СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ОГНЕВОЙ СТЕНКИ КАМЕРЫ ЖРД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF COOLING LPRE FIRE WALL AND METHOD TO THIS END

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 года) - прототип.
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.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков, присущих известному способу и известному устройству. То есть изобретение направлено на обеспечение эффективного охлаждения камеры сгорания ЖРД при значительном повышении удельной характеристики экономичности - удельного импульса тяги.
Это достигается за счет того, что в известном техническом решении организация интенсивного завесного охлаждения огневой стенки непосредственно камеры сгорания осуществляется с использованием практически полностью расходов обоих компонентов ракетного топлива, а сопла - за счет вводимого в схему двигателя дополнительного рабочего тела и за счет реализации такого способа без использования регенеративного охлаждения в целом. При завесном охлаждении сопла для заявленного повышения экономичности часть вводимого рабочего тела используется многократно, в том числе в процессе создания тягового усилия.
В соответствии с предложенным способом охлаждения огневой стенки камеры сгорания ЖРД организуют раздельную по оси камеры подачу последовательно окислителя (преимущественно обладающего большими интегральными характеристиками теплосъема) и горючего в цилиндрическую камеру сгорания в основном тангенциально и в одном направлении. За счет указанного ввода компонентов формируют раздельное вихревое течение в наружном слое окислителя и горючего в направлении по оси от сопла в сторону огневого днища. Область тангенциального ввода горючего отделена от области ввода горючего окружной разделительной перегородкой и также образует наружный вихрь совпадающего направления вращения. Окислитель у указанной окружной разделительной перегородки, а горючее у огневого днища камеры сгорания дополнительно к вихревому течению перемещаются к продольной оси камеры по радиусу. В процессе перемещения введенных в камеру компонентов по радиусу и после прохождения окружной разделительной перегородки осуществляется взаимное перемешивание компонентов, а при подводе необходимой энергии поджига - воспламенение и горение при его газодинамическом взаимодействии с составляющими наружного вихря, сформированными компонентами. Часть первого компонента (преимущественно обладающего большими характеристиками теплосъема, как правило, окислителя) вводится совместно со вторым и используется в качестве внешней относительно места ввода второго компонента тепловой защиты от воздействия теплового потока произошедшей химической реакции.
Образованный в результате химической реакции высокотемпературный слой в соответствии с закономерностями вихревого течения выбранной схемы перемещается в центральной области вдоль продольной оси в направлении истечения продуктов сгорания к соплу указанной камеры сгорания. Осевое перемещение составляющих наружного вихревого слоя у огневой стенки камеры в противоположном направлении вдоль ее продольной оси непосредственно от места ввода первого из компонентов у начала уменьшения диаметра дозвуковой области сопла до огневого днища обеспечивает формирование и устойчивое течение интенсивной низкотемпературной завесы и предотвращает попадание на нее высокотемпературного конвективного потока из области центрального вихря с реализованным механическим подавлением теплопередачи к стенке благодаря характеристикам теплосъема низкотемпературных компонентов топлива криогенного охладителя и такого системно сформированного пристеночного течения. Такая схема течения также в значительной степени за счет конвективного теплоотвода от внутренней стенки снижает воздействие лучистого теплового потока. Более того, существование двух противоположно направленных по оси потоков вихревых потоков образует условно неподвижный относительно продольной оси камеры вихревой слой одноименной закрутки с практически минимальной осевой скоростью, что обеспечивает полное перемешивание и высокую полноту сгорания компонентов.
Таким образом, в известном способе охлаждения огневой стенки камеры сгорания ЖРД с формированием вихревого течения относительно продольной оси, включающем ввод одного из жидких компонентов топлива в указанную камеру, такой ввод указанного жидкого компонента под углом с формированием спирального вихревого пристеночного слоя в камере от места ввода в направлении, противоположном соплу, в сторону огневого днища с обеспечением перетекания у огневой стенки компонента указанного пристеночного вихря по радиусу к центральной оси камеры, а затем по направлению к соплу камеры, спиральный поток, движущийся к соплу, является внутренним относительно пристеночного потока при совпадении направления вращения с введением другого компонента с воспламенением и горением.
Согласно изобретению пристеночный поток при совпадении направления вращения с введением другого компонента с воспламенением и горением отличается тем, что в сужающейся части сопла камеры сгорания вводят в основном тангенциально с совпадающим направлением относительно направления вращения исходного вихря дополнительное рабочее тело при низкой температуре, перемещают указанное рабочее тело по оси к соплу завихрением в камере сгорания, охлаждают при помощи образованной таким образом низкотемпературной завесы огневую стенку дозвуковой части сопла, отбирают из потока после критики часть указанного дополнительного рабочего тела, подают через диффузор на блок турбины привода насоса вспомогательного замкнутого контура создания тяги и замыкают указанный вспомогательный контур после охлаждения и конденсации паров вспомогательного рабочего тела с многократным созданием тягового усилия путем повторной многократной подачи дополнительного рабочего тела в камеру.
