ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НК-33А, КАМЕРА СГОРАНИЯ, ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ, ГАЗОГЕНЕРАТОР, ТРУБА-КАПСУЛА, КЛАПАН

Полезная модель относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с дожиганием окислительного турбогаза (генераторного газа), а более конкретно к однокамерным двигателям с камерой сгорания (камерой), турбонасосным агрегатом (ТНА) и газогенератором (ГГ) с его системой зажигания.
Известен однокамерный ЖРД (см. справочник под редакцией И.Г.Шустова «Двигатели 1944-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные», М., «АКС - Конверсалт», 2000 г., стр.279), имеющий в своем составе камеру сгорания и однороторный ТНА с соосным газогенератором.
В известном двигателе ТНА размещен сбоку камеры сгорания и его ось параллельна оси камеры, причем крепление ТНА к камере осуществлено консольно через фланцевое соединение тракта генераторного газа. Тракт генераторного газа имеет два поворота в 90° и в сумме, как минимум, 180°. Кроме того, известный ЖРД с дожиганием имеет дополнительный насос горючего для питания газогенератора, установленный на общей оси турбонасосного агрегата с забором горючего на вход дополнительного насоса с выхода основного насоса горючего. Такое расположение позволяет увеличить давление горючего до необходимого уровня для питания газогенератора части горючего и уменьшить тем самым общую мощность, затрачиваемую на подачу горючего в камеру сгорания и газогенератор.
Параллельное расположение камеры и ТНА приводит к неоправданно повышенной длине тракта генераторного газа, и, как следствие этого, при угле разворота потока газа на 180° к повышенному коэффициенту гидравлического сопротивления тракта, к увеличенной массе и габаритам двигателя. Только консольное закрепление ТНА на камере сгорания через силовые оболочки тракта генераторного газа не совсем надежно с точки зрения прочности. А обороты ротора дополнительного насоса горючего в известном ЖРД определяются кавитационными свойствами основных насосов горючего и окислителя и, соответственно, к.п.д. такого насоса из-за низкой его быстроходности не является достаточно высоким (%:15-20), а масса оптимальной. Кроме того, поток в газоводах генераторного газа имеет сложный трехмерный характер с зонами отрыва потока, приводящими к интенсивной турбулизации потока на входе в газовые каналы форсунок и полей полных давлений по сечению камеры сгорания, а оптимального конструктивного решения этих проблем нет.
Известна камера сгорания жидкостного ракетного двигателя замкнутой схемы SSME американской фирмы Рокитдайн для многоразовой транспортной космической системы «Спейс Шаттл» со струйно-центробежными двухкомпонентными форсунками (Левин В.Р., Ильин Д.В., Липатов И.Н., Галанкин Е.М., Американский водородный ЖРД Рокитдайн SSME, Труды ЦИАМ, инв. 1018, 1982 г.), В этих форсунках по центральному каналу подается жидкий кислород, а по радиальным отверстиям - обогащенный водородом генераторный газ. Для улучшения смешения компонентов топлива внутри форсунки разделительная втулка подрезана на 6,1 мм при диаметре камеры смешения 6,35 мм (l/d=0,96). Однако, и в таких форсунках эффективность смешения компонентов топлива является недостаточной из-за малой длины их контакта, наличия разделительной втулки между водородной газовой пеленой и жидкой струей кислорода. К тому же акустическая проводимость тангенциальных отверстий мала и не подается регулированию. Акустическая проводимость центрального канала форсунки также мала ввиду малого его диаметра и неоптимальной его длины. Поэтому конструкция камеры сгорания усложнена антипульсационными перегородками и акустическим поглотителем.
Известен однороторный турбонасосный агрегат (см. справочник под редакцией И.Г.Шустова «Двигатели 1944-2000: 2000 г., стр.279), имеющий насосы окислителя и горючего, соединенные между собой рессорой.
Наиболее близким по конструкции к насосу горючего является турбонасосный агрегат, содержащий турбину и насос, валы которых соединены между собой при помощи редуктора, размешенного в корпусе с подводящими и отводящими каналами (см. патент США N 3269317, Н.кл. 417-405, 1966). Недостатком известного турбонасосного агрегата является малая эффективность смазки и охлаждения редуктора.
Известен насос окислителя, содержащий турбину, насосы и редуктор (см. патент Англии N 1102275, Н.кл. F1G, 1965).
Недостатком известного устройства являются большие габариты и вес, конструктивная сложность, низкая надежность работы. Большие габариты и вес объясняются наличием громоздкого редуктора с опорами и системой смазки. Редуктор же усложняет конструкцию агрегата. Необходимость смазки шестерен и опор редуктора снижает надежность агрегата в случае работа с криогенными компонентами. В случае же транспортировки насосом жидкого кислорода смазка редуктора перекачиваемым компонентом делается невозможной из-за опасности возгорания трущихся элементов редуктора в среде кислорода.
Известен газогенератор ЖРД, содержащий охлаждаемую камеру сгорания, форсуночную головку, состоящую из переднего, среднего и огневого днищ, форсунок окислителя и горючего, установленный по оси газогенератора распределитель избыточного компонента (см. заявку JP N 5343604А, МПК F02К 9/00, 1978 г.).
Недостатками известного газогенератора являются большие габариты и вес, низкая надежность работы, неравномерность температурного поля на выходе и пульсаций потока газа в самом газогенераторе и на выходе из него. Отсутствие элементов распределения избыточного компонента по всему сечению газогенератора приводит к потребности увеличения его длины для того, чтобы поток к выходу из него успел перемешаться, что увеличивает габариты и вес. Некачественное перемешивание потока газов приводит к местным перегревам конструкции как самого газогенератора, так и деталей за ним (сопловой аппарат, турбина). Отсутствие демпфирующих устройств для уменьшения пульсаций потока приводит к появлению вибраций конструкции и снижению устойчивости процесса сгорания и смешения, что дополнительно снижает надежность работы.
Известны пиротехнические системы зажигания на камерах сгорания и жидкостных газогенераторах с помощью пиропатронов (см. кн. под общ. ред. Г.Г.Гахуна. Конструкция и проектирование ЖРД. - М.: Машиностроение, 1989, с.73).
