Способ улучшения удельных характеристик кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя Российский патент 2025 года по МПК F02K9/00 

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД).

Одними из основных современных направлений совершенствования ЖРД являются: уменьшение габаритных размеров, уменьшение массы ЖРД и двигательной установки в целом, совершенствование системы смесеобразования для обеспечения предельно возможной полноты сгорания компонентов топлива и увеличение удельного импульса тяги. (см. например, https://studylib.ru/doc/451827/zhidkostnye-reaktivnye-dvigateli или В. Е. Але-масов и др. «Теория ракетных двигателей»: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1980).

Одной из основных проблем при создании устройств для перемешивания и распыливания компонентов топлива ЖРД - форсунок - является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов, что обеспечивается увеличением площади поверхности соприкосновения компонентов и уменьшением характерного поперечного размера струи одного из компонентов. В известных форсунках выполнение указанных условий приводит к значительному усложнению конструкции.

Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения (полостью камеры сгорания), втулку с цилиндрической внутренней поверхностью, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е. Алемасов и др. «Теория ракетных двигателей»: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1980-, рис. 18.2, стр. 225 - 226).

В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего - форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива, и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.

Известна соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, в выходной части которого выполнены радиально расположенные пазы, и соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3÷2,5s, где s - толщина луча. (Патент РФ №2291977, МПК:F02К9/52, F23D11/12).

Указанная коаксиальная двухкомпонентная форсунка работает следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.

Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную улучшает условия разрушения струи и позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Горючее из полости горючего по зазору между наконечником и втулкой подается в зону горения, при этом струя горючего принимает форму профилированной кольцевой щели между наконечником и втулкой, т.е. становится эквидистантной струе окислителя.

За счет профилирования выходного сечения форсунки и более интенсивного распадения струи окислителя на капли, длина струи нераспавшейся части жидкости струи окислителя уменьшается в несколько раз, что позволяет организовать горение компонентов топлива ближе к огневому днищу с сохранением степени совершенства процесса смесеобразования.

За счет того, что струя окислителя быстрее распадается, фронт пламени приближается ближе к огневому днищу и огневой стенке, происходит увеличение тепловых потоков в огневое днище, и, соответственно, возникает необходимость принятия дополнительных мер по защите указанных частей камеры от прогара, что решается обеспечением эшелонированного горения.

Известные способы уменьшения массы составных частей камеры и самой камеры в целом основаны на подборе оптимальной конструкции составных частей, подборе материалов с улучшенными прочностными характеристиками и изготовлении составных частей из указанных материалов. Замена материала составных частей на композиционные материалы не всегда возможна и применяется преимущественно для изготовления неохлаждаемой сопловой части камеры. Это ведет к незначительному снижению массы двигателя и увеличению трудоемкости изготовления и росту себестоимости изготовления двигателя в целом.

Известные способы увеличения удельного импульса тяги заключаются в изменении степени расширения сопла за счет использования удаляемых вставок, выдвижных насадков, применения выдвижного центрального тела и т.д.

Это ведет к значительному росту массы двигателя за счет установки соответствующих механизмов удаления или перемещения и фиксации, увеличению трудоемкости изготовления и росту себестоимости изготовления двигателя в целом.

Задачей изобретения является обеспечение возможности улучшения удельных характеристик кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя - увеличения удельного импульса тяги и снижения массы двигателя - за счет уменьшения длины камеры сгорания, и, соответственно, ее массы, с сохранением длины двигателя и увеличением, таким образом, геометрической степени расширения его сопла, при сохранении степени совершенства процесса смесеобразования.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе повышения удельных характеристик кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя с коаксиальными соосно-струйными форсунками, заключающемся в снижении его массы с одновременным увеличением удельного импульса тяги за счет увеличения геометрической степени расширения его сопла, согласно изобретению, на этапе проектирования определяют общую длину двигателя и длину его камеры и определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением и определяют степень совершенства смесеобразования, затем уменьшают длину струи нераспавшейся части жидкости коаксиальной соосно-струйной форсунки путем профилирования ее выходного сечения из круглого в трехлучевое, после чего определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости с сохранением степени совершенства смесеобразования, с обеспечением эшелонированного горения компонентов топлива, и на длину, равную величине уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости, уменьшают длину камеры сгорания, и элементов пневмогидросхемы обвязки всего двигателя, зависящие от нее, с сохранением его длины в заданных длинновых габаритных размерах за счет увеличения длины сопла, площади его выходного сечения и геометрической степени расширения.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана коаксиальная соосно-струйная форсунка с круглым наконечником, на фиг.2 показана форма струи окислителя для коаксиальной соосно-струйной форсунки с круглым наконечником, в аксонометрии, на фиг.3 показана коаксиальная соосно-струйная форсунка с трехлучевым наконечником, на фиг. 4 показана форма струи окислителя для коаксиально-соосно-струйной форсунки с трехлучевым наконечником, в аксонометрии, на фиг.5 показано уменьшение длины камеры для ЖРД с форсунками с трехлучевым наконечником по сравнению с камерой с форсунками с круглым наконечником. увеличение длины и площади среза сопла ЖРД.