Для использования характеристик охлаждения обоих компонентов топлива и интенсификации закрутки второй из компонентов тоже вводят через боковую стенку раздельно по оси относительно первого компонента, перемещают их раздельно в направлении от сопла в сторону огневого днища с организацией спирального течения у стенки камеры, обеспечивают перетекание второго, дополнительного компонента из указанного пристеночного вихря по радиусу к центральной оси камеры, а затем по направлению к соплу камеры введением окружной разделительной перегородки между вводами тангенциально компонентов при их взаимном перемешивании, воспламенении и горении.
Для реализации схемы в соответствии с данным изобретением среди известных окислителей для завесного охлаждения огневой стенки камеры в качестве окислителя предпочтительно используется жидкий кислород.
В качестве дополнительного рабочего тела для создания указанного завесного охлаждения части камеры сгорания и дозвуковой части, а также замкнутого контура его повторного использования предпочтительно используется вода.
Кроме того, для снижения локальных тепловых потоков в области ввода горючего в вихревой поток окислителя часть первого компонента (преимущественно окислителя) вводится совместно со вторым (горючим) при одинаковом направлении их с созданием локальной тепловой защиты от воздействия теплового потока реакции.
Указанный способ реализуется в устройстве - камере ЖРД, содержащей камеру сгорания и сопло, включая охлаждаемую огневую стенку камеры, разнесенные по продольной оси камеры коллекторы подвода и блоки ввода тангенциально последовательно окислителя у сопла и горючего за окружной разделительной перегородкой. Согласно изобретению в конструкцию камеры введены коллектор подвода дополнительного рабочего тела повторного использования и блок ввода дополнительного рабочего тела в камеру, расположенные непосредственно в области сужающейся части сопла, а указанное рабочее тело после охлаждения огневой стенки сопловой части камеры и критической области сопла для обеспечения повторного использования проходит через диффузор, блок турбины, насос (не показан) и вновь подается в камеру. Для гарантированной работоспособности коллектор подвода первого компонента (преимущественно окислителя) и коллектор подвода дополнительного рабочего тела разнесены по окружности и в определенной степени по длине.
Принципиальная схема устройства показана на чертеже, где
1 - камера,
2 - камера сгорания,
3 - огневая стенка,
4 - сопло камеры,
5 - блок ввода окислителя,
6 - блок ввода горючего,
7 - коллектор подвода окислителя,
8 - коллектор подвода горючего,
9 - коллектор ввода дополнительного рабочего тела повторного использования,
10 - блок ввода дополнительного рабочего тела в камеру,
11 - радиально расширяющаяся часть сопла создания тяги,
12 - диффузор системы повторного использования дополнительного рабочего тела,
13 - сопловой блок турбины привода циркуляционного насоса,
14 - окружная разделительная перегородка,
15 - диск из пористого материала,
16 - турбина,
17 - насос.
Камера ЖРД 1 состоит непосредственно из камеры сгорания 2, имеющей огневую стенку 3 и сопло 4. Для формирования вихревого течения компонентов во внутреннем пристеночном низкотемпературном завесном слое охладителя и в центральном высокотемпературном слое продуктов сгорания с различными направлениями такого течения по оси относительно сопла 4 при одноименной закрутке в наружном холодном вихревом слое одного из компонентов - окислителя - на цилиндрической огневой стенке 3 камеры сгорания 2 выполнены последовательно от сопла 4 конструктивные элементы ввода компонентов в камеру: окислителя и горючего. Конструктивно элементы ввода выполнены блоками ввода окислителя 5 и ввода горючего 6, ось каналов которых на выходе направлена преимущественно тангенциально относительно продольной оси камеры сгорания с образованием вихревого течения в одном направлении. Для подачи указанных компонентов от соответствующих трубопроводов двигателя подачи компонентов двигателя (не показаны) к блокам ввода 5 и 6 предусмотрены и раскреплены на развитых по толщине стенки участках огневой стенки 3 в основном по окружности или части ее коллекторы подвода окислителя 7 и горючего 8.
