УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ЗАЖИГАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА В ЖРД
DEVICE FOR CHEMICAL FIRING OF PROPELLANT COMPONENTS IN LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям и может быть использовано для установки на входе в смесительную головку агрегата ЖРД для химического зажигания компонентов топлива.
Известна ампула с пусковым горючим для зажигания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), которая содержит цилиндрический корпус, установленные в нем два мембранных узла, мембраны которых герметично закреплены внутри корпуса по его периферии со стороны входа и выхода с возможностью их разрыва рабочей средой. Каждый из мембранных узлов выполнен в виде поршня, снабженного хвостовиком, направляющей втулкой и ребрами. Поршень соединен с мембраной, выполненной в форме кольцевой перемычки (Патент РФ №2159353С1 кл. 7 F02K 9/95 от 20.11.2000 г.).
К недостаткам известной ампулы с пусковым горючим следует отнести:
- значительные осевые габариты мембранных узлов, выполненных в виде поршня с хвостовиком направляющей втулки и ребрами, в связи с чем в ампуле на входе и особенно на выходе имеются пустотные объемы, которые после прорыва мембран должны заполняться пусковым горючим, что удлиняет процесс запуска двигателя вследствие более медленного поступления горючего в камеру сгорания или газогенератор (ГГ);
- совмещенное расположение средства заправки пусковым горючим ампулы и средства слива в одной перегородке корпуса вызывает некоторое повышение гидравлического сопротивления тракта, в связи с чем для его снижения возникает необходимость увеличения диаметра проходного сечения ампулы и ее корпуса, что влечет за собой увеличение массы корпуса магистрали, в которую вставляется ампула;
- отсутствие дренажных отверстий на входе в ампулу для вытеснения воздушного объема на ее периферию и последующего выброса в атмосферу. Наличие воздушного объема между пусковым горючим и основным компонентом ухудшает качество процесса горения пускового горючего в агрегатах ЖРД.
Известна ампула с пусковым горючим для зажигания компонентов топлива ЖРД, содержащая корпус, со входом и выходом, два мембранных узла, мембраны которых герметично закреплены по периферии в корпусе со стороны входа и выхода («Конструкция и проектирование ЖРД», под ред. Г.Г. Гахуна. Машиностроение, 1989, с.75, рис.4, 5, прототип). Здесь в трубопроводе горючего «врезан» или выделен объем, отделенный прорывными мембранами от остальной части трубопровода. Этот объем заполняется пусковым горючим, которое самовоспламеняется с используемым в двигателе окислителем.
Основными недостатками известного технического решения являются следующие:
- наличие пустотных объемов на входе и выходе из ампулы (воздушные пазухи, полости трубопроводов и т.д.) вследствие чего удлиняется процесс запуска двигателя, снижается качество и надежность горения топлива;
- однократность запуска, после чего для повторного запуска двигателя ампулу и мембранные узлы необходимо вырезать из магистралей, заменять новыми и вваривать вновь, что усложняет процесс перезарядки;
- отсутствие прочного корпуса (тубуса), в который вставляют ампулу с пусковым горючим, вызывает потребность в увеличении толщины ее стенок и массы при установке в магистралях с высоким давлением рабочей среды (порядка 600 кг/см2 и более).
Задачей предложенного технического решения является уменьшение времени, улучшение условий и повышение надежности зажигания топливных компонентов жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), а также обеспечение многократности применения устройства.
