ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ УЧАСТКОВ ЕГО КАМЕРЫ
LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE AND METHOD OF COOLING ITS CHAMBER HIGH-HEAT AREAS

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), и может быть использовано при создании и разработке ЖРД, преимущественно кислородно-керосиновых, с предельно высокими тепловыми потоками в стенку камеры и с обеспечением высокой степени совершенства внутрикамерных процессов.
Одной из основных задач, возникающих при создании современных высокоэкономичных ЖРД, особенно кислородно-керосиновых, является организация надежной защиты стенок камеры при минимально возможных потерях удельного импульса тяги на охлаждение.
Одним из способов защиты внутренних стенок камеры является организация внутреннего охлаждения, заключающаяся в подаче жидкого компонента, как правило, горючего, на внутреннюю поверхность огневой стенки камеры через отверстия или щели в специальном поясе завесы охлаждения.
Наиболее распространенными конструкциями пояса завесы являются такие, в которых коллектор пояса завесы отделен от охлаждающего тракта и расход в него поступает по самостоятельному трубопроводу. В большинстве конструкций поясов завесы жидкий компонент подается из полости пояса завесы на внутреннюю стенку при помощи тангенциальных отверстий, для придания жидкой пленке вращательного движения, благодаря чему пленка, прижимаясь центробежными силами к поверхности стенки, меньше разбрызгивается и позже разрушается. Жидкая пленка, двигаясь по стенке, прогревается, затем испаряется или разлагается, и, перемешиваясь с ближайшими слоями продуктов сгорания, постепенно выгорает, образуя при этом низкотемпературный слой газа. Ввиду сравнительно слабого поперечного перемешивания продуктов сгорания при их движении вдоль стенок камеры пристеночный слой, созданный завесой, получается достаточно устойчивым и может сохраняться на значительном протяжении, защищая при этом стенки камеры.
Известен пояс завесы камеры жидкостного ракетного двигателя, состоящий из частей профилированных внутренней и наружной оболочек камеры, скрепленных между собой, например, при помощи пайки по ребрам, выполненным на внутренней оболочке, и образующих тракт регенеративного охлаждения камеры, при этом на профилированной внутренней оболочке выполнена кольцевая профилированная проточка, соединенная каналами с полостью подачи охладителя, например, керосина, причем оси указанных каналов расположены тангенциально по отношению к кольцевой полости пояса завесы (Гахун Г.Г. и др., Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1989, 422 с., рис.6.30а, стр.118).
Данный пояс завесы работает следующим образом.
Жидкий компонент подается из полости пояса завесы на огневую внутреннюю стенку при помощи тангенциальных отверстий. Благодаря такой подаче, пленка жидкости, прижимаясь центробежными силами к поверхности стенки, меньше разбрызгивается и позже разрушается. Жидкая пленка, двигаясь по стенке, прогревается, затем испаряется или разлагается, и, перемешиваясь с ближайшими слоями продуктов сгорания, постепенно выгорает, образуя при этом низкотемпературный слой газа, дополнительно защищающий огневую стенку камеры.
Основными недостатками указанного пояса завесы является то, что при такой подаче не обеспечиваются условия охлаждения входной кромки кольцевой полости пояса завесы, что приводит к прогару огневой стенки внутренней обечайки именно в этом месте. Кроме этого, при таком расположении осей тангенциальных отверстий невозможно уменьшить толщину входной стенки кольцевой профилированной проточки при сохранении требуемых прочностных характеристик камеры, что также приводит к ухудшению условий охлаждения камеры.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий одну регенеративно охлаждаемую камеру, газогенератор, турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования, причем регенеративно охлаждаемая камера включает смесительную головку, профилированную оболочку, состоящую из профилированных внутренней и наружной обечаек, скрепленных между собой, например, при помощи пайки по ребрам, выполненным на внутренней обечайке, при этом на профилированной оболочке выполнен, как минимум, один пояс завесы, представляющий собой кольцевую профилированную проточку во внутренней обечайке, соединенную каналами с полостью подачи охладителя, причем оси указанных каналов расположены тангенциально по отношению к кольцевой полости завесы (Гахун Г.Г. и др., Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1989, 422 с. Двигатель РД-119, рис.5.2а, стр.82-23 - прототип).
