Способ организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги
METHOD FOR ORGANIZING WORKFLOW IN CHAMBER OF LOW-THRUST LIQUID ROCKET ENGINE

Изобретение относится к камерам сгорания ракетных двигателей малой тяги, работающих на двухкомпонентном самовоспламеняющемся жидком ракетном топливе.
-5
-3
Известно описание процесса взаимодействия самовоспламеняющихся компонентов топлива, которые поступают в камеру ЖРДМТ в виде жидкостей, где перемешиваются, преобразуются в процессе экзотермических химических реакций в газообразные продукты сгорания и, истекая через сопло, создают тягу двигателя. Важную роль в качественном преобразовании компонентов топлива в продукты сгорания в камерах ЖРДМТ играют процессы жидкофазного перемешивания, в результате которых реализуется интенсификация перемешивания компонентов топлива за время от 5⋅10 до 1,5⋅10 с [1] от начала соприкосновения компонентов топлива.
Известен также способ интенсификации процессов жидкофазного перемешивания и повышения энергетической эффективности процессов в ЖРДМТ в целом путем использования предкамерного устройства [2, 3]. Этот способ не лишен недостатков. Жидкофазное перемешивание и начало химических реакций компонентов топлива в предкамерном устройстве могут приводить к большой тепловой нагрузке конструкции ЖРДМТ в районе смесительной головки. Кроме того затруднительно организовать тепловую защиту стенок камеры сгорания компонентами топлива, участвующими в жидкофазном перемешивании в предкамерном устройстве.
Предлагаемый в изобретении по патенту РФ №2535596 [4] способ эффективного жидкофазного смешения и высокоэффективного преобразования компонентов топлива в продукты сгорания позволяет получать удельный импульс тяги более 300 с для ЖРДМТ с номинальным уровнем тяги от 2,5 до 50 кгс с обеспечением одновременно приемлемого теплового состояния с запасом по температуре элементов ЖРДМТ за счет подачи практически всего самовоспламеняющегося топлива (окислителя и горючего) на внутреннюю стенку камеры сгорания. Этот способ имеет следующие недостатки.
Практически все топливо подается на стенку камеры сгорания, где происходит жидкофазное смешение и преобразование компонентов топлива в продукты сгорания, что способствует отводу части тепловой энергии химических реакций из зарождающихся очагов взаимодействия компонентов топлива на стенке камеры сгорания. Это приводит к уменьшению эффективности процессов преобразования компонентов топлива в продукты сгорания за счет потери части тепловой энергии химических реакций на компенсацию потерь при теплообмене материала стенки камеры сгорания и продуктов реакций компонентов топлива в камере двигателя, а также затягивает динамические процессы изменения давления и температуры в камере сгорания при запуске и останове ЖРДМТ.
При значениях тяги ЖРДМТ в диапазоне от 0,1 до 1,36 кгс применение известного способа организации рабочего процесса в камере сгорания становится малоэффективным. С уменьшением тяги двигателя уменьшаются расходы компонентов топлива, поступающих в камеру сгорания для химических преобразований в продукты сгорания, и уменьшается количество теплоты, выделяющейся при химических реакциях на внутренних стенках камеры сгорания а, значит, возрастает роль тепловых потерь при передаче тепла от реагирующих компонентов топлива в материал стенки камеры сгорания. Кроме того пленки жидких компонентов топлива на стенке камеры сгорания с уменьшением массового расхода становятся значительно тоньше, доходя до значений менее 0,1 мм, а значит уменьшаются среднемассовые скорости компонентов топлива в пленке на стенке за счет тормозящего влияния стенки камеры сгорания. Кроме того, скорости по толщине пленки компонентов топлива существенно не равномерны. Это приводит к снижению эффективности жидкофазного смешения компонентов топлива и уменьшению энергетической эффективности ЖРДМТ в целом.
Задачей предлагаемого решения является повышение эффективности процессов смесеобразования и воспламенения компонентов самовоспламеняющегося топлива при удовлетворительном тепловом состоянии камеры двигателя.
Для решения этой задачи предлагается способ организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в подаче самовоспламеняющихся компонентов топлива через форсуночные элементы смесительной головки с жидкофазным смешением компонентов топлива в зоне форсуночных элементов в камере сгорания, получении жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов взаимодействия, воспламенении, горении и истечении продуктов горения через сопло камеры.
Согласно изобретению рабочий процесс жидкофазного перемешивания и преобразования компонентов топлива в продукты сгорания выполняют в камере сгорания при давлении меньшем или равном давлению насыщенных паров хотя бы одного из компонентов топлива.