Основной их недостаток - невозможность многократности запусков из-за отложения продуктов сгорания пороха в пламявыводящих трубках и возможность задержки воспламенения, что приводит к перегрузкам при выходе на режим. Указанные недостатки устранены при химическом зажигании.
Известная химическая система зажигания в ЖРД (см. кн. Г.Г.Гахуна и др., с.75, рис.4.5а) имеет цилиндрическую трубу-капсулу, установленную перед камерой сгорания и заполненную пусковым жидким компонентом, который самовоспламеняется при контакте с окислителем в полости камеры сгорания или газогенератора. При этом не происходит каких-либо задержек воспламенения рабочих компонентов.
В такой трубе-капсуле компонент отделен от остальной части трубопроводов подачи рабочих компонентов мембранами свободного прорыва (см. кн. Г.Г.Гахуна, с.324, рис.12.2), выполненными из фольги со специальной насечкой.
Основным недостатком такой конструкции является значительный разброс значения давления, при котором происходит прорыв мембран и, кроме того, большой длинновой габарит прямой цилиндрической трубы-капсулы, что затрудняет ее размещение в компоновке ЖРД и возможность попадания сколов мембран в форсуночные головки.
Задача, на решение которой направлена полезная модель заключаются в создании ЖРД с меньшей массой, габаритами, с повышенной полнотой сгорания топлива, с высокой удельной тягой и высокими запасами устойчивости горения, при упрощении конструкций сборочных единиц, при высокой эффективности смазки и охлаждения редуктора в ТНА, с обеспечением повышенной надежности работы и запуска двигателя при повышенном его ресурсе..
Поставленная задача, в основном, решается тем, что:
а) Камера сгорания и ТНА установлены относительно друг друга под углом 5-8°;
б) Корпус насоса окислителя скреплен с корпусом средней части камеры V-образной системой тандеров;
в) Тракт генераторного газа включает участок из Г-образного скругленного по углам колена с газогенератором и с газовой турбиной и сопряженного с камерой сгорания посредством кривоосного диффузорного газовода с углом изгиба 80-90° при расположении их осей в одной плоскости, причем плоскость вращения колеса газовой турбины установлена под прямым углом к плоскости стыковки выхлопного патрубка корпуса турбины и входного патрубка газовода и проходит через верхнюю половину проходного сечения патрубка газовода в плоскости стыковки.
г) Привод дополнительного насоса подачи горючего осуществлен через мультикатор с передаточным отношением 1,5-2,5;
6
6
3
3
5
д) В форсунках головки камеры сгорания два ряда тангенциальных отверстия расположены в центральном канале форсунок у места перехода меньшего диаметра в больший, длина камеры смещения l равна l=(1,4-l,5)d, где d - выходной диаметр форсунки. Центральный канал непосредственно перед тангенциальными отверстиями выполнен в форме диффузора (фиг.13). Входной диаметр d диффузора назначен из условия обеспечения максимальной суммарной проницаемости форсунок по газу
к
ф
где D - диаметр камеры, n - число форсунок.
4
Выходной диаметр d диффузоров назначен из условия обеспечения высоты ступеньки, равной диаметру тангенциальных отверстий
и, следовательно, начальной толщине закрученной жидкой пелены. Выступающая в газовод часть форсунок выполнена длиной не менее 0,5 общей длины центрального канала. Общая длина центрального канала выбрана из условия обеспечения максимальной акустической проводимости.
6
3
6
3
6
3
6
3
рк
Выполнение длины камеры смешения, равной l=(l,4…1,5)d, выбрано по экспериментальным данным. При l<1,4d полнота сгорания топлива существенно снижается (фиг.14), при l>1,5d начинается перегрев сопла форсунки. Двухрядное расположение тангенциальных отверстий в условиях открытого контакта жидкой пелены и газовой струи оптимизирует характеристики крутки и смешения жидкого компонента с газообразным. Первый ряд закрученных струй жидкости подвергается более сильному воздействию газового потока и больше перемешивается с ним, сохраняя при этом характеристики крутки второго ряда и длительность контакта закрученной жидкости с газом. Выполнение диффузора в центральном канале непосредственно перед тангенциальными отверстиями увеличивает длину контакта компонентов внутри форсунок при постоянном соотношении l/d и дополнительно повышает полноту сгорания топлива более чем на 0,5% (например, до φ=0,984 вместо 0,977). Наличие ступеньки на выходе из диффузора перед тангенциальными отверстиями также обеспечивает оптимальные характеристики закрученной жидкой пелены и способствует тем самым лучшему перемешиванию компонентов топлива внутри форсунки и, следовательно, повышению полноты сгорания топлива.
Выполнение максимальной проницаемости форсунок по газу, оптимизация длины центрального канала и выступания форсунки в газоводе обеспечивает увеличение выноса волновой энергии из камеры сгорания в газовод, максимальную диссипацию волновой энергии и повышение тем самым устойчивости рабочего процесса по отношению к высокочастотным акустическим колебаниям. Влияние этих факторов подтверждено натурными экспериментальными испытаниями двигателей.
5
K
5
K
6
3
5
K
6
3
5
K
На фиг.15 представлены сравнительные экспериментальные данные по амплитудам пульсаций давлений в камере сгорания двигателя замкнутой схемы в зависимости от температуры генераторного газа на входе в головку для форсунок длиной l/D=0,13 и l/D=0,23 с подрезкой разделительной втулки на l/d=0,66, 0,73 при l/D=0,13 и на l/d=0,98 при l/D=0,23.