Данный двигатель работает следующим образом.
Компоненты топлива при помощи турбонасосного агрегата, приводимого в действие продуктами сгорания, получаемыми в газогенераторе, поступают в смесительную головку камеры. В смесительной головке компоненты топлива перемешиваются, воспламеняются и сгорают. Поток продуктов сгорания компонентов топлива, имеющий высокую температуру, движется вдоль огневой стенки внутренней обечайки к срезу сопла. Для защиты внутренней обечайки от воздействия высоких температур, по тракту охлаждения, образованному внутренней, наружной обечайками и ребрами, подается охладитель, который снимает часть тепловых потоков, нагреваясь при этом сам.
В наиболее теплонапряженных местах камеры, для дополнительной защиты внутренних стенок, выполнен один пояс завесы. В поясе завесы в кольцевую профилированную проточку, выполненную во внутренней обечайке, при помощи тангенциальных каналов, подается охладитель. Такая подача охладителя позволяет сообщить каждой струе охладителя тангенциальную скорость. Наличие тангенциальной скорости позволяет придать жидкой пленке охладителя вращательное движение, благодаря чему пленка, прижимаясь центробежными силами к поверхности огневой стенки внутренней обечайки, меньше разбрызгивается, позже разрушается и на большей длине дополнительно защищает стенку.
Основными недостатками указанного ЖРД является то, что при такой подаче не обеспечиваются условия охлаждения входной кромки кольцевой полости пояса завесы, т.к. вся пленка уходит по потоку к выходной кромке кольцевой проточки пояса завесы. Это приводит к прогару огневой стенки внутренней обечайки именно в этом месте, и, соответственно, прогару оболочки камеры ЖРД и выходу ЖРД из строя.
Кроме этого, при таком расположении осей тангенциальных отверстий невозможно уменьшить толщину входной стенки кольцевой профилированной проточки при сохранении требуемых прочностных характеристик камеры, что также приводит к ухудшению условий охлаждения камеры.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание ЖРД, в камере которого применение пояса завесы позволит обеспечить надежную защиту стенок камеры при минимальных потерях удельного импульса тяги на охлаждение.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, преимущественно кислородно-керосиновом, содержащем как минимум одну регенеративно охлаждаемую камеру, устройство для подачи рабочего тела на турбину турбонасосного агрегата, турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования, причем камера включает смесительную головку, профилированную оболочку, состоящую из профилированных внутренней и наружной обечаек, скрепленных между собой, например, при помощи пайки по ребрам, выполненным на внутренней обечайке, при этом на профилированной оболочке выполнен, как минимум, один пояс завесы, представляющий собой кольцевую профилированную проточку во внутренней обечайке, соединенную каналами с полостью подачи охладителя, например, керосина, причем оси указанных каналов расположены тангенциально по отношению к кольцевой полости завесы, согласно изобретению в камере выполнен как минимум один пояс завесы, в котором продольные оси большей части, предпочтительно всех, тангенциальных каналов расположены вне плоскости, перпендикулярной оси камеры, и пересекают ее.
Наиболее оптимальные условия охлаждения достигаются в варианте выполнения, если оси тангенциальных каналов пересекают указанную плоскость под углом 4-10°, предпочтительно 6°, а отношение длины канала к его диаметру составляет от 3 до 8.
Выполнение осей тангенциальных каналов под углом 4-10°, предпочтительно 6°, позволяет дополнительно сообщить осевую составляющую скорости каждой струе охладителя, что в значительной степени улучшает условия работы входной части кольцевой проточки, т.к. в этом случае часть расхода попадает на кромку, обеспечивая при этом дополнительный теплосъем. Кроме этого, выполнение осей тангенциальных каналов под углом позволяет значительно уменьшить толщину входной стенки проточки, что также позволяет улучшить условия охлаждения камеры.
Нижнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его понижении оси тангенциальных каналов будут располагаться практически перпендикулярно к кольцевой полости завесы, что ухудшит условия охлаждения входной части кольцевой проточки за счет увеличения ее толщины и снижения части расхода, подаваемого для ее охлаждения.
Верхнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его повышении часть расхода охладителя будет использоваться не эффективно, что приведет к увеличению расхода на завесу, и, соответственно, увеличению потерь удельного импульса тяги, связанного с охлаждением.
Нижнее значение указанного соотношения для отношения длины канала к его диаметру выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении струя охладителя не приобретет требуемую форму и направление.
Верхнее значение указанного соотношения для отношения длины канала к его диаметру выбрано, исходя из того, что дальнейшее его повышение приводит к значительному усложнению изготовления тангенциальных каналов.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид двигателя, на фиг.2 - общий вид камеры, на фиг.3 - продольный разрез пояса завесы, на фиг.4 - поперечный разрез пояса завесы, на фиг.5 - вид тангенциального канала сверху.
Основными элементами предложенного двигателя являются:
1 - жидкостный ракетный двигатель;
2 - камера;
3 - устройство для подачи рабочего тела на турбину турбонасосного агрегата;
4 - турбонасосный агрегат;
5 - агрегаты питания и регулирования;
6 - общая рама;
7 - смесительная головка;
8 - профилированная оболочка;
9 - внутренняя обечайка;
10 - наружная обечайка;
11 - ребра;
12 - пояс завесы;
13 - кольцевая профилированная проточка;
14 - канал;
15 - полость подачи охладителя.
Жидкостный ракетный двигатель 1 содержит четыре камеры 2, устройство 3 для подачи рабочего тела на турбину турбонасосного агрегата, турбонасосный агрегат 4, агрегаты питания и регулирования 5, установленные в одной общей раме 6. Каждая камера 2 содержит смесительную головку 7, профилированную оболочку 8, состоящую из профилированных внутренней 9 и наружной обечаек 10, скрепленных между собой при помощи пайки по ребрам 11, выполненным на внутренней обечайке 9. На профилированной оболочке 8 выполнен как минимум один пояс завесы 12, представляющий собой кольцевую профилированную проточку 13 во внутренней обечайке 9, соединенную каналами 14 с полостью подачи охладителя 15. Оси указанных каналов 14 расположены тангенциально по отношению к кольцевой полости завесы в виде кольцевой профилированной проточки 13. В поясе завесы 12 продольные оси большей части, предпочтительно всех, тангенциальных каналов 14 расположены вне плоскости, перпендикулярной оси камеры, и пересекают ее под углом 4-10°, предпочтительно 6°, при этом отношение длины канала к его диаметру составляет от 3 до 8.
Предложенный двигатель работает следующим образом.
Компоненты топлива при помощи турбонасосного агрегата 4, приводимого в действие продуктами сгорания, получаемыми в устройстве 3 для подачи рабочего тела на турбину турбонасосного агрегата, поступают в смесительную головку 7 камеры 2. В смесительной головке 7 компоненты топлива перемешиваются, воспламеняются и сгорают. Поток продуктов сгорания компонентов топлива, имеющий высокую температуру, движется вдоль огневой стенки внутренней обечайки 9 к срезу сопла. Для защиты внутренней обечайки 9 от воздействия высоких температур по тракту охлаждения, образованному внутренней 9, наружной 10 обечайками и ребрами 11, подается охладитель, который снимает часть тепловых потоков, нагреваясь при этом сам. В наиболее теплонапряженных местах камеры, для дополнительной защиты внутренних стенок, выполняется, как минимум, один пояс завесы 12. В поясе завесы 12 в кольцевую профилированную проточку 13, выполненную во внутренней обечайке 9, при помощи тангенциальных каналов 14, продольные оси которых расположены вне плоскости, перпендикулярной оси камеры 2, подается охладитель. Такая подача охладителя позволяет сообщить каждой струе охладителя не только тангенциальную, но и осевую составляющую скорости.