2
4
2
4
2
2
Это создает необходимые условия для возникновения развитого пузырькового кипения в зоне перемешивания компонентов до начала предпламенных химических реакций, что способствует интенсификации турбулентного обмена между компонентами топлива в зоне смешения [6, 7], в целом ускоряя процесс жидкофазного перемешивания. Течение и перемешивание компонентов топлива в определенном диапазоне температур в камере сгорания, например для NO от 20 до 240°С, сопровождается преобразованием компонента окислителя по химической реакции NO=2NO с поглощением 623,4 кДж/кг тепловой энергии (первая фаза разложения). Химическая реакция сопровождается фазовым переходом компонента окислителя из жидкого в газообразное состояние. При дальнейшем повышении температуры в камере сгорания выше 240°С разложение окислителя протекает по реакции 2NO+O с поглощением 1225,9 кДж/кг тепловой энергии [5] (вторая фаза разложения). За счет частичного парообразования с поверхности компонента окислителя, в том числе по указанным химическим реакциям еще до зоны перемешивания в области камеры сгорания, окружающей движущиеся струи или пелены компонентов топлива, образуется зона пониженных температур парогаза, способствующая снижению температуры конструкции смесительной головки и камеры сгорания.
Частичный фазовый переход из жидкого состояния в газообразное компонента окислителя и создание условий для развитого пузырькового кипения компонентов топлива при жидкофазном перемешивании может быть достигнуто различными способами, например, увеличением температуры компонентов топлива за счет предварительного подогрева, либо изменением давления в зоне движения компонентов топлива при их перемешивании.
min
Предлагаемый способ поясняется чертежами и графиками. На фиг. 1 приведена схема смесеобразования с двумя сталкивающимися струями. На фиг. 2 - зона столкновения и смешения струй. На фиг. 3 - схема смесеобразования с дефлектором в виде клинового элемента, а на фиг. 4 - пелена растекания окислителя на поверхности дефлектора. На фиг. 5 приведен график зависимости удельного импульса тяги опытного двигателя от d при входных условиях, обеспечивающих режим работы двигателя близкий к расчетному.
Смесительная головка 1 имеет струйные форсунки окислителя 2 и горючего 3, через которые осуществляется подача окислителя в виде струи 4 и горючего в виде струи 5. В схеме смесеобразования с дефлектором 6 (фиг. 3) струи ударяются о поверхность дефлектора и образуют пелены окислителя 7 и горючего 8.
2
4
2
При работе двигателя в предлагаемых условиях подача окислителя осуществляется через струйную форсунку 2, горючего через струйную форсунку 3 в виде струй окислителя 4 и горючего 5. Т.к. окислитель подается в камеру двигателя с давлением ниже давления насыщенных паров, то уже на выходе из струйной форсунки на поверхности струи образуется парогаз, в том числе по реакции первой фазы разложения NO=2NO. Выделившийся парогаз создает зону пониженных температур в области смесительной головки камеры сгорания. При столкновении струи окислителя со струей горючего на поверхности соприкосновения компонентов топлива возникают необходимые условия для начала развитого пузырькового кипения в струе окислителя, которое способствует более активному перемешиванию компонентов топлива и активизирует предпламенные процессы, что приводит к повышению эффективности рабочего процесса в целом.
Более развитую зону пониженной температуры с одновременной интенсификацией процессов жидкофазного перемешивания и преобразования компонентов топлива в продукты сгорания удается обеспечить в схеме смесеобразования с дефлектором при подаче компонента окислителя в камеру сгорания при давлении меньшем или равном давлению насыщенных паров. При преобразовании струй в пелену 7 окислителя и пелену 8 горючего за счет увеличения площади пелены существенно увеличивается количество выделяемой парогазовой фазы окислителя со свободной поверхности пелены на дефлекторе, создавая более обширную зону продуктов сгорания с пониженной температурой, способствуя тем самым тепловой защите конструкции камеры сгорания и смесительной головки. При встрече пелен компонентов топлива за счет развитого пузырькового кипения повышается турбулентный обмен в зоне смешения, что способствует интенсификации перемешивания компонентов топлива при предпламенных процессах и повышает эффективность рабочего процесса в целом.