5
K
6
3
6
3
газ
5
K
6
3
газ
газ
5
K
5
K
6
3
6
3
Указанные данные свидетельствуют, что в камере с форсунками неоптимальной по акустической проводимости длины (l/D=0,13) подрезка разделительной втулки на l/d=0,66 увеличивает амплитуду пульсаций при повышении режима по температуре окислительного газа с 200°С до 400°С в три раза, подрезка на l/d=0,73 - в 6 раз уже при t=300°С. С удлиненными форсунками (l/D=0,23), выступающими под средним днищем в газоводе (l/d=0,5), амплитуда пульсаций в камере увеличилась всего в 1,7 раза даже на режиме с t=540°С. На номинальном режиме с t=300°С удлинение форсунок с l/D=0,13 до l/D=0,23 снизило амплитуду пульсаций более чем в 5 раз. На фиг.14 приведена экспериментальная зависимость прироста полноты сгорания топлива от подрезки разделительной втулки с цилиндрическим и диффузорным каналом перед тангенциальными отверстиями. Из этого рисунка следует, что подрезка разделительной втулки до l/d=0,5 не влияет на полноту сгорания топлива, дальнейшее увеличение подрезки до l/d=1,46 повысило полноту сгорания топлива на 3%, выполнение диффузора в центральном канале непосредственно перед тангенциальными отверстиями - еще на 0,5%.
Кроме того. среднее днище камеры выполнено полусферическим с выпуклостью в сторону огневого днища;
е) В насосе горючего, содержащем турбину и насос, валы которых соединены между собой с помощью редуктора, размещенного в корпусе с подводящими и отводящими каналами, валы турбины и насоса расположены концентрично с образованием кольцевой полости, служащей подводящим каналом, а отводящий канал сообщен со входом насоса;
ж) В насосе окислителя привод вращения каскада низкого давления насоса выполнен в виде гидравлической турбины, размещенной между предвключенным шнеком и крыльчаткой каскада большого давления, при этом шнек снабжен закрывающей кольцевой обечайкой, которой он закреплен, например, с помощью шлиц в цилиндрическом выступе покрывного диска крыльчатки. И что центробежный насос содержит крыльчатку и вал, установленные в корпусе на подшипниках, разгрузочное устройство в виде поршня, расположенного в полости вала, при этом разгрузочное устройство дополнительно содержит неподвижную пяту, закрепленную в корпусе соосно поршню, а поршень выполнен в виде втулки с центральным отверстием и торцевыми опорными поясками, один из которых взаимодействует с аналогичным торцевым пояском, которым снабжена опорная пята;
з) В создании для линий питания горючим газогенератора трубы-капсулы с самовоспламеняющимся компонентом, и клапана прорыва ее мембран, обеспечивающих: точную по времени подачу самовоспламеняющего компонента на рабочие форсунки; компактность устройства в целом; возможность снятия с двигателя для перезарядки после сдаточно-огневых испытаний и вторичной его установки на двигатель; исключение возможности попадания осколков мембран на вход в форсуночные головки; получение возможности продувки внутренних полостей клапанов; упрощение конструкции клапанов; использование клапана прорыва мембран одной конструкции как на входе, так и на выходе из трубы-капсулы; отсутствие возможности разгермитизации корпуса клапана со стороны пиропривода.
Размещение ТНА под определенным углом к камере сгорания позволяет максимально возможно уменьшить длину тракта генераторного газа, т.е. уменьшить его гидравлическое сопротивление, массу.
Дополнительное подкрепление консольно закрепленного ТНА на камере V-образной системой подкосов-тандеров в районе насоса окислителя увеличивает надежность работы ЖРД.
Выполнение тракта газогенераторного газа из сопряженных Г-образного участка с колесом турбины и кривоосного диффузорного газовода с расположением их в одной плоскости и размещение колеса газовой турбины напротив верхней половины проходного сечения входного патрубка диффузора позволяет получить устойчивый и высокоэффективный процесс горения в камере сгорания при минимальных потерях полного давления в тракте генераторного газа за счет уменьшения коэффициента гидравлического сопротивления в 1,5-2 раза с равномерной раздачей газа по сечению камеры сгорания при простом конструктивном выполнении элемента тракта и форсуночной головки, и уменьшенной массе. Все эти преимущества обеспечиваются, кроме того, дополнительным комплексным подбором конструктивных мероприятий по выбору оптимальной формы газовода, выравнивающей решетки, конструкцией форсунок, параметров.
Привод дополнительного насоса через мультипликатор с передаточным отношением 1,5-2,5 от вала основного горючего позволяет выйти на такую частоту вращения, которая обеспечивает получение оптимальных характеристик ступени по к.п.д. (%:50-60) и массе при соответствующем снижении потребной мощности на ее привод, одновременно достигается понижение температуры окислительного газа на входе в турбину и массы всего ТНА. Размещение мультипликатора со стороны подвода горючего позволяет выполнить стенки корпуса мультипликатора с минимальными толщинами, поскольку внутренняя полость мультипликатора конструктивно сообщается с полостью низкого давления основного насоса горючего.
Выполнение камеры сгорания с максимальной проницаемостью форсунок по газу, оптимизация длины центрального канала и выступания форсунки в газоводе обеспечивает увеличение выноса волновой энергии из камеры сгорания в газовод, максимальную диссипацию волновой энергии и повышение тем самым устойчивости рабочего процесса по отношению к высокочастотным акустическим колебаниям. Влияние этих факторов подтверждено натурными экспериментальными испытаниями двигателей. Выполнение среднего днища головки камеры полусферической формы увеличивает жесткость форсуночной плиты, уменьшает гидравлические потери и увеличивает равномерность давлений горючего перед форсунками.
Конструкция насоса горючего, (содержащем турбину и насос, валы которых соединены между собой с помощью редуктора, размещенного в корпусе с подводящими и отводящими каналами, и в котором валы турбины и насоса расположены концентрично с образованием кольцевой полости, служащей подводящим каналом, а отводящий канал сообщен со входом насоса) позволяет изменять количество и параметры жидкости в широком диапазоне изменением сечения подводящего и отводящего каналов, а также изменением передаточного числа редуктора, что приводит к изменению развиваемого насосом давления.
В насосе окислителя вместо громоздкого редуктора с множеством шестерен, валов и опор здесь установлена одна гидравлическая турбина, что позволило значительно уменьшить габариты и вес агрегата и упростить его конструкцию. Отсутствие трущихся частей, таких как зубчатые зацепления шестерен и элементов подшипниковых опор снизило вероятность их износов и поломок, что повысило надежность работы. Разгрузочное устройство насоса повышает его надежность и ресурс работы.
