СТЕНД ДЛЯ ВЫСОТНЫХ ИСПЫТАНИЙ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ СОПЛАМИ
TEST BENCH FOR ROCKET ENGINES WITH THIN-WALL NOZZLES

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей с имитацией высотных условий.
Для имитации высотных условий при испытаниях ракетных двигателей широко применяются стенды с барокамерами и выхлопными диффузорами.
Известен стенд, в котором диффузор охлаждается методом проточного охлаждения (см. Конструкция и отработка РДТТ./ Под редакцией А.М.Виницкого. М.: Машиностроение, 1980. - Рис.7.13 с.111, с.112). Стенд обеспечивает безотрывное истечение из сопла на установившемся режиме, но в момент окончания работы двигателя имеет место заброс горячих газов из сопла в полость барокамеры, что может привести к повреждению конструкции. Кроме того, если в продуктах сгорания топлива имеется большое количество конденсированной фазы (например, в продуктах сгорания некоторых смесевых твердых топлив содержится до 40% окиси алюминия), значительно возрастает тепловой поток в области присоединения струи и прямого выпадения конденсированной фазы на начальном участке диффузора. В этом случае для начального участка диффузора, как наиболее теплонапряженного, требуется более эффективное, например внутреннее, охлаждение (см. Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985, с.86, 87).
Известен стенд с барокамерой и выхлопным охлаждаемым диффузором с внутренним охлаждением (см. Центр испытаний ракетных двигателей в Носиро (Япония): Обзор. - ВРТ, 1974, №9, с.71,72).
Охлаждение диффузора производится созданием низкотемпературного пристеночного слоя с помощью впрыска охлаждающей жидкости через форсунки, расположенные сразу за срезом сопла испытуемого двигателя на начальном участке диффузора. В качестве охлаждающей жидкости используется, например, вода. Форсунки выполнены в виде отверстий в буртике внутренней стенки диффузора, оси форсунок параллельны стенкам диффузора, причем выходные сечения форсунок приближены к области, где продукты сгорания начинают соприкасаться со стенками диффузора для исключения попадания паров воды в барокамеру и исключения роста в барокамере давления разрежения (см. Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985. - Рис.2.20 с.88, с.89). Температура стенок диффузора к моменту окончания работы двигателя не превышала 200°C, что говорит об эффективности применяемого внутреннего способа охлаждения. Но такой стенд позволяет испытывать двигатель только на установившемся режиме работы, когда истекает полнорасходная струя продуктов сгорания.
В период выключения двигателя, когда область соприкосновения продуктов сгорания со стенками диффузора сдвигается от сопла двигателя на большее расстояние, в барокамеру попадают пары воды и давление в барокамере возрастает. С дальнейшим падением давления в испытуемом двигателе происходит срыв работы диффузора и заброс горячих газов из сопла в полость барокамеры. Особенно критичны к такому силовому и тепловому воздействию являются двигатели с соплами, имеющими тонкостенные насадки, что ведет к разрушению последних. Не выполняется одно из главных требований, предъявляемых к высотным стендам (см. Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985, с.9).
Известен стенд, состоящий из барокамеры, выхлопного диффузора, кольцевого эжектора и соединенного с ним источником эжектирующего рабочего тела (см. Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985, с.116, 119). Эжектор включается в период выключения двигателя и предотвращает срыв работы диффузора, обратное течение газов и заброс давления и температуры в барокамере, возникающие при срыве диффузора. В качестве рабочего тела эжектора может использоваться, например, перегретый пар, получаемый в специальных котлах или парогенераторах. Такое расположение эжектора и диффузора, внутренние стенки которых образуют общую поверхность, обтекаемую сверхзвуковым потоком, не позволяет выполнить форсунки в виде отверстий в буртике на начальном участке диффузора для впрыска воды с целью эффективного внутреннего охлаждения входного участка диффузора в основной период работы двигателя. Кроме того, использование в качестве рабочего тела эжектора перегретого пара требует дополнительных затрат, связанных с расходами на сжигание в котлах или парогенераторах жидких топлив, и расходов на создание специальных систем генерации и подачи пара в эжектор (см. Шишков А. А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985, с.106).