Наличие тангенциальной составляющей скорости позволяет придать жидкой пленке охладителя вращательное движение, благодаря чему пленка, прижимаясь центробежными силами к поверхности огневой стенки внутренней обечайки 9, меньше разбрызгивается, позже разрушается и на большей длине дополнительно защищает стенку.
Наличие осевой составляющей позволяет в значительной степени улучшить условия работы входной части кольцевой профилированной проточки 13, т.к. в этом случае часть расхода попадает на входную кромку, обеспечивая при этом дополнительный теплосъем.
Дополнительно выполнение тангенциальных каналов 14 под указанным углом к продольной оси камеры позволяет значительно уменьшить толщину входной стенки кольцевой профилированной проточки 13 при сохранении требуемых прочностных характеристик камеры, что также позволяет улучшить условия охлаждения камеры. Кроме этого, выполнение тангенциальных каналов 14 под указанным углом к продольной оси камеры улучшает условия сборки и соединения элементов пояса завесы между собой, т.к. в этом случае входное отверстие завесы оказывается удаленным на требуемое расстояние от элементов пояса завесы 12.
Способ защиты теплонапряженных участков камеры данного двигателя реализуется следующим образом.
Компоненты топлива поступают в смесительную головку 7 камеры 2 жидкостного ракетного двигателя 1. В смесительной головке 7 компоненты топлива перемешиваются, воспламеняются и сгорают. Поток продуктов сгорания компонентов топлива, имеющий высокую температуру, движется вдоль огневой стенки внутренней обечайки 9 к срезу сопла. Для защиты внутренней обечайки 9 от воздействия высоких температур по тракту охлаждения, образованному внутренней 9, наружной 10 обечайками и ребрами 11, подают охладитель, который снимает часть тепловых потоков, нагреваясь при этом сам.
В наиболее теплонапряженных местах камеры, для дополнительной защиты внутренних стенок, выполняют как минимум один пояс завесы 12. В поясе завесы 12 в кольцевую профилированную проточку 13, выполненную во внутренней обечайке 9, при помощи тангенциальных каналов 14, продольные оси которых расположены вне плоскости, перпендикулярной оси камеры 2, подают охладитель из полости подачи охладителя 15. Такая подача охладителя позволяет сообщить каждой струе охладителя не только тангенциальную, но и осевую составляющую скорости.
Наличие тангенциальной составляющей скорости позволяет придать жидкой пленке охладителя вращательное движение, благодаря чему пленка, прижимаясь центробежными силами к поверхности огневой стенки внутренней обечайки 9, меньше разбрызгивается, позже разрушается и на большей длине дополнительно защищает стенку.
Наличие осевой составляющей скорости позволяет в значительной степени улучшить условия работы входной части кольцевой профилированной проточки 13, т.к. в этом случае часть расхода попадает на входную кромку, обеспечивая при этом дополнительный теплосъем.
Выполнение тангенциальных каналов 14 под указанным углом к продольной оси камеры дополнительно позволяет значительно уменьшить толщину входной стенки кольцевой профилированной проточки 13 при сохранении требуемых прочностных характеристик камеры, что также позволяет улучшить условия охлаждения камеры. Кроме этого, выполнение тангенциальных каналов 14 под указанным углом к продольной оси камеры улучшает условия сборки и соединения элементов пояса завесы между собой, т.к. в этом случае входное отверстие завесы оказывается удаленным на требуемое расстояние от элементов пояса завесы 12.
Успешно проведенные авторами и заявителем многократные стендовые и летные огневые испытания камеры, для защиты огневой стенки которой применен предложенный способ охлаждения теплонапряженных участков камеры, подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Успешно проведенные авторами и заявителем неоднократные огневые стендовые и летные испытания полноразмерного кислородно-керосинового ЖРД подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Использование предложенного технического решения позволит обеспечить надежную защиту внутренних стенок камеры при обеспечении высокой степени совершенства внутрикамерных процессов.