Интенсификация турбулентного обмена жидкофазного перемешивания компонентов топлива с одновременным снижением температуры конструкции камеры сгорания и смесительной головки при давлении подачи окислителя в камеру сгорания меньшем или равном давлению насыщенных паров будет наблюдаться в случаях применения других схем смесеобразования. Например, в случае применения центробежных форсунок для получения пленочного распыла окислителя и горючего, или движении струй или пелен компонентов топлива по стенке камеры сгорания ЖРДМТ. При этом вследствие частичного перехода из жидкого в газообразное состояние компонента окислителя со свободной поверхности его пленки по выше описанной реакции первой фазы образуется зона пониженной температуры, способствуя уменьшению температуры конструкции камеры сгорания и смесительной головки двигателя, а в слое смешения компонентов топлива пузырьки газообразного окислителя интенсифицируют турбулентный обмен при жидкофазном перемешивании, что приводит к увеличению эффективности рабочего процесса (увеличению удельного импульса тяги).
На фиг. 5 приведены значения удельного импульса тяги и температуры конструкции камеры сгорания при реализации процесса фазового перехода при движении жидких компонентов топлива и их перемешивании в камере сгорания при различных значениях диаметра минимального сечения сопла. Зависимости построены для расчетного режима работы двигателя, когда тяга и массовое соотношение компонентов топлива двигателя соответствовали расчетным значениям, принятым при проектировании.
min
min
min
min
min
На графике, на правой вертикальной шкале, приведены значения максимальной температуры конструкции двигателя зарегистрированные при испытаниях. Из данных представленных на рисунке следует, что при увеличении минимального диаметра сопла от 1,86 до 1,92 мм происходит уменьшение удельного импульса тяги с 289,6 ед. при d=1.86 мм до 280 ед. при d=1.92 мм. При этом происходит одновременное увеличение температуры конструкции камеры сгорания с 1471°С при d=1.86 мм до 1479°С при d=1.92 мм. Дальнейшее увеличение d до 1,98 мм приводит к увеличению удельного импульса тяги с 280 до 289 ед. при значительном снижении температуры стенки камеры сгорания с 1479 до 1398°С. Увеличение удельного импульса тяги с одновременным снижением максимальной тепловой нагрузки на конструкцию при увеличении минимального диаметра сопла от 1,92 до 1,98 мм связано с увеличением интенсивности процессов перемешивания компонентов топлива за счет перехода компонента окислителя из жидкого в газообразное состояние в зоне движения струй и в зоне перемешивания.
Значительный рост удельного импульса тяги при одновременном снижении максимальной температуры конструкции подтверждают, что при фазовом переходе из жидкого в газообразное состояние интенсифицируется турбулентный обмен в зоне жидкофазного перемешивания и одновременно формируется зона пониженной температуры парогаза, обеспечивая удовлетворительное тепловое состояние смесительной головки и стенки камеры сгорания.
min
Из данных, приведенных на графике видно, что при увеличении значения d более чем 1,98 мм возможно дальнейшее увеличение удельного импульса тяги и снижение максимальной температуры конструкции.
Полученная характеристика удельного импульса тяги подтверждена прямым измерением тяги ЖРДМТ тягой 3 Н. Это позволяет с большой эффективностью управлять рабочим процессом в камере сгорания с целью оптимизации основных энергетических характеристик и температуры конструкции разрабатываемых перспективных ЖРДМТ.
Список литературы:
1. В.Е. Нигодюк, А.В. Сулинов. Исследование закономерностей жидкофазного взаимодействия компонентов СЖРТ. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3(19), 2009 с. 316-321.
2. В.Е. Нигодюк, А.В. Сулинов. Повышение энергетической эффективности ЖРДМТ тягой (0,1-1) Н со струйной схемой смесеобразования. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3(27), 2011 с. 265-267.
3. В.Е. Нигодюк. Перспективы применения предкамер в ЖРДМТ на самовоспламеняющихся компонентах топлива. [Текст] / В.Е. Нигодюк, А.В. Сулинов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Материалы междунар. науч.-техн. конф. -Ч. 1 Самара: СГАУ. 2009. - С. 120-122.
4. Способ организации рабочего процесса в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги. Патент РФ №2535596, з. №201312068 от 06.05.2013.
2
4
2
2
5. Физико-химические и теплофизические свойства химически реагирующей системы NO⇔2NO⇔2NO+O. Под ред. В.Б. Нестеренко. Минск, "Наука и техника", 1976 г., 344 с. - С. 22.
6. Малышев А.А., Мамченко В.О., Киссер К.В. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков хладагентов: Учеб.-метод, пособие. -СПб.: Университет ИТМО, 2016. - 116 с. - С. 16, 21-23.
7. Е.Н. Слободина, А.Г. Михайлов, С.В. Теребилов. Исследование турбулентного течения при кипении жидкости в вакуумном котле. Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Том 6, №3 164-169 с - С. 168. DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-164-169.