Устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла жидкостного ракетного двигателя
DEVICE FOR REGENERATIVE COOLING OF SUPERSONIC PART OF LIQUID ROCKET ENGINE NOZZLE

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для охлаждения сверхзвуковой части сопла жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Многолетний опыт создания отечественных маршевых ЖРД показывает, что одним из магистральных путей их развития является дальнейшее повышения уровня давления в камере сгорания (Рк). Однако, в широко используемых классических схемах двигателей с дожиганием генераторного газа, увеличение Рк однозначно приводит к увеличению давления охладителя (Рохл) в тракте охлаждения камеры. На настоящий момент уровень давления охладителя в тракте охлаждения достигает значений 45 МПа. В патентах RU 2166661 С1 от 10.05.2001 и RU 2209993 С1 от 10.08.2003 указывается, что дальнейшее увеличение давления в тракте охлаждения является опасным, так как может разрушить механические связи между внутренней и наружной оболочками камеры. Особенно острой эта проблема является для двигателей с дожиганием восстановительного генераторного газа, камера которых охлаждается горючим.
Вместе с тем, уровень риска разрушения связей между оболочками камеры существенно отличается для разных ее участков. В области высоких тепловых потоков, т.е. на блоке камеры, включающем в себя камеру сгорания, входную часть сопла и район критического сечения, количество ребер и, соответственно, количество механических связей между оболочками, создаваемых пайкой по вершинам этих ребер, настолько велико, что является избыточным с точки зрения обеспечения прочности связей между оболочками. И связано это с тем, что количество ребер и их геометрические характеристики выбираются в первую очередь из условий обеспечения надежного охлаждения камеры (максимальное количество тепла, передаваемое боковыми поверхностями ребер в охладитель, обеспечение требуемой скорости движения охладителя), и при этом, автоматически обеспечивается необходимая прочность связей между оболочками. Так, по результатам расчетно-экспериментальных исследований уровень давления, разрушающего эти связи, превосходит рабочее давление в тракте охлаждения в несколько раз. Таким образом, давление в тракте охлаждения блока камеры сгорания не является фактором, лимитирующим увеличение Рк. Поэтому охлаждение блока камеры вполне может осуществляться традиционным способом, т.е. компонентом топлива с большим давлением.
По другому обстоит дело в сверхзвуковой части сопла. Тепловые потоки в сверхзвуковой части сопла существенно меньше, чем в блоке камеры. Это приводит к тому, что к интенсивности охлаждения предъявляются гораздо менее жесткие требования, и поэтому количество ребер определяется, в основном, только лишь соображениями достаточной прочности связей между оболочками и достаточной жесткостью огневой стенки между ребрами. Однако, при высоких давлениях в тракте охлаждения весьма сложно обеспечить большие запасы по прочности сверхзвуковой части сопла. Это связано со значительными габаритными размерами по сравнению с блоком камеры. Так, например, если тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла выполнять с шагом оребрения близким к шагу ребер в критическом сечении, сопло получится недопустимо тяжелым. Также можно отметить трудоемкость и сложность изготовления паянных сопел, наличие плохо прогнозируемых нагрузок (например, вибрационных) - все это повышает риск разрушения сопел, особенно в условиях сверхвысоких давлений в тракте охлаждения.
В связи с этим, при создании современных ЖРД с высоким давлением в камере, особенно для нижних ступеней РН, целесообразно снижать давление в тракте охлаждения не во всей камере, а только в наименее прочной сверхзвуковой части сопла - то есть так, как это предлагается в устройстве для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД, раскрытом RU 2514570 от 27.04.2014. Данное устройство выбрано в качестве прототипа и включает бак теплоносителя, снабженный клапаном и заправочной магистралью, выхлопной патрубок с клапаном или ресивер и контур циркуляции теплоносителя, состоящий из тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла, обратного клапана, турбины, основного теплообменника, насоса, соединенного с турбиной общим валом, и соединяющих магистралей.