Технической задачей данного изобретения является повышение надежности работы стенда, повышение точности задания высотных условий испытания в переходные режимы работы ракетных двигателей с тонкостенными соплами, обеспечение сохранности тонкостенных сопел для достоверной оценки их работоспособности, улучшение эксплуатационных характеристик стенда и упрощение его конструкции.
Технический результат достигается тем, что в стенде для высотных испытаний ракетных двигателей с тонкостенными соплами, содержащем барокамеру, выхлопной диффузор, кольцевой эжектор и соединенный с ним источник эжектирующего рабочего тела, источник эжектирующего рабочего тела выполнен в виде парогенератора, образованного охватывающим диффузор кожухом, плотность которого на входе сообщена с подводом охлаждающей жидкости, а на выходе с кольцевым эжектором, при этом стенд снабжен форсунками, которые размещены в кольцевом эжекторе. Форсунки имеют программно разрушающиеся корпусы.
Выполнение источника эжектирующего рабочего тела в виде парогенератора, образованного охватывающим диффузор кожухом, полость которого на входе сообщена с подводом охлаждающей жидкости, а на выходе с кольцевым эжектором, не требует материальных затрат, связанных с расходами на сжигание жидкого топлива, не требует создания специальных систем генерации и подачи пара в эжектор, улучшает эксплуатационные характеристики стенда и упрощает его конструкцию.
Установка форсунок внутри эжектора обеспечивает эффективное охлаждение наиболее теплонапряженного участка диффузора, внутренняя стенка которого является продолжением выходного сопла эжектора. Обеспечивается надежная работа стенда в период работы двигателя до включения эжектора. После включения эжектора сверхзвуковая струя рабочего тела эжектора отсекает попадание струй воды форсунок на стенки диффузора в период выключения двигателя. Тем самым исключается влияние впрыска воды на давление разрежения в барокамере. Эжекция, создаваемая сверхзвуковой кольцевой струей рабочего тела эжектора, обеспечивает безотрывную работу диффузора в период спада давления в двигателе, вплоть до полного его выключения. Предотвращается обратное течение газов и заброс давления и температуры в барокамере, возникающие при срыве диффузора (см. Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985, с.119), в барокамере поддерживается необходимое давление в период выключения двигателя и обеспечивается сохранность тонкостенного сопла от разрушения, что позволяет получить с достаточной точностью результаты испытаний и расширить диапазон информативности.
Начало охлаждения двигателя паром, а не водой, обеспечивает «мягкое» охлаждение элементов конструкции с большей их сохранностью, включая тонкостенное сопло, и позволяет получить достаточно достоверную оценку их работоспособности при анализе материальной части двигателя после испытаний (см. Конструкция и отработка РДТТ./ Под редакцией А.М.Виницкого. М.: Машиностроение, 1980, с.118).
Программно разрушающиеся корпусы форсунок позволяют программно изменять скорость на выходе из кольцевого сопла эжектора для увеличения эффективности его работы.
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения является новой и позволяет повысить надежность работы стенда при испытании в условиях высоких тепловых нагрузок, повысить точность задания высотных условий испытания ракетных двигателей с тонкостенными соплами на различных режимах работы двигателей (включая период выключения двигателя), обеспечивает сохранность элементов конструкции (включая тонкостенное сопло), улучшает эксплуатационные характеристики стенда и упрощает его конструкцию.
На фиг.1 показана схема размещения элементов стенда.
На фиг.2, 3 показана конструктивная схема форсунок и кольцевого сопла эжектора.
