СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
COOLING SYSTEM OF LIQUID-PROPELLANT ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к ракетному двигателестроению, в частности к способам и устройствам охлаждения огневой стенки камеры (камеры сгорания и сопла) ЖРД, и может быть использовано для повышения эффективности их работы.
Существует и является актуальной проблема обеспечения надежного охлаждения камеры сгорания ЖРД с использованием любых рациональных способов и устройств обеспечения минимальной температуры огневой стенки при обеспечении максимально достижимых значений параметра экономичности. Традиционным методом охлаждения теплонагруженных камер сгорания ЖРД является использование регенеративного охлаждения. Основным недостатком регенеративного способа охлаждения рубашки камеры сгорания ЖРД является значительная теплонапряженность огневой стенки камеры сгорания, вызванная пропусканием значительного теплового потока через материал такой рубашки. Дополнительно это сопряжено с прокачиванием через рубашку на стационарном режиме значительного расхода охладителя, необходимым использованием значительного числа трудоемких в производстве каналов охлаждения и применением в качестве материала стенки дорогих жарочных сплавов или материалов с высокими прочностными характеристиками и характеристиками теплопроводности. Функционирование такой регенеративной схемы охлаждения камеры также приводит к значительным потерям давления охладителя при снятии и отводе с теплоносителем указанного теплового потока, к связанному с этим усложнению пневмогидравлической схемы двигателя и потере эффективности.
Известна камера ЖРД с регенеративным охлаждением огневой стенки (патент РФ №2171388 от 20.08.1999 г.). Для повышения характеристик охлаждения КС в конструкции используется пористая вставка транспирационного охлаждения. Для охлаждения материала вставки используется традиционно один из компонентов топлива, совместимый со схемой регенеративного охлаждения и являющийся наиболее эффективным охладителем при обеспечении прочности огневой стенки камеры сгорания и при минимальном весе конструкции благодаря использованию указанного транспирационного охлаждения. Недостатками такого технического решения являются усложнение конструкции, вызванное введением узла транспирационного охлаждения, и невозможность значительного повышения удельного параметра экономичности.
Известен способ создания тяги ЖРД с закруткой потока и устройство для его реализации (патент РФ №2290525 по заявке от 22 февраля 2005 года). При использовании указанного способа создания тяги ЖРД в соответствующем устройстве можно значительно повысить эффективность процесса создания тяги. Недостатком такого способа и такого устройства является использование описанного выше традиционного регенеративного способа охлаждения огневой стенки камеры сгорания и сопла ЖРД, которому присущи перечисленные недостатки.
Известен способ создания тягового усилия при реализации вихревого течения и устройство для создания тягового усилия при таком вихревом течении с параллельным обеспечением внутреннего пристеночного охлаждения огневой стенки камеры сгорания ЖРД (патент США №6298659, выданный 9 октября 2001 г.).
Основным недостатком такого способа создания тягового усилия при закрутке потока и организации охлаждения и такого устройства - конструктивного решения реализации способа - является то, что при использовании их тяга создается только в пределах, известных, ранее установленных теоретических значений, базирующихся на условной аппроксимации процесса. Таким образом, несмотря на использование эффективной вихревой схемы формирования тягового усилия в камере сгорания и обеспечение при этом эффективности процесса внутреннего охлаждения огневой стенки камеры сгорания, значительного повышения эффективности процесса создания реактивного усилия при использовании решений по патенту США №6298659 достичь нельзя. Боле того, обеспечение охлаждения части такой камеры - сопла - в соответствии с техническими решениями в данном патенте осуществляется традиционным регенеративным охлаждением.
Известна система охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя по патенту РФ на изобретение №2403624 МПК F02K 8/64, опубл. 10.12.2010 г.
Камера жидкостного ракетного двигателя содержит камеру сгорания и сопло, включая охлаждаемую завесой огневую стенку камеры, разнесенные по продольной оси камеры коллекторы подвода и сопловые блоки в основном тангенциального ввода последовательно окислителя у сопла и горючего, при этом камера снабжена коллектором подвода дополнительного рабочего тела повторного использования и блок ввода дополнительного рабочего тела в камеру, расположенные в сужающейся части сопла, а за критической частью сопла выполнен диффузор отбора рабочего тела после охлаждения огневой стенки сужающейся части сопла, стыкующийся с сопловым блоком турбины, обеспечивающей привод насоса подачи дополнительного рабочего тела в соответствии с замкнутой схемой его повторного использования. Изобретение обеспечивает повышение эффективности охлаждения камеры сгорания ЖРД.