Поставленная задача достигается тем, что:
- устройство для химического зажигания компонентов топлива в ЖРД содержит тубус, выполненный цилиндрическим, в который вставлена цилиндрической формы ампула с пусковым горючим, поджатая ввернутым в корпус тубуса отсечным клапаном и состоящая из корпуса, мембранных узлов на входе и выходе мембраны которых герметично закреплены по периферии корпуса ампулы с возможностью разрыва их рабочей средой, при этом на входе в тубус установлен профилированный переходник, уменьшающий пустотный объем с воздухом на входе в ампулу до минимального;
- корпус тубуса своим выходом установлен через угольник непосредственно на головке газогенератора;
- тубус установлен и закреплен на газогенераторе в положении, близком к вертикальному;
- между пусковой ампулой, отсечным клапаном и тубусом совместно с резиновыми уплотнительными кольцами установлены поддерживающие кольца из фторопласта;
- по периферии на входе в ампулу и в корпусе тубуса выполнены дренажные отверстия, а на корпусе тубуса приварены угольники для подсоединения дренажных трубопроводов;
- в ампуле с пусковым горючим перегородки с заправочным и сливным устройствами разнесены по длине ампулы и выполнены с минимальными осевыми габаритными размерами и площадью проходных сечений, при этом заправочное устройство установлено на границе зон пускового горючего и подушки инертного газа;
- в ампуле с пусковым горючим мембранные узлы выполнены с минимальными осевыми габаритными размерами, при этом в хвостовиках поршней установлены спиральные пружины с отогнутыми стопорными кольцами.
На фиг.1 представлена компоновка устройства для химического зажигания компонентов топлива в газогенераторе, соединенном с турбонасосным агрегатом (ТНА).
На фиг.2 приведен продольный разрез устройства, для химического зажигания компонентов топлива.
На фиг.3 показан тубус ампулы ГГ.
На фиг.4 представлен продольный разрез ампулы с пусковым горючим, состоящей из следующих основных деталей и сборочных единиц, где:
1 - устройство для химического зажигания компонентов топлива;
2 - угольник;
3 - газогенератор;
4 - турбонасосный агрегат;
5 - штуцер дренажа воздушного пузыря;
6 - тубус ампулы газогенератора (ГГ);
7 - ампула с пусковым горючим;
8 - корпус;
9 - отсечный клапан;
10 - пиропатрон;
11 - корпус ампулы;
12 - мембранные узлы;
13 - труба;
13а - мембраны;
14 - профилированный переходник;
15 - резиновые уплотнительные кольца;
16 - фторопластовые кольца;
17 - отверстия дренажные;
18, 18а - дренажные отверстия;
19 - отверстия продувки.
20 - дренажные угольники;
21 - перегородки корпуса;
22 - заправочное устройство;
24 - зона пускового горючего;
25 - зона подушки с инертным газом;
26 - сливное устройство;
27 - поршень;
28 - хвостовик поршня;
29 - спиральная пружина;
30 - коллектор дренажа воздуха;
31 - коллектор дренажа смеси воздуха с горючим;
32 - коллектор подвода горючего в ГГ;
33 - штуцер выхода «Г» на газогенератор;
34 - перегородка;
35 - трубопровод;
h - зазор между ампулой с пусковым горючим и профилированным переходником;
А - зазор между тубусом и пусковой ампулой;
Т - торец профилированного переходника;
l - длина штуцера;
П1 - полость ампулы с нейтральным газом;
П2 - полость между ампулой и отсечным клапаном.
Устройство для химического зажигания компонентов топлива 1 при помощи угольника 2 и крепления установлено на газогенераторе 3 (фиг.1), который соединен с ТНА 4. Для дренажа газового пузыря на корпусе устройства приварен штуцер 5.
Устройство для химического зажигания 1 (фиг.2) содержит тубус ампулы газогенератора (ГГ) 6 цилиндрической формы, в которой вставлена цилиндрической формы ампула с пусковым горючим 7, поджатая ввернутым в корпус 8 (фиг.3) тубуса отсечным клапаном 9 (фиг.2).
В отсечном клапане 9 установлен пиропатрон 10 для обеспечения его срабатывания.
Ампула с пусковым горючим (фиг.4) 7 состоит из корпуса 11, мембранных узлов 12 на входе и выходе, мембраны 13 а которых герметично закреплены по периферии ее корпуса.
На входе в тубус ампулы газогенератора (ГГ) 6 установлен профилированный переходник 14 (фиг.3), а между ним и корпусом 8 вварена труба 13.
Для дренажа воздушного пузыря из тубусов 6 устройства 1 установлен и закреплен на газогенераторе 3 в положении, близком к вертикальному.
