Способ вытеснения горючего из внутренних полостей камеры кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при останове и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК F02K9/64 

Описание заявки

Данное изобретение относится к ракетной технике, а конкретно, к кислородно-керосиновым жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) с дожиганием генераторного газа.

Предшествующий уровень техники

В современной ракетно-космической отрасли широко используется кислородно-керосиновые жидкостные ракетные двигатели, выполненные по схеме с дожиганием генераторного газа в камере сгорания, характеризуемые возможностью проведения многократных испытаний - многократного запуска и останова.

Способ работы таких двигателей при многократных остановах двигателя состоит в том, что для снижения импульса последействия, уменьшают общее количество топлива, оставшегося в полостях, заполняя их в процессе останова каким-либо инертным по отношению к компонентам топлива газом, применяя продувку полостей. Таким образом снижается величина полного импульса последействия, а также вредное воздействие от взаимодействия остатков компонентов топлива, особенно взрывного характера, на конструкцию камеры или от разложения компонентов при тепловом воздействии нагретых и еще неостывших деталей (см. например книгу: М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели. М, Машиностроение, 1968, стр. 212-216).

Однако, такой схеме присуще и недостатки, поскольку при использовании только продувки сохраняется потенциальная опасность неполного вытеснения остатков компонентов из полостей из-за неравномерности течения газа в сложной геометрии проточной части регенеративной системы охлаждения и пояса завесы, в сочетании с сжимаемостью газа, нагретой конструкции камеры перед остановом ввиду низкой теплоотдачи от поверхности газу.

Задачей настоящего изобретения является создание способа работы кислородно-керосинового двигателя, позволяющего исключить указанные недостатки, снизить импульс последействия, материальные затраты, связанные: с диагностикой состояния камеры после останова двигателя при его многократном запуске и останове, со сливом горючего или с заменой камеры из-за нарушения целостности камеры по причине воздействия взрывного характера от горения остатков компонентов топлива. Эта задача решена за счет того, что:

в способе вытеснения горючего из внутренних полостей камеры кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при останове и перекрытии магистрали подачи горючего в указанные полости, продувки этих каналов газом, осуществляют ввод в охлаждающие каналы камеры воды с давлением, которую подают из выжимного бачка, причем перед продувкой камеры.

Другими отличиями способа являются:

- в качестве газа, использованного для вытеснения воды из выжимного бачка, используют азот с давлением ~170 кгс/см²;

- в качестве газа, обеспечивающего продувку каналов камеры, используют гелий с давлением ~170 кгс/см²;

- вода, используемая для вытеснения горючего из каналов камеры, имеет давление ~170 кгс/см².

- в устройстве вытеснения горючего из полостей камеры кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при его останове, включающее систему продувки этих каналов газом с давлением и выжимной бачок, состоящий из корпуса с двумя герметичными полостями, разделенными гибкой мембраной, одна из которых соединена с газовой системой давления, а другая заполнена водой и через пневмоуправляемый клапан соединена с каналами охлаждения камеры, при этом перед продувкой каналов камеры осуществляют ввод в указанные каналы камеры воды, которую подают из выжимного бачка.

Другими отличиями устройства являются:

- в качестве газа, использованного для вытеснения воды из выжимного бачка, используют азот с давлением ~170 кгс/см²;

- в качестве газа, обеспечивающего продувку каналов камеры, используют гелий с давлением ~170 кгс/см²;

- вода, используемая для вытеснения горючего из каналов камеры, имеет давление ~170 кгс/см².

Технический результат состоит в существенном уменьшении остатков горючего в камере при останове ЖРД вследствие использования в качестве вытеснителя воды - более плотного вещества, чем керосин (плотность больше на 17%), имеющего малую растворяемость в керосине (до 5%), большую теплоемкость (примерно в 2,5 раза) и теплопроводность (примерно в 5 раз). За счет гидравлических и более высоких теплофизических свойств вода, подобно керосину, заполняет полости камеры ЖРД, но эффективнее охлаждает конструкцию камеры.

На фиг. представлена принципиальная схема камеры ЖРД.

Пример осуществления изобретения ЖРД содержит камеру 1 с трактом регенеративного охлаждения 2 и автономным поясом завесы 3, в которые горючее-керосин поступает из трубопровода 4 подачи горючего на камеру 1. Следует заметить, в тракт охлаждения 2 поступает расход горючего из трубопровода 4 за вычетом расхода горючего, идущего на автономный пояс завесы 3 (~1,3% от суммарного расхода компонентов). После охлаждения камеры 1 горючее поступает из тракта 2 в форсуночную головку. Камера также содержит трубопровод 5 подключенный к трубопроводу 4. В трубопроводе 5 установлен пневмоуправляемый клапан 6, перекрывающий подачу горючего из трубопровода 4 в пояс завесы 3 при останове ЖРД. К трубопроводу 5 подключен обратный клапан 7 продувки пояса завесы 3 и выжимной бачок 8. Бачок включает в себя корпус с двумя герметичными полостями, разделенными гибкой мембраной, одна из которых соединена с газовой системой высокого давления (азот при давлении 170 кг/см²), а другая-заполнена водой (при давлении 170 кг/см²) и подключена к трубопроводу 5 через пневмоуправляемый клапан 9. Выжимной бачок может быть также подключен к трубопроводу подачи горючего в тракт охлаждения камеры. Для продувки пояса завесы используется гелий высокого давления - 170 кг/см²

Работа системы вытеснения

Останов ЖРД осуществляется с команды на закрытие клапана горючего газогенератора двигателя для прекращения подачи продуктов газогенерации в камеру 1 (не показано). При этом закрывается клапан 6 и прекращается подачи горючего в трубопровод 5, и в автономный пояс завесы 3. Далее открывается клапан 9, подачи воды высокого давления в пояс завесы 3. Вода по мере заполнения трубопровода 5 и внутренней полости завесы, вытесняет керосин из нее, при этом вода охлаждает пояс завесы и внутреннею огневую стенку камеры при выходе воды из кольцевой щели пояса завесы 3.