Недостаток уменьшение удельной тяги двигателя.
Известен пояс завесы камеры жидкостного ракетного двигателя, состоящий из частей профилированных внутренней и наружной оболочек камеры, скрепленных между собой, например, при помощи пайки по ребрам, выполненным на внутренней оболочке, и образующих тракт регенеративного охлаждения камеры, при этом на профилированной внутренней оболочке выполнена кольцевая профилированная проточка, соединенная каналами с полостью подачи охладителя, например керосина, причем оси указанных каналов расположены тангенциально по отношению к кольцевой полости пояса завесы (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1989, 422 с., рис.6.30а, стр.118).
Данный пояс завесы работает следующим образом.
Жидкий компонент подается из полости пояса завесы на огневую внутреннюю стенку при помощи тангенциальных отверстий. Благодаря такой подаче, пленка жидкости, прижимаясь центробежными силами к поверхности стенки, меньше разбрызгивается и позже разрушается. Жидкая пленка, двигаясь по стенке, прогревается, затем испаряется или разлагается и, перемешиваясь с ближайшими слоями продуктов сгорания, постепенно выгорает, образуя при этом низкотемпературный слой газа, дополнительно защищающий огневую стенку камеры.
Основным недостатком указанного пояса завесы является то, что при такой подаче не обеспечиваются условия охлаждения входной кромки кольцевой полости пояса завесы, что приводит к прогару огневой стенки внутренней обечайки именно в этом месте. Кроме этого при таком расположении осей тангенциальных отверстий невозможно уменьшить толщину входной стенки кольцевой профилированной проточки при сохранении требуемых прочностных характеристик камеры, что также приводит к ухудшению условий охлаждения камеры.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий одну регенеративно охлаждаемую камеру, газогенератор, турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования, причем регенеративно охлаждаемая камера включает смесительную головку, профилированную оболочку, состоящую из профилированных внутренней и наружной обечаек, скрепленных между собой, например, при помощи пайки по ребрам, выполненным на внутренней обечайке, при этом на профилированной оболочке выполнен, как минимум, один пояс завесы, представляющий собой кольцевую профилированную проточку во внутренней обечайке, соединенную каналами с полостью подачи охладителя, причем оси указанных каналов расположены тангенциально по отношению к кольцевой полости завесы (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1989, 422 с. Двигатель РД-119, рис.5.2а, стр.82-8 - прототип).
Данный двигатель работает следующим образом.
Компоненты топлива при помощи турбонасосного агрегата, приводимого в действие продуктами сгорания, получаемыми в газогенераторе, поступают в смесительную головку камеры. В смесительной головке компоненты топлива перемешиваются, воспламеняются и сгорают. Поток продуктов сгорания компонентов топлива, имеющий высокую температуру, движется вдоль огневой стенки внутренней обечайки к срезу сопла. Для защиты внутренней обечайки от воздействия высоких температур, по тракту охлаждения, образованному внутренней, наружной обечайками и ребрами, подается охладитель, который снимает часть тепловых потоков, нагреваясь при этом сам.
В наиболее теплонапряженных местах камеры, для дополнительной защиты внутренних стенок выполнен один пояс завесы. В поясе завесы в кольцевую профилированную проточку, выполненную во внутренней обечайке, при помощи тангенциальных каналов, подается охладитель. Такая подача охладителя позволяет сообщить каждой струе охладителя тангенциальную скорость. Наличие тангенциальной скорости позволяет придать жидкой пленке охладителя вращательное движение, благодаря чему пленка, прижимаясь центробежными силами к поверхности огневой стенки внутренней обечайки, меньше разбрызгивается, позже разрушается и на большей длине дополнительно защищает стенку.
Основными недостатками указанного ЖРД является то, что при такой подаче не обеспечиваются условия охлаждения входной кромки кольцевой полости пояса завесы, т.к. вся пленка уходит по потоку к выходной кромке кольцевой проточки пояса завесы. Это приводит к прогару огневой стенки внутренней обечайки именно в этом месте и, соответственно, прогару оболочки камеры ЖРД и выходу ЖРД из строя.
Кроме этого при таком расположении осей тангенциальных отверстий невозможно уменьшить толщину входной стенки кольцевой профилированной проточки при сохранении требуемых прочностных характеристик камеры, что также приводит к ухудшению условий охлаждения камеры.