В прототипе предложена схема кислородно-метанового ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа, в которой блок камеры охлаждается горючим с высоким давлением, поступающим далее в газогенератор, турбину и смесительную головку камеры, а сверхзвуковая часть сопла охлаждается теплоносителем низкого давления, циркулирующим по замкнутому контуру и имеет свой, независимый от системы подачи компонентов топлива, турбонасосный агрегат. Пары теплоносителя после охлаждения сопла вращают турбину, далее ожижаются в теплообменнике за счет передачи тепла хладагенту и сжимаются насосом, после чего опять поступают в тракт охлаждения сопла. Привод насоса осуществляется турбиной вращаемой разогретыми после тракта охлаждения парами теплоносителя. Также схема оснащена агрегатами запуска - выхлопной патрубок с клапаном или ресивер. Очевидно, что в такой схеме давление в контуре охлаждения сопла гидравлически не связано с давлением в камере сгорания и поэтому может быть существенно ниже, чем Рк. Однако, предложенный способ реализации указанной выше идеи снижения давления охладителя не во всем тракте охлаждения камеры, а только в сверхзвуковой части сопла имеет следующие недостатки:
- Так как в замкнутом контуре теплоносителя предполагается низкий уровень давления, для большинства теплоносителей, кроме водорода и гелия, давление в рассматриваемом тракте охлаждения будет ниже критического, поэтому, нельзя исключать возникновение пузырькового кипения в тракте охлаждения, что может стать причиной прогара стенки сопла из-за возможного ухудшения теплоотдачи в теплоноситель.
- Также, учитывая всегда имеющуюся в реальной камере неравномерность подвода тепла по периметру поперечного сечения сопла, в случае Рохл<Ркр, можно ожидать, что такая неравномерность может приводить к возникновению на некоторых перегретых образующих паровых зон с сохранением на других образующих теплоносителя в жидкой фазе - что, в свою очередь, приведет к неравномерному и нестабильному распределению расхода теплоносителя по периметру поперечного сечения, и повлечет за собой прогар стенки.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства охлаждения сверхзвуковой части сопла с низким уровнем давления охладителя (Рохл<Рк), обеспечивающего надежное охлаждение сопла на всех штатных режимах работы. Внедрение такого устройства дает возможность создания высокоэкономичных ЖРД с повышенным давлением в камере с одновременным упрощением изготовления сопел и повышением надежности их конструкции.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении неравномерности охлаждения стенок сверхзвуковой части сопла с сохранением пониженного давления в тракте охлаждения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД, содержащем бак теплоносителя, снабженный клапаном и заправочной магистралью, выхлопной патрубок с клапаном или ресивер и контур циркуляции теплоносителя, состоящий из тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла, обратного клапана, турбины, основного теплообменника, насоса, соединенного с турбиной общим валом, и соединяющих магистралей, установлен дополнительный теплообменник в контуре циркуляции теплоносителя между насосом и трактом охлаждения сверхзвуковой части сопла для перевода теплоносителя, вышедшего из насоса, в газообразное состояние теплоносителем, прошедшим турбину.
Наличие дополнительного теплообменника, нагревающего теплоноситель, позволяет перевести его целиком в газообразное состояние еще до его попадания в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла - это гарантирует отсутствие двухфазного течения в тракте и возникающих из-за этого перегретых зон, что снижает неравномерность охлаждения стенок сверхзвуковой части сопла, и что в свою очередь снижает риск разрушения сопла и повышает надежность его конструкции. При этом сохраняется пониженное давление в тракте охлаждения.
Устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД поясняется представленными схемами фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показана схема устройства для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД с выхлопным патрубком с клапаном.
На фиг. 2 показана схема устройства для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД с ресивером.