В газогенераторе обеспечение перемешивания на коротком участке позволяет уменьшить длину газогенератора и массу. Надежное перемешивание горячего газа с холодным окислителем исключает зоны перегрева (прогаров), что повышает надежность работы. Исключение вибрационного (пульсационного) горения в районе головки и пульсаций газового потока дополнительно повышает надежность работы.
Обеспечение перемешивания на коротком участке позволяет уменьшить длину газогенератора и массу. Надежное перемешивание горячего газа с холодным окислителем исключает зоны перегрева (прогаров), что повышает надежность работы. Исключение вибрационного (пульсационного) горения в районе головки и пульсаций газового потока дополнительно повышает надежность работы.
Труба-капсула химического воспламенения хорошо вписывается в общую схему обвязки ЖРД из-за ее компактности (совместно с клапанами прорыва мембран) и обеспечивает точную подачу воспламеняющего компонента в соответствии с циклограммой двигателя. Осевое смещение срезанных частей мембран совместно с их штоками устраняет возможность запирания тракта отрывками мембран. Труба-капсула легко восстанавливается для повторного использования.
Клапан прорыва мембран позволяет использовать его как на входе, так и на выходе горючего в трубе-капсуле, т.е. он обратим по своему действию. Клапан не имеет срезаемых штифтов и легко взводится для повторного применения. Клапан не имеет возможности разгерметизации со стороны пиропривода и позволяет продувку тракта без наличия глухих полостей. Конструкция его проста, а следовательно, и надежна.
6
3
Сущность полезной модели ЖРД НК-33А поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид полезной модели, на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - элемент Б на фиг.1; на фиг.4 - схема расположения плоскости вращения колеса газовой турбины относительно проходного сечения в плоскости стыковки камеры сгорания и ТНА; на фиг.5 - схема размещения отверстий на развертке выравнивающей решетки при виде на стрелку В на фиг.3; на фиг.6 - разрез по одной из основных газожидкостных форсунок в головке; на фиг.7 - профиль осевой составляющей скоростного напора по линии Г-Г в плоскости симметрии газовода; на фиг.8 - профиль полного давления по линии Е-Е в плоскости симметрии газовода; на фиг.9 - профиль скоростных напоров по линии Ж-Ж в плоскости симметрии газовода; на фиг.10 - диаграмма предельных параметров безотрывных конических диффузоров ЖРД с дожиганием генераторного газа; на фиг.11 - упрощенная гидравлическая схема ЖРД с приводом дополнительного насоса через мультипликатор; на фиг.12 - камера сгорания; на фиг.13 - центральный канал форсунок; на фиг.14 - зависимость полноты сгорания от отношения l/d; на фиг.15 - зависимость амплитуды пульсаций давления от температуры; на фиг.16 - принципиальная схема ТНА; на фиг.17 - насос горючего; на фиг.18 - насос окислителя; на фиг.19 - разгрузочное устройство в насосе окислителя; на фиг.20 - элемент И на фиг.19; на фиг.21 - общий вид газогенератора; на фиг.22 - поперечный разрез К-К по распределителю в зоне радиальных перегородок; на фиг.23 - поперечный разрез Л-Л по распределителю с видом на смесительные элементы; на фиг.24 представлена схематически труба-капсула с клапанами принудительного прорыва мембран; на фиг.25 - клапан прорыва мембран, состыкованный с фланцем трубы-капсулы со стороны подачи горючего в газогенератор до прорыва мембраны; на фиг.26 - клапан прорыва мембран, состыкованный с фланцем трубы-капсулы со стороны выхода самовоспламеняющего компонента после прорезания мембраны в начальный период; на фиг.27 - схема установки трубы-капсулы с клапанами прорыва ее мембран в ЖРД с дожиганием в линии питания горючим газогенератора.
Жидкостный ракетный двигатель, преимущественно с дожиганием генераторого газа (см. фиг.1-10), включает камеру сгорания 1, турбонасосный агрегат 2 и газогенератор 3. ТНА консольно скреплен с камерой сгорания по газоводу 4 тракта генераторного газа в плоскости стыковки 5, причем ТНА с соосным ему газогенератором расположен сбоку от камеры сгорания. При этом ось камеры 6 и ось ТНА 7 образуют острый угол β=5-8°.
Кроме того, ТНА дополнительно, примерно в месте стыковки его основного насоса горючего 8 и насоса окислителя 9, скреплен с камерой сгорания в районе ее средней части 10 V-образной системой тандеров 11. Данная система состоит из двух тандеров 12 и 13. закрепленных своими концами на двух кронштейнах 14, установленных на средней части 10 камеры и одном кронштейне 15, установленном на корпусе насоса горючего 8 со стороны камеры сгорания.
Сам ТНА снабжен консольной осевой газовой турбиной 16 с ее валом 17, которая помещена в полом корпусе 18 турбины с его внутренней лобовой поверхностью 19, выхлопным патрубком 20 и плоскостью стыковки газовода 21 с корпусом газогенератора 22. Полый корпус газогенератора с полым корпусом турбины и выхлопным патрубком образуют Г-образное колено для протока генераторного газа с возможностью приведения колеса турбины 16 во вращение. Углы в колене, а именно в корпусе 18, плавно скруглены, а плоскость вращения Д-Д колеса турбины установлена под прямым углом к плоскости стыковки 5 выхлопного патрубка 20 турбины и входного патрубка 23 газовода 4 камеры сгорания. Газовод 4 выполнен кривоосным, диффузорным и состоит из последовательно скрепленных входного патрубка 23 и конического переходника 24. Внутри патрубка 23 установлена вогнутая по направлению потока выравнивающая решетка 25, которая ограничивает предфорсуночную полость 26. Угол изгиба газовода составляет 80-90°, причем осевые линии газовода 4, патрубка 20 турбины 16 и газогенератора 3 лежат в одной плоскости. Входной патрубок в плоскости стыковки 5 с ТНА выполнен с круглым проходным сечением 27, и плоскость вращения Д-Д колеса турбины расположена в таком продольном положении относительно газовода 4, что она проходит через верхнюю половину 28 проходного сечения 27 (условно заштрихованную).