Известна система охлаждения камеры сгорания ЖРД по патенту РФ на изобретение 2472962, МПК F02K 9/64, опубл. 20.01.2013 г., прототип, которая содержит профилированную оболочку, состоящую из профилированных внутренней и наружной обечаек, скрепленных между собой, например, при помощи пайки по ребрам, выполненным на внутренней обечайке, при этом на профилированной оболочке выполнен, как минимум, один пояс завесы, представляющий собой кольцевую профилированную проточку во внутренней обечайке, соединенную каналами с полостью подачи охладителя, например керосина, причем оси указанных каналов расположены тангенциально по отношению к кольцевой полости завесы, согласно изобретению, в камере выполнен как минимум один пояс завесы, в котором продольные оси большей части, предпочтительно всех, тангенциальных каналов расположены вне плоскости, перпендикулярной оси камеры, и пересекают ее.
Наиболее оптимальные условия охлаждения достигаются в варианте выполнения, если оси тангенциальных каналов пересекают указанную плоскость под углом 4-10°, предпочтительно 6°, а отношение длины канала к его диаметру составляет от 3 до 8.
Выполнение осей тангенциальных каналов под углом 4-10°, предпочтительно 6°, позволяет дополнительно сообщить осевую составляющую скорости каждой струе охладителя, что в значительной степени улучшает условия работы входной части кольцевой проточки, т.к. в этом случае часть расхода попадает на кромку, обеспечивая при этом дополнительный теплосъем. Кроме этого выполнение осей тангенциальных каналов под углом позволяет значительно уменьшить толщину входной стенки проточки, что также позволяет улучшить условия охлаждения камеры.
Нижнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его понижении оси тангенциальных каналов будут располагаться практически перпендикулярно к кольцевой полости завесы, что ухудшит условия охлаждения входной части кольцевой проточки за счет увеличения ее толщины и снижения части расхода, подаваемого для ее охлаждения.
Верхнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его повышении часть расхода охладителя будет использоваться не эффективно, что приведет к увеличению расхода на завесу и, соответственно, увеличению потерь удельного импульса тяги, связанного с охлаждением.
Нижнее значение указанного соотношения для отношения длины канала к его диаметру выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении струя охладителя не приобретет требуемую форму и направление.
Верхнее значение указанного соотношения для отношения длины канала к его диаметру выбрано, исходя из того, что дальнейшее его повышение приводит к значительному усложнению изготовления тангенциальных каналов.
Недостатки заключаются в том, что наклон внутренних тангенциальных отверстий в двух плоскостях незначительно улучшает охлаждение кромки завесы, но усложняет технологию. Направление потока охлаждающего компонента топлива против основного потока газовой реактивной струи нецелесообразно и с точки зрения газовой динамики, так как снижает удельную тягу двигателя и приводит к турбулентности в пограничном слое у внутренней стенки, а это ухудшает охлаждение далее по потоку. Кроме того, выполнение относительно длинных отверстий приводит к необходимости уменьшения из диаметра до 0,2…0,3 мм, что приводит к их частичному засорению и прогару камеры сгорания. Обычно до турбонасосного агрегата - ТНА устанавливается фильтр, но в результате работы ТНА из-за износа уплотнений возможно появление частиц размером более 0, 3 мм и их попадание между внешней и внутренней стенками камеры сгорания.
Кроме того, расход охлаждающего компонента топлива через завесу сильно влияет на удельный расход топлива, а в этой конструкции он не дозируется и заметно отличается у разных экземпляров двигателя из-за того, что тангенциальные отверстия не калибруют и их число определяется не планируемым расходом охлаждающего компонента топлива, а равномерностью толщины пленочной завесы на выходе.
Задачей создания изобретения является улучшение охлаждения и увеличение удельной тяги двигателя.