Между ампулой с пусковым горючим 7, отсечным клапаном 9 и тубусом 6 установлены резиновые уплотнительные кольца 15 и поддерживающие их фторопластовые кольца 16 (фиг.2).
Для дренирования воздушно-горючей смеси по периферии на входе в ампулу 7 выполнены дренажные отверстия 17 (фиг.4), а в корпусе 8 тубуса 6 - дренажные отверстия 18, 18а, отверстие продувки 19 (фиг.3). На корпусе 18 тубуса 6 приварены дренажные уголки 20 для подсоединения к ним дренажных трубопроводов.
В ампуле с пусковым горючим 7 перегородки 21 корпуса 11 разнесены по длине для увеличения объема пускового горючего и выполнены с минимальным осевыми и габаритными размерами для уменьшения массы ампулы.
Заправочное устройство 22 установлено на границе зоны 24 пускового горючего и зоны 25 подушки с инертным газом. Сливное устройство 26 расположено в нижней точке ампулы с учетом пространства для хода поршня 27.
Мембранные узлы 12 выполнены с минимальными осевыми габаритными размерами для уменьшения длины ампулы, при этом в хвостовиках 28 поршней 27 (фиг.4) установлены спиральные пружины 29 с отогнутыми стопорными кольцами для удержания поршней 27 в крайних положениях после прорыва мембраны 13а от давления пускового горючего. Для направления хода поршней 27 предназначены перегородки 34.
Для организации дренажа и подвода горючего в газогенератор между корпусом 8 тубуса 6 (фиг.2), ампулой пускового горючего 7 и отсечным клапаном 8 выполнены коллекторы 30, 31, 32.
На выходе пускового горючего из корпуса тубуса 6 (фиг.2) на газогенератор имеется штуцер выхода «Г» 33.
Ко входу в тубус 6 ампулы газогенератора присоединен трубопровод подвода основного компонента «Г» на газогенератор.
Между ампулой с пусковым горючим (фиг.2) и профилированным переходником 14 обеспечен минимальный зазор h с учетом технологических припусков деталей и усадки материала в сварных швах.
Отвод воздуха из объема между профилированным переходником 14 и ампулой с пусковым горючим 7 осуществляется через полость, образованную между тубусом 6 и ампулой (зазор А). Штуцер 33 выхода «Г» на газогенератор 1 выполнен минимальной длины для уменьшения времени прохождения горючего.
Для компенсации температурных изменений объема пускового горючего в ампуле предусмотрена полость П1 с нейтральным газом (фиг.4).
Между ампулой с пусковым горючим 7 и отсечным клапаном 9 имеется полость П2, из которой через отверстие 18а дренируется воздушно-горючая смесь пред запуском газогенератора.
Устройство для химического зажигания компонентов топлива в ЖРД работает следующим образом(см. фиг.1).
Горючее под давлением от ТНА через регулятор (на фиг.1 не показан) поступает в полость «П» на входе в тубус 6 ампулы ГГ (см. фиг.2) через профилированный переходник 14.
Переходник своим торцем Т заходит внутрь ампулы с пусковым горючим 7, не перекрывая при этом ее дренажных отверстий 17. Заполняя полость «П» горючее выталкивает находящийся в ней воздушный пузырь через дренажные отверстия 17 в зазор А между тубусом 6 и ампулой с пусковым горючим 7.
1
Поскольку тубус 6 установлен в положении, близком к вертикальному, то воздушный пузырь, проходя пространство образованное зазором А, поступает в коллектор 30, далее в штуцер 5 и дренируются через подсоединенный к нему трубопроводов фиг.1 не показан) в стендовую систему при наземных испытаниях двигателя или в дренажную систему двигателя в полете изделия. Дальнейшее нарастание давления на входе в ампулу с пусковым горючим вызывает разрыв мембраны 13а (см. фиг.4) и сдвижку поршня 27 до упора в перегородку 34. Освободившиеся при этом отогнутые концы спиральной пружины 29 расходятся в стороны и зацепляются за торец Т1, не позволяя поршню 27 совершать обратное движение навстречу потоку под действием гидроудара потока. При дальнейшем движении горючего происходит нарастание давления в ампуле с пусковым горючим 7, что приводит к сжатию нейтрального газа в полости «П» (зона 26), после чего происходит прорыв мембраны 13а мембранного узла 12 на выходе из ампулы и сдвижка поршня 27 до упора в перегородку 34.