Практически, это условие определяет осевое положение ТНА в пространстве около камеры сгорания. В целом, Г-образное колено, образованное корпусом газогенератора 22 и выхлопным патрубком 20 турбины и сопряженное с кривоосным газоводом 4, образует расположенный в одной плоскости тракт генераторного газа с выходом его на форсуночную головку 29. Газовод 4 выполнен длиной  по осевой линии, равной не менее 1, 3 наибольшего диаметра d переходника 24, и степенью расширения газовода
не более 4, 6,
1
где F - площадь поперечного сечения на входе в газовод по плоскости 5
Fo - площадь поперечного сечения на срезе переходника по диаметру d.
2
1
Конический переходник 24 изготовлен с углом расширения 25-40°, выравнивающая решетка 25 выполнена из листового материала, причем периферийная ее часть выполнена конической с соблюдением перпендикулярности стенки к стенке входного патрубка 24, а донная ее часть - сферической. Решетка установлена по осевой линии входного патрубка на удалении  от плоскости стыковки 5, равном не менее 0,8 от длины газовода , а от входа в газовые форсунки на расстоянии l по оси камеры сгорания, равном, как минимум, шести диаметрам d центральных отверстий 30 в решетке.
Решетка 25 выполнена с увеличенными коэффициентами живого сечения на участке 31, прилегающем к минимальному радиусу канала входного патрубка, и на периферийных участках 32 и 33 по сравнению с коэффициентом живого сечения на центральных участках 34 и 35. Основные газовые форсунки 36 форсуночной головки 29 изготовлены с относительной длиной газовых каналов форсунок
не менее 6,
3
2
где l - длина форсунки; d - диаметр газового канала форсунки.
Сама форсуночная головка выполнена с коэффициентом живого сечения, равным 0,18-0,2.
Конструктивно ТНА ЖРД 2 (фиг.11) состоит из двух основных модулей: насоса окислителя 9 с турбиной 16 и основного насоса горючего 8 с пусковой пиротурбиной 36. Каждый модуль содержит свою систему валов, а именно насоса окислителя 37 и основного насоса горючего 38, соединенных рессорой 40. Валы установлены на подшипниках (условно не показаны). Со стороны подвода горючего к системе валов основного насоса горючего через шестеренчатый мультипликатор 41 механически подключен дополнительный насос горючего 42. Гидравлически же вход 43 дополнительного насоса подключен к выходу 44 основного насоса горючего, а выход его через линию питания горючим 45, регулятор тяги 46 и отсечной клапан 49 подключен к двухкомпонентному газогенератору 3. Кроме того, выход 44 подключен через регулятор соотношения компонентов 50 и клапан 51 с трактом охлаждения камеры сгорания 1. Внутренняя полость корпуса 52 мультипликатора с размещенными в ней шестеренками гидравлически подключена ко входу основного насоса горючего 8. Выход насоса окислителя через клапан 53 подключен к газогенератору 3 по линии 54, а выхлоп из газогенератора - к головке камеры сгорания 1 по линии 55.
5
4
T
7
6
3
Камера сгорания 1 (фиг.12) содержит газовод 4, пристеночные 56 и основные 57 двухкомпонентные форсунки, среднее днище 58, огневое днище 59. Центральный канал 60 выполнен диаметром d на входе, имеет диффузор 61 с выходным диаметром d и камеру смешения 62 с тангенциальными отверстиями 68. На стыке диффузора 69 с камерой смешения 62 выполнена ступенька 70, равная диаметру тангенциальных отверстий d. Основные форсунки 57 выступают над средним днищем 58 и в газоводе 4 на длину l не менее 0,5 общей длины центрального канала. Длина камеры смешения 62 выполнена длиной l=(1,4…1,5)d. Проницаемость форсунок по газу, равная отношению суммарной площади центральных каналов форсунки к площади зоны горения 62 камеры, назначается по условию:
.
Общая длина центрального канала форсунки выбрана из условия обеспечения максимальной акустической проводимости.
Среднее днище 58 имеет полусферическую форму с выпуклостью в сторону огневого днища.
Турбонасосный агрегат 2 (фиг.16) разделяется на два самостоятельных модуля,, включающих насос горючего 8 и насос окислителя 9 с разгрузочным устройством 56. Насосы связаны между собой шлицевой рессорой и приводятся во вращение основной газовой турбиной. Насос горючего (фиг.17) содержит турбину (не показана) и насос 57, валы 58 и 59 которых соединены с помощью редуктора - мультипликатора 60, размещенного в корпусе 61, с подводящими и отводящими каналами, причем валы 58 и 59 турбины и насоса 57 расположены концентрично с образованием кольцевой полости 62, служащей подводящим каналом, а отводящий канал 63 сообщен со входом 64 насоса 57. Насос окислителя (фиг.18), содержит турбину 16 и двухкаскадный насос 65 с раздельными валами 66 и 67, каждый каскад включает предвключенный шнек 68, 69 и центробежную крыльчатку 70, 71. Насос 65 снабжен входным патрубком 72 и выходным патрубком 73. Привод вращения каскада низкого давления (шнек 68 и крыльчатка 70) насоса 65 выполнен в виде гидравлической турбины 74, размещенной между предвключенным шнеком 69 и крыльчаткой 71 каскада большого давления. Шнек 69 снабжен закрывающей его кольцевой обечайкой 75, которой он закреплен, например, с помощью шлиц в цилиндрическом выступе покрывного диска крыльчатки 71. Сам насос окислителя включает разгрузочное устройство (фиг.19, 20). Насос содержит крыльчатку 71, вал-шестерню 76, стянутые болтом 77 и гайкой 78, установленные в корпусе 79 на подшипниках 80 и 81. Вал-шестерня 76 и болт 77 снабжены каналами 82 и 83, соединяющими полость 84 перед разгрузочным устройством с патрубком 85 перед входом в крыльчатку 71.
Разгрузочное устройство содержит пяту 86, снабженную пояском 87, закрепленную в корпусе 79 винтом 88 и удерживаемую от поворотов штифтом 89. Поршень выполнен в виде втулки 90, установленной соосно пяте 86 и снабженной центральным отверстием 91 и торцевыми опорными поясками 92 и 93. При этом втулка 90 взаимодействует пояском 93 с пояском 87 пяты 86.
