ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LIQUID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распиливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
В основу изобретения положена задача реализации смесеобразования, заключающегося в том, чтобы из форсунки в огневое пространство камеры сгорания выходила кольцевая струя окислительной среды, внутри которой располагалась струя горючего, а окружала струю окислительной среды также кольцевая струя горючего.
Целесообразно, чтобы так работала как обычная форсунка, так и форсунка, выступающая в огневое пространство камеры сгорания, которая чаще всего предназначается для образования антипульсационных перегородок в огневом пространстве камер сгорания жидкостных ракетных двигателей.
Необходимость разработки таких форсунок продиктована как целесообразностью улучшения смесеобразования в камере сгорания, в частности, для повышения удельного импульса тяги двигателей, работающих на двух компонентах, так и потребностью в создании трехкомпонентных форсунок для жидкостных ракетных двигателей, в которых используются три компонента топлива.
В случае применения двухкомпонентного топлива в предлагаемых форсунках в качестве окислительной среды используется окислительный газогенераторный газ, а в обеих окружающих его струях одно и то же горючее.
В случае применения трехкомпонентного топлива (один окислитель и два разных компонента горючего) в качестве окислительной среды используется газогенераторный окислительный газ, один из компонентов горючего идет в наружной кольцевой струе, а другой - во внутренней.
Из анализа уровня техники известны двухкомпонентные форсунки с глухим осевым каналом и тангенциальными сквозными отверстиями, простирающимися от наружной поверхности форсунки до пересечения с этим осевым каналом. Таковой форсункой является форсунка камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей РД-107, РД-108 (см., например, энциклопедию "Космонавтика", М., 1985, стр.426, параграф "Форсуночная головка"). Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретения.
Недостаток аналога в том, что в нем не может быть использован третий компонент топлива, а также в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя.
Из анализа уровня техники известна также газожидкостная двухкомпонентная струйно-струйная форсунка жидкостного ракетного двигателя РД-253 (см. учебник для ВУЗов, авторы Г.Г.Гахун, В.И.Баулин, В.А.Володин и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М., 1989 г., стр.136, рис.7.14, поз.1). Эту форсунку принимаем также в качестве аналога.
Недостаток аналога в том, что в нем нельзя использовать третий компонент топлива, а кроме того, эта форсунка имеет резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостных ракетных двигателей, работающих на двухкомпонентном топливе.
Известны форсунки, образующие антипульсационные перегородки головки двигателя SSME (см. Г.Г.Гахун, В.И.Баулин, В.А.Володин и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М., 1989 г., стр.135, рис.7.12, поз.3). Эти форсунки - двухкомпонентные, выдвинутые выходной своей частью в огневое пространство камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретения.
Известна газожидкостная форсунка смесительной головки кислородно-водородного двигателя (см. Г.Г.Гахун, В.И.Баулин, В.А.Володин и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М., 1989 г., стр.136, рис.7.13, поз.2). Форсунка содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с осевым каналом и коаксиально закрепленную внутри корпуса глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом. В пилонах выполнены сквозные отверстия, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входными сквозными отверстиями в пилоне.
Недостаток прототипа в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги двигателя, а кроме того, в нем нельзя использовать третий компонент топлива.
Известна топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, при этом основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом (Патент РФ №2232916, МПК: F02K 9/52).
Основными недостатками указанной форсунки является то, что форсунка не имеет настроечных элементов для настойки форсунки по линии горючего и окислителя на заданный расход, что приводит к нерасчетному соотношению компонентов и потерям удельного импульса тяги. Кроме этого, полость керосина в форсунке используется только на режиме работы двигателя на компонентах кислород-керосин-водород, на которой двигатель работает достаточно короткое время. При работе двигателя на компонентах кислород-керосин, на режиме второй и последующих ступеней такое выполнение выходной части форсунки приводит к значительным потерям экономичности, сопоставимым в ряде случаев с выигрышем от применения третьего компонента топлива, имеющего большую плотность, на режиме первой ступени.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру со смесительной головкой, включающей корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, огневое днище, коаксиальные соосно-струйные форсунки, расположенные в смесительной головке по концентрическим окружностям и образующие центральную и периферийную зоны, и включающие полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, как минимум один газогенератор, как минимум один турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1989 г., 420 стр. ЖРД SSME, стр.93-94 - прототип).