Решение указанных задач достигнуто в системе охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащей наружную и внутреннюю стенки, соединенные пайкой через ребра, выполненные на внутренней стенке, по меньшей мере, одно устройство завесного охлаждения внутренней стенки камеры сгорания, содержащее в свою очередь кольцевую деталь, сцентрированную по внутренней стенке с образованием кольцевой полости, кольцевую щель во внутренней стенке и внутренние тангенциальные отверстия, соединяющие эту щель с кольцевой полостью, дозирующие отверстия, соединяющие зазор между двумя стенками с кольцевой полостью, тем, что согласно изобретению дозирующие отверстия выполнены тангенциально и направлены аналогично внутренним тангенциальным отверстиям. Внутренние тангенциальные отверстия могут быть выполнены в плоскости, перпендикулярной оси камеры сгорания. Кольцевая деталь может быть выполнена с цилиндрической и двумя торцовыми стенками передней и задней, при этом один из торцов выполнен наклонным. На переднем торце может быть выполнено оребрение. На заднем торце может быть выполнено оребрение. На цилиндрической стенке может быть выполнено оребрение. Соотношение длины внутренних тангенциальных отверстий к их диаметру может быть выполнено в диапазоне от 1,0 до 2,5. Дозирующие отверстия могут быть выполнены калиброванными. В дозирующие отверстия могут быть установлены калиброванные жиклеры.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…7, где
на фиг.1 приведена схема системы охлаждения,
на фиг.2 приведен разрез A-A,
на фиг.3 приведен вид кольцевой детали,
на фиг.4 приведена схема охлаждения с оребрением на переднем торце и цилиндрической поверхности,
на фиг.5 приведена схема охлаждения с оребрением на трех поверхностях кольцевой детали,
на фиг.6 приведена схема с жиклером,
на фиг.7 - кольцевая деталь с жиклером.
Система охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (фиг.1…7) содержит внутреннюю стенку 1, наружную стенку 2, ребра 3, выполненные на внутренней стенке 1 и спаянные с внешней стенкой 2 серебряным припоем. Внутренняя стенка 1 выполнена из металла, имеющего высокую теплопроводность, например из сплава меди, а наружная стенка 2 из металла, обладающего высокими прочностными свойствами. Для улучшения конвективного охлаждения применена система завесного охлаждения, которая содержит цилиндрический участок 4 на внутренней стенке 1 и кольцевую канавку 5. На цилиндрический участок 4 установлена кольцевая деталь 6 с образованием полости 7. В полость 7 выходят внутренние тангенциальные отверстия 8, сообщающие ее с кольцевой канавкой 5. Кольцевая деталь 6 имеет три стенки:
цилиндрическую 9, и две торцовые - переднюю 10 и заднюю 11. На цилиндрической стенке 9 выполнены внешние дозирующие отверстия 12. Они выполнены тангенциально и их направление соответствует направлению внутренних тангенциальных отверстий 8, т.е. они создают закрутку охлаждающего компонента топлива в ту же сторону.
На передней торцевой стенке 10 может быть выполнено оребрение 13 (фиг.1). На цилиндрической стенке 9 может быть выполнено оребрение 14 (фиг.4). На задней торцовой стенке 11 может быть выполнено оребрение 15 (фиг.5).
Кольцевая канавка 5 может быть выполнена полуторроидальной формы (фиг.7). Это уменьшит напряжения в деталях и предотвратит разрушение от вибронагрузок при работе.
Для строго дозирования расхода охлаждающего компонента топлива внешние дозирующие отверстия могут быть выполнены калиброванными или в них установлены дозирующие жиклеры 16 (фиг.6 и 7).
Соотношение длины внутреннего тангенциального отверстия и его диаметра:
l/d=1,0…2,5.
Меньшее соотношение приводит к применению отверстий большого диаметра, что ослабляет врутреннюю стенку 1. При соотношении более 2,5 не сохраняется закрутка потока охлаждающего компонента топлива, полученная в полости 7 за счет применения внешних дозирующих отверстий 12 или жиклеров 16. Кроме того, при диаметре внутренних тангенциальных отверстий 8 менее 0,2…0,3 мм происходит их засорение и прогар внутренней стенки 1.
При работе ЖРД один из компонентов топлива проходит между внутренней и наружной стенками 1 и 2 камеры сгорания (фиг.1). Небольшая часть компонента топлива через внешнее дозирующее отверстие 12 или жиклер 16 поступает в полость 7, где закручивается, проходя внутренние тангенциальные отверстия 8, и дополнительно закручивается и выходит в кольцевую канавку 5 и далее в тракт камеры сгорания вдоль внутренней стенки 1, выполняя функцию ее защиты от больших тепловых потоков. Участок внутренней стенки 1 непосредственно перед кольцевой канавкой 5 лучше охлаждается за счет оребрения 13. Применение оребрений 14 и 15 дополнительно улучшает охлаждение.
Применение изобретения позволило:
1. Улучшить охлаждение внутренней стенки камеры сгорания.
2. Улучшить охлаждение входной кромки устройства завесного охлаждения.
3. Повысить удельную тягу двигателя.
4. Обеспечить технологичность изготовления.
5. Обеспечить стабильность охлаждения.
6. Предотвратить засорение внутренних тангенциальных отверстий.