Газогенератор 3 содержит головку 94, камеру 95, распределитель 96. Головка 94 содержит переднее днище 97 с патрубком подвода горючего 98, среднее днище 99, огневое днище 100, форсунки окислителя 101, форсунки горючего 102. Между передним 97 и средним 99 днищами образована полость 103 для подвода горючего к форсункам 102, а между огневым днищем 100 и средним днищем 99 образована полость 104 для подвода окислителя к форсункам 101. В среднем днище 99 выполнены пазы 105 для подвода окислителя в полость 104. Камера газогенератора содержит корпус ГГ 22 с его наружным корпусом 106 и внутренней оболочкой 107, между которыми имеются каналы 108 для прохода окислителя. Распределитель 96, расположенный по оси газогенератора, содержит цилиндр 109 с полостью 110 избыточного компонента, смесительные элементы 111 и 112 в виде полых цилиндров, закрытых шатровыми головками и перфорированных отверстиями 113. Перед каждым смесительным элементом выполнены отверстия 114. Смесительные элементы расположены в шахматном порядке, а их высота уменьшается по потоку газа. Между огневым днищем 100 и смесительными элементами 111 расположены радиальные профилированные пластины 115 с каналами 116 подачи компонента из полости 110 в полость камеры газогенератора. Распределитель закрыт днищем 117 в виде усеченного конуса, обращенного вершиной в сторону огневого днище 100, а в месте перехода цилиндра в днище и в вершине конуса выполнены отверстия 118 и 119. Головка 94 газогенератора снабжена патрубком 120 для подвода окислителя в полость 104 к форсункам 101, а его избыточной части в полость 110 распределителя 109.
Труба-капсула 121 содержит П-образный трубопровод 122, заполненный, например, триэтилалюминием с входным 123 и выходным 124 крепежными фланцами под клапаны принудительного прорыва мембран 125 и 126 - входного 127 и выходного 128. Обе мембраны по наружным их диаметрам приварены к элементам фланцев, а по внутренним, в их центральных участках, к направляющим штокам. Так со стороны входного клапана 127 мембрана 125 скреплена с наконечником направляющего штока 129, а со стороны выходного клапана 128 мембрана 126 скреплена с наконечником направляющего штока 130. Шток 129 установлен в посадочном седле 131, а шток 130 в посадочном седле 132, причем оба седла выполнены с отверстиями перепуска топлива. В отличие от штока 130 шток 129 подпружинен с помощью винтовой пружины сжатия 133 и самоконтрящей гайки 134 с упором конца пружины в проточку седла 131.
8
Клапаны прорыва мембран трубы-капсулы на входе горючего 127 и на выходе 128 конструктивно, за исключением несущественных элементов, выполнены одинаково. Фактически каждый клапан содержит корпус 135 с Г-образным каналом 136 для протока горючего. К каналу 136 примыкает небольшая полость 137 с размещением в ней или обратного клапана, или дроссельных шайб (условно не показанные) и заканчивающаяся штуцером 138. Соосно части канала 136, примыкающей к фланцу 123 или 124, в корпусе 135 выполнено отверстие 139, которое имеет свое продолжение в корпусе пиропривода 140, скрепленного с корпусом 135. Внутри корпуса 140 выполнена полость 141, которая замкнута крышкой 142 с ее штуцером подвода 143 и перфорированной пластинкой равномерного распределения газа 144. Между корпусом 140 и крышкой 142 установлена гибкая диафрагма 145. Внутри отверстия 139 со стороны пиропривода размещен толкатель 146, контактирующий с одной стороны с диафрагмой 145, а с другой с торцом штока 147. На консольной части штока, на его конце, установлен цилиндрический полый поршень-нож 148. Сам шток имеет возможность перемещения в отверстии 139 соосно толкателю 146 и снабжен уплотнительными элементами 149. Поршень-нож 148 включает ряд окон 150 в его цилиндрической части, упорный буртик 151 и ступенчатый цилиндрический участок 152 со стороны режущей части, на которой смонтирована предохранительная втулка 153 из эластичного материала, например из фторопласта. Втулка в крайнем левом положении прикрывает собой режущую часть ножа в процессе хранения и транспортировки, но она имеет возможность ее сдвига в момент перехлопа диафрагмы по ступенчатому участку с упором к мембрану. Сам поршень-нож 148 выполнен с наружным диаметром буртика 151, который образует с внутренним проточным каналом корпуса клапана кольцевой зазор l с площадью, как минимум, равной площади вырезаемого ножом участка мембраны.
На ЖРД с химическим зажиганием топлива в газогенераторе 3 труба-капсула 121, заполненная, например, триэтилалюминием, устанавливается на линии 154 питания горючим газогенератора с клапанами прорыва мембран 127 и 128 во взведенном положении хлопающих диафрагм 145 (между регулятором тяги 155 и клапаном 156). Командное давление к клапанам подключено по линии 157 к пусковой пиротурбине 158.
ЖРД с дожиганием генераторного газа (фиг.3) работает следующим образом. Генераторный газ, выработанный в генераторе 3, выходит через газовую турбину 16, которая свою мощность передает на привод насосов ТНА. Пройдя турбины, закручивающий поток генераторного газа тормозится за счет инерционных сил и интенсивной крутки на внутренней поверхности 19 корпуса 18 и на поверхности, примыкающей к внутреннему радиусу газовода г. При этом по внутреннему радиусу газовода возникает заброс осевой составляющей скоростного напора большей величины, чем по наружному радиусу. Это явление подтверждается экспериментальными продувками с построением на фиг.7 профиля осевой составляющей скоростного напора по линии Г-Г в плоскости симметрии газовода в координатах .
T
T
r
газ
Приведенные параметры соответствуют значению  и π=1,8, где π - степень расширения в турбине; n - частота вращения колеса турбины; Т - температура газа за газогенератором и где
; ;
i
P - текущее значение радиуса канала;
нар
R - наибольший радиус канала в сечении.