Унитарное, однокомпонентное пусковое горючее, загорающееся при контакте с воздухом поступает в коллектор 32 между отсечным клапаном 9 и корпусом 8 тубуса 6 ампулы ГГ, а поскольку на запуске газа генератора клапан находится в открытом состоянии, то пусковое горючее дальше поступает в газогенератор 3, где соединяясь с воздухом, самовоспламеняется, горит и создает благоприятные условия для сгорания поступающих в камеру IT компонентов топлива (окислителя и горючего). Помимо дренажа газового пузыря через штуцер 5 тубуса ГГ, по мере прохождения далее коллектора 30 по зазору между тубусом и корпусом ампулы смесь воздуха с горючим дренируется через отверстие 18 (см. фиг.3) и дренажный угольник 20 «ДГ1» и подсоединенный трубопровод в общую коробку дренажей (на фиг.1 не показаны). Через отверстие 18а в корпусе тубуса 6 и угольник 16 «ДГ2» дренируется воздух, находящийся в коллекторе 31 и полости П2 между ампулой пускового горючего 7 и отсечным клапаном 9, который через присоединенный трубопровод (на фиг.1 не показан) сбрасывается в общую коробку дренажей. Вышеприведенные мероприятия по дренированию воздушных пузырей, смеси горючего с воздухом направлены на обеспечение однородности и высокого качества поступающего в газогенератор пускового и рабочего горючего, т.е. без воздушных включений, что положительно для горения топливных компонентов без частот и вибраций. Максимальное приближение торца Т профилированного переходника 14 к ампуле с пусковым горючим (зазор h составляет 5 мм) на ее входе, укорочение трубопровода 35 (см. фиг.1) и уменьшение длины 1 штуцера 33 (см. фиг.2) на выходе из корпуса тубуса 6 на ГГ до минимального значения позволяют уменьшить присоединенные объемы, что уменьшает время поступления пускового горючего в газогенератор и интенсифицирует процесс зажигания в нем топливных компонентов.
Сокращение длины двух перегородок 21, а также осевых габаритных размеров мембранных узлов 12 позволили увеличить объем заправляемого в ампулу 7 пускового горючего, который в устройстве увеличен в 1,5-2 раза по сравнению с минимально необходимым для поджига топливных компонентов. Такое увеличение количества пускового горючего положительно сказывается на повышении надежности их зажигания в камере газогенератора.
Установка рядом с резиновыми кольцами 15 фторопластовых колец 16 исключает разрушение первых и продавливание их в щелевой зазор между тубусом и отсечным клапаном, т.е. повышает надежность работы уплотнений и улучшает герметичность соединений.
Уменьшение проходных сечений отверстий D (см. фиг.4) до необходимого значения позволило снизить диаметральные размеры перегородок 21, корпуса 11, мембранных узлов 12, что в конечном счете привело к уменьшению массы ампулы, тубуса и устройства в целом.
1
Заправка ампулы пусковым топливом производится в ее вертикальном положении (зона 24) до заправочного устройства 22, затем в полость П нагнетается нейтральный газ, который обеспечивает компенсацию объемных изменений пускового горючего в зависимости от температуры окружающей среды и, тем самым, предотвращает разрушение ампулы от изменения внутреннего давления.
Применение спиральной пружины 29 с отгибными кольцами повышает надежность работы мембранных узлов после их срабатывания, т.к. обеспечивает удержание поршней 27 в сдвинутом состоянии и постоянство площадей проходных сечений перегородок 34 на входе и выходе ампулы с пусковым горючим.
Предложенное устройство для химического зажигания компонентов топлива в ЖРД является многократным при использовании его при огневой стендовой отработке ЖРД, т.к. обеспечивает возможность перезарядки новыми ампулами с пусковым горючим после демонтажа отработанных ампул, промывки, продувки полостей и замены уплотнительных колец разового применения.