Указанный двигатель работает следующим образом.
Окислитель из полости блока подачи окислителя по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.
Горючее из полости блока охлаждения огневого днища по втулкам форсунок подается в камеру сгорания. Генераторный газ из полости блока генераторного газа по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания.
Основными недостатками данного ЖРД является недостаточно высокое значение полноты рабочего процесса, обусловленное несовершенством принятой системы смесеобразования.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание жидкостного ракетного двигателя, применение которого позволит обеспечить повышенную экономичность рабочего процесса при работе форсунки как в качестве трехкомпонентной, на компонентах топлива кислород-керосин-водород, так и в качестве двухкомпонентной, на компонентах топлива кислород-водород.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем как минимум один газогенератор, как минимум один турбонасосный агрегат, органы питания и регулирования, регенеративно охлаждаемую камеру, включающую профилированную регенеративно охлаждаемую цилиндрическую часть, профилированное регенеративно охлаждаемое сопло, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, блок подачи водорода, блок подачи керосина, соосно-струйные форсунки, установленные в указанных блоках смесительной головки по концентрическим окружностям, и содержащие имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную за одно целое с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, при этом основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым изменением проходного сечения, согласно изобретению, ступенчатое изменение проходного сечения трубчатого корпуса указанных форсунок выполнено с уменьшением проходного сечения упомянутого корпуса от пилонов к выходной части, преимущественно, в виде одного конфузора, при этом в упомянутое расширение направлены выполненные параллельно относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до сообщения с основным осевым каналом, со стороны осевого входа трубчатого корпуса выполнен настроечный элемент в виде фаски, выполненной с возможностью изменения ее геометрических параметров при настройке, трубчатый корпус выполнен разъемным, на наружной поверхности глухой трубки, размещенной в выходной части трубчатого корпуса, выполнены пилоны, взаимодействующие своей выходной частью с внутренней поверхностью трубчатого корпуса, причем продольные оси упомянутых пилонов установлены под углом к продольной оси форсунки, при этом в пилонах выполнены каналы, входная часть которых соединяется с полостью глухой трубки, а выходная - с кольцевой полостью, образованной трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом глухая трубка выполнена разъемной, состоящей из пилонной части и наконечника, причем в месте их стыка установлен жиклер.
В варианте исполнения глухая трубка форсунки закреплена коаксиально корпусу внутри него на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия.
В варианте исполнения глухая трубка форсунки закреплена внутри корпуса на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса в месте ступенчатого расширения выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем осевые отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.
В варианте исполнения трубчатый корпус форсунки выполнен из двух частей, входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее входной части.
В варианте исполнения трубчатый корпус форсунки снабжен, по крайней мере, одним кольцевым утолщением.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан осевой продольный разрез предложенного ЖРД, на фиг.2 - выносной элемент А смесительной головки, на фиг.3 - выносной элемент Б - форсунка смесительной головки, на фиг.4 - выносной элемент В - выходная часть форсунки в увеличенном масштабе, на фиг.5 - разрез Г-Г - поперечный разрез выходной части форсунки.
Смесительная головка камеры предложенного жидкостного ракетного двигателя включает соосно-струйные форсунки, содержащие имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. Внутри корпуса 1 не менее чем на одном пилоне 3 закреплена коаксиально корпусу глухая трубка 4, выполненная за одно целое с пилоном 3 и трубчатым корпусом 1. В пилоне 3 выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие 5, простирающееся вдоль пилона 3 от наружной поверхности форсунки до осевого канала 6 в глухой трубке 4 со стороны ее глухого конца. Осевой канал 6 глухой трубки 4 образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне. Основной осевой канал 2 трубчатого корпуса 1 со стороны выхода выполнен со ступенчатым изменением проходного сечения. Ступенчатое изменение проходного сечения трубчатого корпуса 1 выполнено с уменьшением проходного сечения корпуса 1 от пилонов к выходной части в виде одного конфузора 7. На выходной части трубчатого корпуса 1 установлена втулка 8 с образованием между наружной поверхностью корпуса 1 и внутренней поверхностью втулки 8 кольцевой полости 9, в которой размещены винтовые каналы 10. Со стороны осевого входа трубчатого корпуса 1 выполнен настроечный элемент 11 в виде фаски, выполненной с возможностью изменения ее геометрических параметров при настройке. Трубчатый корпус 1 выполнен разъемным. На наружной поверхности глухой трубки 4, размещенной в выходной части трубчатого корпуса 1, выполнены пилоны 12, взаимодействующие своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью трубчатого корпуса 1. Продольные оси упомянутых пилонов 12 установлены под углом к продольной оси форсунки. В пилонах 12 выполнены каналы 13, входная часть 14 которых соединяется с полостью трубки 4, а выходная 15 - с кольцевой полостью 16, образованной трубчатым корпусом 1 и глухой трубкой 4. Глухая трубка 4 выполнена разъемной, состоящей из пилонной части 17 и наконечника 18, причем в месте их стыка установлен жиклер 19.
