 3 показано поступление водорода из наружного оребрения через отверстия 18, расположенные за блоком форсунок 13 во внутренней стенке перегородки 7 в каналы охлаждения внутреннего оребрения перегородки.

На фиг. 4 показано поступление углеводородного горючего из каналов охлаждения внутреннего оребрения через отверстия 14 в полость внутреннего блока форсунок 5 и поступление водорода через отверстия 18, расположенные за блоком форсунок 13, в каналы охлаждения внутреннего оребрения.

На фиг. 5 показаны продольные пазы 17 в перегородке 7 для поступления окислительного генераторного газа во внутренний блок форсунок 5. При этом продольные пазы выполнены через один или два канала охлаждения, а в каналах охлаждения выполнены проточки 20 для обеспечения обтекания водорода продольных пазов.

Камера работает следующим образом. По соответствующим командам компоненты топлива окислительный генераторный газ и горючее Н₂ и углеводород подаются в камеру 2, происходит их воспламенение. Генераторный газ из газогенератора через подводные магистрали 11 поступает в полость головки между наружным днищем 6 блоком форсунок 4 и 5. При этом часть генераторного газа поступает в двухкомпонентные форсунки кольцевого блока 4, а затем в камеру сгорания 1.

Другая часть генераторного газа из полости головки между наружным днищем 6 и внутренним блоком 5 через продольные пазы 17 в перегородке 7 через двухкомпонентные форсунки, расположенные во внутреннем блоке 5, поступает на сгорание в камеру сгорания 1.

Часть водорода через подводную магистраль 9 поступает в наружное оребрение перегородки 7 и после блоков форсунок через отверстия 18 во внутренней стенке перегородки 7 поступает на охлаждение внутреннего оребрения, и, дойдя до конца перегородки, разворачивается и поступает в каналы охлаждения наружного оребрения, где соединяется с водородом, поступившим через жиклер 4, в отверстия 19 в двухкомпонентные форсунки кольцевого блока 4 и затем на сгорание в кольцевую полость камеры сгорания 1.

Другая часть водорода из подводных магистралей 8 поступает в двухкомпонентные форсунки, расположенные в кольцевом блоке 4, и затем на сгорание в кольцевую полость камеры сгорания 1.

Углеводородное горячее из подводных магистралей 10 поступает с каналы охлаждения внутреннего оребрения перегородки 7 и, дойдя до тупика, поступает через отверстия 14 в полость внутреннего блока форсунок, и через двухкомпонентные форсунки на сгорание углеводорода во внутренней полости камеры сгорания.

При этом в цилиндрической части камеры в кольцевой и внутренней полости происходит раздельное сгорание компонентов топлива Н₂ и O₂ и углеводород+O₂ со стехиометрическим соотношением каждого компонента и затем в сужающейся части камеры сгорания происходит их перемешивание и поступление в сверхзвуковую часть камеры.

Использование предложенного технического решения позволяет обеспечить сгорание компонентов топлива Н₂ и O₂ и углеводород+O₂ на оптимальных соотношениях компонентов топлива, получить предельные энергетические и массовые характеристики и существенно повысить надежность за счет более простой пневмогидравлической схемы двигателя, и уменьшить количество агрегатов регулирования.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). Камера ЖРД, работающая на трех компонентах топлива кислород, водород и углеводород по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа, содержит камеру сгорания с цилиндрической и сужающейся частью, двухполостной блок головки с двухкомпонентными форсунками, наружное днище с расположенными на нем запальными устройствами и магистралями подвода компонентов топлива, при этом в камере сгорания в цилиндрической части и в полости головки выполнена перегородка с каналами охлаждения, разделяющая полость горения компонентов топлива Н₂ и О₂ от полости горения компонентов топлива О₂ и углеводород и разделяющая блок форсунок на кольцевой водородный блок и внутренний углеводородный блок, в которой (в перегородке) верхняя оребренная полость соединяет магистраль подачи водорода с полостью форсунок, расположенных в кольцевой полости блока форсунок, а нижняя оребренная полость соединяет магистраль подачи углеводорода с внутренней полостью блока форсунок, и в боковой стенке перегородки перед блоком форсунок выполнены продольные пазы для поступления окислительного генераторного газа во внутреннюю полость блока форсунок. В перегородке в нижней оребренной полости в районе блока форсунок в каналах охлаждения выполнены тупики, за которыми во внутренней стенке перегородки выполнены отверстия для поступления водорода на охлаждение нижнего и верхнего оребрения. Изобретение обеспечивает улучшение удельных энергетических характеристик ЖРД, повышение надежности и уменьшение материальных затрат. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Камера ЖРД, работающая на трех компонентах топлива кислород, водород и углеводород по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа, содержащая камеру сгорания с цилиндрической и сужающейся частью, двухполостной блок головки с двухкомпонентными форсунками, наружное днище с расположенными на нем запальными устройствами и магистралями подвода компонентов топлива, отличающаяся тем, что в камере сгорания в цилиндрической части и в полости головки выполнена перегородка с каналами охлаждения, разделяющая полость горения компонентов топлива Н₂ и О₂ от полости горения компонентов топлива О₂ и углеводород и разделяющая блок форсунок на кольцевой водородный блок и внутренний углеводородный блок, в которой (в перегородке) верхняя оребренная полость соединяет магистраль подачи водорода с полостью форсунок, расположенных в кольцевой полости блока форсунок, а нижняя оребренная полость соединяет магистраль подачи углеводорода с внутренней полостью блока форсунок, и в боковой стенке перегородки перед блоком форсунок выполнены продольные пазы для поступления окислительного генераторного газа во внутреннюю полость блока форсунок.

2. Камера ЖРД, работающая на трех компонентах топлива кислород, водород и углеводород по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа, по п. 1, отличающаяся тем, что в перегородке в нижней оребренной полости в районе блока форсунок в каналах охлаждения выполнены тупики, за которыми во внутренней стенке перегородки выполнены отверстия для поступления водорода на охлаждение нижнего и верхнего оребрения.