Возникающая при этом радиальная составляющая скорости направлена нормально к поверхности внутреннего радиуса газовода и компенсирует центробежные силы, направленные от центра кривизны патрубка к наружному радиусу газовода. Этот эффект, как видно из фиг.8, приводит к безотрывноети потока на входе в выравнивающую решетку.
В частности, на фиг.8 приведена зависимость  где  и
i
P - текущее полное давление в сечении по радиусу канала;
ср
Р - среднее полное давление в сечении.
Как следует из формы кривой на фиг.8, закрутка потока оказывает положительное влияние на поле полных давлений. После выравнивающей решетки генераторный газ попадает в предфорсуночную полость 26, а из нее через форсунки 36 в область горения. Проходя через блок форсунок и испытывая дополнительное гидравлическое сопротивление, поток газа подвергается дополнительному выравниванию. На фиг.9 представлена экспериментальная зависимость  по линии Ж-Ж в плоскости симметрии газовода, которая фактически определяет степень выравнивания потока для случая газовода с подачей генераторного газа из турбины в виде сплошной линии. Для сравнения такая же зависимость приведена в виде пунктирной линии для случая подачи газа с равномерным полем скоростей по плоскости стыковки 5. Сравнение показывает существенное положительное влияние воздействия закрутки потока колесом турбины на равномерность раздачи газа по поперечному сечению в области горения, а, следовательно, и на стабильность процесса горения.
Поскольку безотрывность потока в газоводе, в основном, определяет стабильность горения в камере, на фиг.10 проведено сопоставление полученных данных по безотрывности течения в газоводе 4 с границей предельных параметров для конических диффузоров, разделяющей область отрыва потока от области безотрывного течения потока в конических диффузорах (см. книгу авторов М.Е.Дейча и Л.Е.Зарянкина "Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков машин", М., Энергия, 1970, стр.65 рис.2-10), широко используемых в технике и где
пр
α - приведенный угол диффузора;
вх
D - диаметр входного сечения диффузора;
- длина осевой линии диффузора;
Д
n - степень расширения потока в диффузоре.
1
1
Для газовода 23 предельная рабочая точка А при безотрывной работе по сравнению с границей Б имеет запас Δ.
Кроме того, в процессе работы ЖРД и при его запуске весь расход окислителя подается из насоса по линии 54 (фиг.11) на окислительный газогенератор 3. Одновременно горючее подается с выхода 44 из основного насоса горючего 8 на камеру сгорания 1 и на вход 43 дополнительного насоса 42. Получив в нем дополнительный напор на больших оборотах с большим к.п.д., горючее по линии 45 попадает на сгорание в газогенератор 3. Вращение ротора дополнительного насоса 42 с частотой большей, чем вращение ротора насоса 8, происходит за счет передаточного отношения мультипликатора порядка 1,5-2,5, что позволяет получить к.п.д. дополнительного насоса в %:50-60. Учитывая то, что внутренняя полость мультипликатора сообщена с внутренними полостями основного насоса горючего со стороны входа, то при работе внутри корпуса мультипликатора также устанавливается давление незначительного порядка, что позволяет выполнить этот корпус с минимальной массой.
Камера сгорания (фиг.12) работает следующим образом. Генераторный газ, обогащенный кислородом, поступает из газовода 4 по центральному каналу 60 форсунок 57 и через диффузор 61 в камеру смешения 62, жидкий компонент при помощи тангенциальных отверстий 68 в камере смешения 62 закручивается вокруг газовой струи и перемешивается с ней. Полученная смесь поступает в зону горения. Генерируемая в зоне горения волновая энергия выносится через центральные каналы 60 форсунок в газоводе 4, где происходит ее диссипация между выступающими над средним днищем 58 форсунками. Максимальный вынос волновой энергии обеспечивается оптимизацией длины и диаметра центрального канала для достижения максимальной акустической проводимости.
Турбонасосный агрегат работает следующим образом. В частности, в насосе горючего (фиг.17) турбина 16 вращает вал 59, от которого через редуктор 60 вращается вал 3 насоса 57, от которого по кольцевой полости 62, служащей подводящим каналом, перекачиваемая жидкость поступает в полость редуктора 60, охлаждая и смазывая его шестерни при заданном давлении и расходе, обеспечивающих эффективное охлаждение и надежную смазку. Затем жидкость из полости редуктора 60 отводится через отводящий канал 63 на вход 64 насоса 57. В насосе окислителя (фиг.18) жидкий криогенный компонент, например, жидкий кислород по патрубку 72 поступает на вход насоса 65 и через предвключенный шнек 68 каскада низкого давления поступает в крыльчатку 70, из которой по каналам в корпусе подается на вход в предвключенный шнек 69 каскада большого давления, а из него направляется в крыльчатку 71. На пути потока между шнеком 69 и крыльчаткой 71 установлена гидравлическая турбина 74, соединенная с валом 67 каскада низкого давления, которая и приводится во вращение этим потоком. Шнек 69 и крыльчатка 71 каскада большого давления приводятся во вращение турбиной 16. Разгрузочное устройство насоса окислителя (фиг.19 и 20) работает следующим образом. Во время работы насоса жидкость с повышенным давлением из патрубка 11 поступает на вход в крыльчатку 71, приводимую во вращение валом-шестерней 76, где дожимается до заданного давления и из крыльчатки 71 подается к потребителю. Одновременно жидкость по отверстиям 83 и 82 поступает в полость 84 перед разгрузочным устройством, откуда по отверстию 91 поступает в полость за втулкой 90, образованную поясками 93 и 87. Перепад давления между полостями 84 и полостью корпуса редуктора прижимает втулку 90 к пяте 86, снимая с вала-шестерни 76 усилие, равное произведению перепада давления между полостями и полостью корпуса редуктора на площадь втулки 90. Перепуск жидкости по отверстию 91 в полость между поясками 93 и 87 уменьшает силу поджатая втулки 90 к пяте 86, что позволяет уменьшить износ торцов поясков 93 и 87 в случаях поворота втулки 90 вместе с валом-шестерней 76. Выполнение во втулке 90 двух торцевых опорных поясков 92 и 93 позволяет в случае износа пояска 93, при регламентных работах, переворачивать пробку к пяте 86 пояском 92.