В переходной области камеры сгорания 2 к соплу 4 вводится коллектор 9 подвода дополнительного рабочего тела повторного использования и соответствующий блок ввода рабочего тела в камеру 10 для формирования вихревого течения того же направления с осевой составляющей в направлении сопла. Непосредственно в сопле 4 после минимального критического сечения наряду с конструкцией радиальной расширяющейся части сопла 11 введены последовательно конструктивные элементы обеспечения повторного использования указанного дополнительного рабочего тела, включающие среди других необходимых для формирования и функционирования замкнутого контура: диффузор 12 и сопловой блок 13 турбины привода циркуляционного насоса. Для обеспечения прочности материала огневого днища камеры сгорания 2 в днище выполнен диск из пористого материала 15, и обеспечена подача окислителя для формирования низкотемпературного защитного слоя у стенки огневого днища.
Функционирование системы внутреннего завесного охлаждения огневой стенки камеры следует из описания самого способа с указанием расположения и функций введенных конструктивных элементов. Один из компонентов топлива, окислитель, как обладающий большей суммарной способностью теплосъема благодаря суммарной большей массе и соответствующей теплоемкости вводится последовательно через коллектор подвода 7 и блок ввода окислителя 5 тангенциально в области камеры сгорания 2, прилежащей к соплу 4. Характеристика вихревого течения окислителя обеспечивает перемещение его вдоль оси камеры 1 в направлении от сопла 2 с созданием низкотемпературного пристеночного слоя и таким образом завесного охлаждения всей огневой стенки 3 камеры сгорания 2 с исключением воздействия на нее конвективного нагрева и со снятием пристеночным слоем посредством теплоотдачи от огневой стенки 3 значительной части лучистого теплового потока от высокотемпературного ядра продуктов сгорания. У торца камеры сгорания 2, противоположного соплу 4, в полость камеры сгорания 2 через коллектор подвода горючего 8 и блок ввода горючего 6 вводится второй компонент топлива - горючее. Ввод его также осуществляется тангенциально с совпадением направления закрутки с направлением закрутки первого компонента - окислителя. Для формирования направления движения горючего, перемешивания его с окислителем, перемещения смеси компонентов и продуктов сгорания по оси камеры 1 от блока ввода горючего 6 к выходному соплу 4 в центральной вихревой области направление оси блока горючего 6 обеспечивает создание радиальной и осевой компоненты течения, причем последняя направлена в сторону сопла.
Для обеспечения воспламенения компонентов в области у торца камеры сгорания 2, противоположного соплу 4, к указанным компонентам подводится энергия воспламенения, достаточная для обеспечения надежного воспламенения и устойчивого горения смеси в пределах центральной вихревой области.
Так как при больших расходах продуктов сгорания двигателей больших тяг значительно возрастает лучистый тепловой поток в камере, для достижения цели изобретения и гарантированного снижения температуры огневой стенки суммарное соотношение компонентов в камере смещено относительно значения, обеспечивающего максимальную общую эффективность работы, в сторону увеличения избытка окислителя.
Для обеспечения тепловой защиты материала поверхности огневого днища часть горючего вводится через диск из пористого конструктивного материала 15 с обеспечением пористого охлаждения за счет соответствующих характеристик материала или за счет большого количества выполненных в нем отверстий малого диаметра (не показаны).
Для обеспечения схемы внутреннего завесного охлаждения огневой стенки сопла 4 и значительного повышения параметра экономичности за счет многократного использования дополнительного рабочего тела на цилиндрической поверхности огневой стенки 3 камеры сгорания 2 на сужающейся части сопла 4 тангенциально вводится дополнительное низкотемпературное рабочее тело. Дополнительное рабочее тело в общей вихревой структуре перемещают с созданием завесного охлаждения и повышением его температуры вдоль огневой стенки 3 сопла 4 в направлении истечения, отбирают благодаря тангенциальной составляющей течения от основного потока продуктов сгорания, подают через диффузор 12 на сопловой блок 13 турбины 16. Турбина 16 при срабатывании части располагаемого давления приводит во вращение насос подачи 17 дополнительного рабочего тела вспомогательного замкнутого контура. Насос 17 повышает давление такого дополнительного рабочего тела и обеспечивает создание тяги путем повторной многократной подачи конденсата такого дополнительного рабочего тела в камеру сгорания 2 с одновременным внутренним охлаждением огневой стенки сопла 4 камеры 1.
Таким образом, использование предлагаемого способа охлаждения огневой стенки камеры сгорания ракетного двигателя и конструкции такой камеры с элементами, обеспечивающими функционирование указанного способа, позволит в значительной степени снизить действующие на огневую стенку камеры сгорания тепловые потоки, отказаться от затратного по расходуемому охладителю способа регенеративного охлаждения и значительно упростить конструкцию огневой стенки, а благодаря введенной схеме повторного использования для охлаждения сопла камеры дополнительного рабочего тела - значительно повысить эффективность работы двигателя.