Основной линией показан профиль камеры с форсунками с круглым наконечником, тонкой линий показан профиль камеры с форсунками с трехлучевым наконечником. Буквой D обозначен диаметр среза сопла для камеры с форсунками с круглым наконечником. Буквой D1 обозначен диаметр среза сопла для камеры с форсунками с трехлучевым наконечником.

Коаксиальная соосно-струйная форсунка содержит корпус 1 с наконечником 2 для подачи окислителя в камеру сгорания. Горючее подается по кольцевому зазору 3 между втулкой 4 и наконечником 2. Выходное сечение наконечника может иметь как круглую форму, так и профилированную, в виде трехлучевой звезды. Как показали проведенные исследования, при профилировании наконечника струя окислителя быстрее теряет свою форму и распадается на капли, что ведет к значительному, в несколько раз, сокращению длины нераспавшейся части жидкости и дает возможность уменьшить длину камеры сгорания с сохранением требуемого времени пребывания компонентов топлива в камере.

Предложенный способ может быть реализован следующим образом.

На этапе проектирования по общепринятым и известным формулам из теории ЖРД определяют объем, общую длину камеры сгорания, длину камеры, степень расширения сопла, общую длину двигателя. Рассчитывают и подбирают по расходу типовые коаксиальные соосно-струйные форсунки с круглым выходным сечением. Теоретически и экспериментально определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением и определяют степень совершенства смесеобразования, обеспечиваемого данной схемой подачи компонентов топлива для создаваемого двигателя. Производят профилирование выходного сечения форсунок из круглого в трехлучевое и определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости упомянутых форсунок с сохранением ранее полученной степени совершенства смесеобразования. Затем, на длину, не более полученной величины уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости, уменьшают длину камеры сгорания, длину всей камеры и элементов пневмогидросхемы обвязки упомянутого двигателя, обеспечивая при этом сохранение длины двигателя. Такое решение позволяет, оставив ранее определенные длинновые размеры двигателя, увеличить длину сопла и повысить степень его расширения, что позволит увеличить удельный импульс тяги двигателя.

Использование предложенного технического решения позволит улучшить удельные характеристики кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя - удельный импульс тяги и снизить его массу - за счет уменьшения длины камеры сгорания, и, соответственно, ее массы, с сохранением длины двигателя и увеличением, таким образом, геометрической степени расширения его сопла, при сохранении степени совершенства процесса смесеобразования.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). Способ улучшения удельных характеристик кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя с коаксиальными соосно-струйными форсунками заключается в снижении его массы с одновременным увеличением удельного импульса тяги за счет увеличения геометрической степени расширения его сопла. На этапе проектирования определяют общую длину двигателя и определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением. Определяют степень совершенства смесеобразования. Уменьшают длину струи нераспавшейся части жидкости коаксиальной соосно-струйной форсунки путем профилирования ее выходного сечения из круглого в трехлучевое. Определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости с сохранением степени совершенства смесеобразования с обеспечением эшелонированного горения компонентов топлива, и на длину, равную величине уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости, уменьшают длину камеры сгорания, и элементов пневмогидросхемы обвязки всего двигателя, зависящие от нее, с сохранением его длины в заданных длинновых габаритных размерах за счет увеличения длины сопла, площади его выходного сечения и геометрической степени расширения. 5 ил.

Способ улучшения удельных характеристик кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя с коаксиальными соосно-струйными форсунками, заключающийся в снижении его массы с одновременным увеличением удельного импульса тяги за счет увеличения геометрической степени расширения его сопла, характеризующийся тем, что на этапе проектирования определяют общую длину двигателя и длину его камеры и определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением и определяют степень совершенства смесеобразования, затем уменьшают длину струи нераспавшейся части жидкости коаксиальной соосно-струйной форсунки путем профилирования ее выходного сечения из круглого в трехлучевое, после чего определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости с сохранением степени совершенства смесеобразования, с обеспечением эшелонированного горения компонентов топлива, и на длину, равную величине уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости, уменьшают длину камеры сгорания, и элементов пневмогидросхемы обвязки всего двигателя, зависящие от нее, с сохранением его длины в заданных длинновых габаритных размерах за счет увеличения длины сопла, площади его выходного сечения и геометрической степени расширения.