Форсунки установлены в блоке окислителя 20, блоке водорода 21 и блоке керосина 22 по концентрическим окружностям, причем указанные блоки соединены между собой при помощи сварки.
Камера также содержит профилированную регенеративно охлаждаемую цилиндрическую часть 23 с критическим сечением 24 и соплом 25.
В состав двигателя также входит один газогенератор 26, один турбонасосный агрегат 27, агрегаты питания и регулирования 28.
Предложенный жидкостный ракетный двигатель работает следующим образом.
Первое горючее, преимущественно водород или продукты его сгорания, при помощи турбонасосного агрегата 27, приводимого в действие продуктами сгорания газогенератора 26 и управляемого при помощи агрегатов питания и регулирования 28, подается из корпуса блока 21 по осевому каналу 2 корпуса 1 к пилонам 12. Проходя пилоны 12, струя горючего приобретает вращательное движение и поступает в камеру сгорания. Настройка форсунки на заданный расход первого горючего осуществляется изменением геометрических размеров настроечного элемента 11, выполненного в виде фаски.
Второе горючее, преимущественно керосин, при помощи турбонасосного агрегата 27, приводимого в действие продуктами сгорания газогенератора 26 и управляемого при помощи агрегатов питания и регулирования 28, подается из блока керосина 22 в кольцевую полость 9, образованную втулкой 8 и наружной поверхностью трубчатого корпуса 1, проходит по винтовым пазам между винтовыми каналами 10, приобретает вращательное движение и подается в камеру сгорания.
Окислитель при помощи турбонасосного агрегата 27, приводимого в действие продуктами сгорания газогенератора 26 и управляемого при помощи агрегатов питания и регулирования 28, подается из блока окислителя 20 внутрь глухой трубки 4 трубчатого корпуса 1 по отверстию 5. Из полости глухой трубки 4 по осевому каналу 6 поступает по направлению к камере сгорания. Настройка форсунки на заданный расход окислителя осуществляется изменением геометрических размеров настроечного элемента 19, выполненного в виде жиклера. В районе пилонов 12 часть расхода окислителя поступает во входную часть 14 каналов 13, проходит по ним и поступает из выходной части 15 указанных каналов 13 в поток первого горючего, подаваемого через кольцевую полость между наконечником 18 и трубчатым корпусом и внутренней поверхностью трубчатого корпуса 1.
За счет расположения осей пилонов 12 под углом к продольной оси форсунки часть расхода окислителя, подаваемого через каналы 13, приобретает вращательное движение, что приводит к улучшению условий смесеобразования. Кроме этого, отбор части расхода окислителя на каналы 13 позволяет уменьшить расход, поступающий через осевой канал 6 глухой трубки 4, что позволяет уменьшить длину нераспавшейся части основной струи окислителя и тем самым улучшить условия ее распадения.
Продукты сгорания компонентов топлива из смесительной головки поступают в профилированную регенеративно охлаждаемую цилиндрическую часть 23, проходят через критическое сечение 24 и расширяются в сопле 25, создавая при этом тягу.
Использование предложенного технического решения позволит обеспечить повышенную экономичность рабочего процесса при работе жидкостного ракетного двигателя как в качестве трехкомпонентного, на компонентах топлива кислород-керосин-водород, так и в качестве двухкомпонентного, на компонентах топлива кислород-водород.