Через промежуток времени (1…3 с), достаточный для вытеснения горючего и многократного перезаполнения трубопровода холодной водой объема внутренней полости пояса завесы и промывки поверхностей, соприкасаемых с керасином по мере падения давления в камере 1 открывается обратный клапан 7 и осуществляется продувка полости пояса завесы 3.

Благодаря большей плотности, теплоемкости, теплопроводности, отсутствия склонности к взаимодействию с компонентами топлива - кислорода и керосина - вода предварительно перед продувкой вытесняет горючее, удаляет остатки горючего, заполняет, промывает внутренние полости завесы, охлаждает пояс завесы и камеру по течению завесы. Для камеры ЖРД тягой порядка 200 тс объем внутренней полости завесы составляет примерно 1,5 литра. Емкость выжимного бачка для качественной промывки и охлаждения завесы составит 10 литров и менее. Такая емкость может быть введена в состав компоновки двигателя большой тяги, так как она практически не увеличивает его массу.

Такой способ вытеснения горючего при останове ЖРД снижает импульс последействия, уменьшает образование взрывной смеси и горение остатков компонентов топлива в камере и может быть применен в составе ракетных двигательных установок.

Промышленное применение Изобретение найдет применение в ракетной технике при модернизации кислодно-керасиновых двигателей и ракетных двигательных установок. Это применение позволяет уменьшить импульс последействия и сохранить работоспособное состояние камеры при многократном включении и останове ЖРД, выполнить частичную нейтрализацию ЖРД-обработку по удалению остатков горючего и обезвреживание не удаленных остатков.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к кислородно-керосиновым жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) замкнутой или закрытой схемы. Способ удаления керосина при останове ЖРД из внутренних полостей камеры: тракта охлаждения, из полости подачи керосина, завесы для охлаждения стенки от теплового воздействия продуктов сгорания, основанный на вытеснении керосина при останове двигателя с помощью воды, предусматривающий вытеснение горючего из внутренних полостей камеры и исключающий остатки керосина, заполнение внутренних полостей водой и закрытие от проникновения кислорода, причем в процессе останова двигателя воду вводят из дополнительного бачка, установленного на магистрали подачи керосина с отключением подачи керосина. Жидкостный ракетный двигатель с турбонасосной системой подачи компонентов топлива и системой клапанов содержит дополнительный бачок, заполненный водой и имеющий вытеснительную систему подачи воды в трубопровод горючего, клапан на выходе из бачка, перекрывающий истечение воды в трубопровод горючего при работе двигателя и открывающийся при останове двигателя для подачи воды вместо керосина, при этом дополнительный бачок имеет две полости, разделенные мембраной так, что одна полость через клапан соединена с трубопроводом подачи керосина, а другая, газовая, соединена с магистралью высокого давления двигателя через клапан. Изобретение обеспечивает уменьшение импульса последействия от горения остатков топлива из-за исключения поступления в камеру жидкого или испарившегося горючего и исключает взаимодействие взрывного характера остатков компонентов топлива при проникновении газообразного кислорода во внутренние полости камеры, раннее заполненные керосином. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ вытеснения горючего из внутренних полостей камеры кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при его останове и перекрытия магистрали, подающей горючее в указанные полости, путем продувки этих полостей газом, отличающийся тем, что перед продувкой камеры осуществляется ввод в охлаждающие каналы камеры воды с давлением, которую подают из выжимного бачка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа, использованного для вытеснения воды из выжимного бачка, используют азот с давлением ~170 кгс/см².

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа, обеспечивающего продувку каналов камеры, используют гелий с давлением ~170 кгс/см².

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вода, используемая для вытеснения горючего из каналов камеры, имеет давление ~170 кгс/см².

5. Устройство вытеснения горючего из полостей камеры кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при его останове, включающее систему продувки этих полостей газом с давлением и выжимной бачок, состоящий из корпуса с двумя герметичными полостями, разделенными гибкой мембраной, одна из которых соединена с газовой системой давления, а другая заполнена водой и через пневмоуправляемый клапан соединена с каналами охлаждения камеры, отличающееся тем, что перед продувкой каналов камеры осуществляют ввод в указанные каналы камеры воды, которую подают из выжимного бачка.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в качестве газа, использованного для вытеснения воды из выжимного бачка, используют азот с давлением ~170 кгс/см².

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в качестве газа, обеспечивающего продувку каналов камеры, используют гелий с давлением ~170 кгс/см².

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что вода, используемая для вытеснения горючего из каналов камеры, имеет давление ~170 кгс/см².