Предлагаемый стенд включает барокамеру 1, с открытого торца которой смонтирован выхлопной охлаждаемый диффузор 2, на входе которого установлен кольцевой эжектор 3. Внутренняя стенка диффузора является продолжением выходного кольцевого сопла эжектора. Внутри кольцевого эжектора 3 установлены форсунки 4. Камера 5 эжектора соединена с источником эжектирующего рабочего тела. Источник эжектирующего рабочего тела выполнен в виде парогенератора 7, образованного охватывающим диффузор кожухом 6.
Между парогенератором 7 и кольцевым эжектором 3 установлены управляющий клапан 8 и аккумулятор давления 9. Форсунки 4 имеют программно разрушающиеся корпусы.
Испытуемый двигатель с соплом 10, имеющим тонкостенные насадки, устанавливается в барокамере 1 причем выходной срез сопла размещается соосно с кольцевым эжектором 3 на входе в диффузор 2.
Работа устройства заключается в следующем.
При включении испытуемого двигателя и запуске диффузора 2 разрежение в барокамере 1 обеспечивается эжектирующим действием струи продуктов сгорания. Охлаждение теплонапряженного начального участка диффузора 2 обеспечивается впрыском охлаждающей жидкости (воды) через форсунки 4, соединенные с коллектором 11 подвода охлаждающей жидкости. Кольцевой эжектор 3 не работает, управляющий клапан 8 закрыт. Дополнительное охлаждение диффузора обеспечивается проточным охлаждением воды, подаваемой через патрубок 12 в парогенератор 7 с кожухом 6. При передаче тепла через стенки диффузора 2 вода в парогенераторе нагревается до температуры кипения, превращается в пар, а перегретый пар поступает в аккумулятор давления 9. В период начала спада давления в двигателе (окончание установившегося режима) открывается управляющий клапан 8 и включается эжектор 3. Струя эжектора 3 оттесняет высокотемпературную струю продуктов сгорания от стенки диффузора 2, понижая его температуру, а также отсекает попадание струй воды форсунок 4 на стенки диффузора 2, тем самым исключается влияние впрыска воды на давление разрежения в барокамере 1 в период выключения двигателя. С выходом эжектора 3 на режим подача охлаждающей жидкости (воды) в форсунки 4 прекращается. При давлении на срезе сопла эжектора 3 больше давления на срезе сопла двигателя, струя, истекающая из эжектора 3, расширяется, а поток, истекающий из сопла 10 двигателя, сужается. В процессе дальнейшего падения давления в камере сгорания (период выключения двигателя) поток, истекающий из двигателя, продолжает сужаться, а струя эжектора 3 расширяться. Таким образом, включение кольцевого эжектора 3 при понижении давления в испытуемом двигателе предотвращает срыв работы диффузора 2 и позволяет обеспечить достаточный уровень разрежения в барокамере 1 вплоть до полного выключения двигателя.
Программное разрушение корпуса форсунок 4 под воздействием нагрева (когда подача охлаждающей жидкости через форсунки прекращена) обеспечивает программное изменение степени расширения канала сверхзвукового сопла эжектора 3 и более эффективную работу эжектора.
При полном выключении двигателя управляющий клапан 8 ограничивает подачу пара через эжектор 3 с расходом, обеспечивающим охлаждение испытуемого двигателя, включая тонкостенное сопло, без доступа воздуха (за счет запаса пара в аккумуляторе давления 9).
Предлагаемый стенд обеспечивает надежную работу при испытании в условиях высоких тепловых нагрузок от продуктов сгорания топлива, позволяет с достаточной точностью имитировать высотные условия испытаний ракетных двигателей с тонкостенными соплами на различных режимах работы двигателей, включая период выключения двигателя, и обеспечивает сохранность элементов конструкции, в том числе тонкостенных сопел. В итоге удается получить результаты испытаний в достаточном объеме информативности, с достаточной точностью без дополнительных затрат, связанных с расходами на сжигание в котлах или парогенераторах жидких топлив, и расходов на создание специальных систем генерации и подачи пара в эжектор.