При работе газогенератора 3 (фиг.21) в составе двигателя горючее через патрубок 98 поступает в полость 103 головки 94, откуда через форсунки 102 распыленным подается в камеру 95. Окислитель через патрубок 120 поступает по пазам 105 в полость 104, откуда по форсункам 101 в распыленном виде подается в камеру 95 и частично по каналам 108 поступает на охлаждение внутренней оболочки 107. Большая (избыточная) часть окислителя поступает в полость 110 распределителя, откуда по элементам 111, 112 через отверстия 113 поступает в поток горячего газа, идущий со стороны головки 94. Часть окислителя из полости 110 поступает в поток по отверстиям 116 в пластинах 115. Этим обеспечивается равномерная раздача холодного окислителя по всему сечению камеры 95 и равномерное его перемешивание с потоком горячего газа на коротком по длине участке. Коническое днище 117 распределителя обеспечивает плавный поворот потока окислителя в полости 110 от осевого направления в радиальное (в элементы 111, 112). Часть окислителя, поступающая через отверстия 118 и 119 в зону за днище 117, сдувает зону завихрений за днищем. Перегородки 115 делят полость камеры 95 в районе головки 94 на ряд полостей и препятствуют распространению вибрационного горения из одной из этих полостей в другую.
Работа трубы-капсулы и клапана прорыва ее мембран осуществляется следующим образом (фиг.24-28). Перед запуском ЖРД через штуцеры 138 производят продувку линии горючего перед газогенератором или дренаж горючего в ходе работы из регулятора тяги в расходную магистраль ракеты.
В процессе запуска при достижении определенных давлений горючего в линии 154 и пороховых газов в линии 157 происходит перехлоп диафрагм 145 в клапанах 127 и 128, в результате чего поршень-нож 148 перемещается влево и сдвигает за счет упора о мембрану предохранительную втулку 153 до упора в буртик 151. При этом происходит вырезание круглых участков мембран 125 и 126. Освобожденный направляющий шток 129 под воздействием дружины 133 и давления, поступающего по стрелке 159 горючего, вместе с вырезанным круглым участком мембрана 125 сдвигается до упора влево и освобождает проходное сечение для горючего. В то же время вырезанный участок мембраны 126 вместо со штоком 130 под давлением горючего и воспламеняющего компонента уходит вправо до упора во внутренний торец поршня-ножа. Воспламеняющий компонент, перемешиваясь с горючим, поступает по стрелке 160 в клапан 156 на самовоспламенение с окислителем в полости газогенератора 3. В результате возрастания давления горючего в полостях 136 поршень-нож 148 возвращается в первоначальное положение до запуска, при этом также происходит перехлоп диафрагм 145 в ее начальное положение.
В случае повторных наземных огневых испытаний на одной и той же матчасти или использовании на спасаемых ракетах конструкция трубы-капсулы и клапанов прорыва мембран позволяет после небольшой доработки произвести перезарядку самовоспламеняющего компонента. В частности, со штоков 129 и 130 и с фланцев 123 и 124 срезаются остатки мембран 125 и 126 и привариваются новые, неразрушенные, при этом устанавливаются также новые предохранительные втулки 153.
Возникающие в процессе работы двигателя вибрации консольно закрепленного на камере ТНА взаимно гасятся V-образной системой тандеров.
Проведенная оптимизация основных конструктивных параметров трактов генераторного газа, выравнивающих решеток и форсуночных головок ЖРД позволяет обеспечить высокую удельную тягу и высокие запасы устойчивости горения при простом конструктивном их исполнении и меньшей массе.
Увеличение к.п.д. дополнительного насоса приводит к снижению
потребной мощности на его привод, температуры окислительного газа на входе в основную турбину и, как следствие, к снижению общей массы ТНА.
Выполнение максимальной проницаемости форсунок по газу, оптимизация длины центрального канала и выступания форсунки в газоводе обеспечивает увеличение выноса волновой энергии из камеры сгорания в газовод, максимальную диссипацию волновой энергии и повышение тем самым устойчивости рабочего процесса по отношению к высокочастотным акустическим колебаниям. Влияние этих факторов подтверждено натурными экспериментальными испытаниями двигателей.
Конструкция насоса окислителя позволяет изменять количество и параметры жидкости в широком диапазоне изменением сечения подводящего и отводящего каналов, а также изменением передаточного числа редуктора, что приводит к изменению развиваемого насосом давления.
Вместо громоздкого редуктора насоса окислителя с множеством шестерен, валов и опор здесь установлена одна гидравлическая турбина, что позволило значительно уменьшить габариты и вес агрегата и упростить его конструкцию. Отсутствие трущихся частей, таких как зубчатые зацепления шестерен и элементов подшипниковых опор снизило вероятность их износов и поломок, что повысило надежность работы. Эти факторы и обеспечили достижение поставленной цели. Разгрузочное устройство в насосе окислителя обеспечивает повышение ресурса работы насоса и надежность его.
Обеспечение перемешивания на коротком участке в газогенераторе позволяет уменьшить его длину и вес. Надежное перемешивание горячего газа с холодным окислителем исключает зоны перегрева (прогаров), что повышает надежность работы. Исключение вибрационного (пульсационного) горения в районе головки и пульсаций газового потока дополнительно повышает надежность работы.
Предложенная труба-капсула химического воспламенения хорошо вписывается в общую схему обвязки ЖРД из-за ее компактности (совместно с клапанами прорыва мембран) и обеспечивает точную подачу воспламеняющего компонента в соответствии с циклограммой двигателя. Осевое смещение срезанных частей мембран совместно с их штоками устраняет возможность запирания тракта отрывками мембран. Труба-капсула легко восстанавливается для повторного использования.
Предложенный клапан прорыва мембран позволяет использовать его как на входе, так и на выходе горючего в трубе-капсуле, т.е. он обратим по своему действию. Клапан не имеет срезаемых штифтов и легко взводится для повторного применения. Клапан не имеет возможности разгерметизации со стороны пиропривода и позволяет продувку тракта без наличия глухих полостей. Конструкция его проста, а следовательно, и надежна.