Предлагаемое решение (фиг. 1-2) включает бак теплоносителя 1 с клапаном 2 и заправочной магистралью с вентилем 11, турбину 3, основной теплообменник 4, насос 5, соединенный общим валом 7 с турбиной 3, тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6, выхлопной патрубок с клапаном 9 или ресивер 10 и обратный клапан 8. В контуре циркуляции теплоносителя на магистрали между насосом 5 и входом в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6 и на магистрали между турбиной 3 и основным теплообменником 4 установлен дополнительный теплообменник 12, предназначенный для осуществления перевода холодного теплоносителя из насоса 5 в газообразное состояние горячим теплоносителем из турбины 3.
Данное изобретение функционирует следующим образом. Перед запуском контур заполнен теплоносителем, а в баке 1 под избыточным давлением содержится дополнительный пусковой запас теплоносителя. Клапан 2 и вентиль 11 заправочной магистрали закрыты. После запуска двигателя открываются клапан 2 и клапан 9 - если реализован вариант с выхлопным патрубком, и теплоноситель под избыточным давлением начинает поступать из бака теплоносителя 1 в магистраль между обратным клапаном 8 и турбиной 3. При этом обратный клапан 8 закрыт, т.е. контур теплоносителя разомкнут, поэтому теплоноситель движется в направлении турбины 3, попадает на лопатки ее рабочего колеса и начинает раскручивать турбину 3 и через общий вал 7 насос 5. После турбины 3 теплоноситель проходит через дополнительный 12 и основной 4 теплообменники, насос 5, снова через теплообменник 12, попадает в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6 и охлаждает начинающую прогреваться стенку сопла, после чего теплоноситель сбрасывается через выхлопной патрубок с открытым клапаном 9 в выхлопную струю двигателя или заполняет ресивер 10.
Движение теплоносителя в момент запуска по описанному выше разомкнутому контуру осуществляется за счет того, что давление в баке 1 выше атмосферного - в случае использования выхлопного патрубка 9 (фиг. 1), или же за счет того, что давление в баке 1 выше начального давления в контуре - в случае использования ресивера 10 (фиг. 2). Далее, в определенный момент времени происходит закрытие клапана 2 и клапана 9 - если он есть (фиг. 1). Общий вал 7, с расположенными на нем турбиной 3 и насосом 5, продолжает вращаться по инерции подобно маховику. Насос 5, за счет запасенной механической энергии, продолжает нагнетать теплоноситель в магистрали, расположенные между насосом 5 и обратным клапаном 8, и одновременно с этим продолжает высасывать теплоноситель из магистралей на участке, содержащем турбину 3 и теплообменники 4, 12. При этом давление на участке, содержащем тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6, растет, а на участке, содержащем турбину 3 и теплообменники 4, 12 падает. Указанные тенденции изменения давлений усиливаются понижением температуры теплоносителя в теплообменниках 4, 12 и повышением его температуры в прогревшемся тракте охлаждения сверхзвуковой части сопла 6. В результате возникает заданный перепад давлений на обратном клапане 8, он открывается, возникает замкнутый контур циркуляции теплоносителя, после чего система охлаждения выходит на стационарный режим.
Если используется разомкнутый контур со сбросом пускового расхода теплоносителя через выхлопной патрубок (фиг. 1), то при достижении заданного уровня давления в контуре закрывается клапан 9. Кроме того, в этом контуре необязательно предварительное его заполнение теплоносителем, так как в процессе запуска, по мере заполнения контура, теплоноситель будет вытеснять из него находившуюся там ранее среду. На стационарном режиме предложенное устройство охлаждения, независимо от того, каким образом организован пусковой режим либо при помощи выхлопного патрубка (фиг. 1) либо ресивера 10 (фиг. 2), работает одинаковым образом.
На стационарном режиме работы теплоноситель охлаждает стенку сверхзвуковой части сопла, нагреваясь при этом до достаточно высокой температуры, далее полученный перегретый пар «срабатывает» на турбине 3, которая через вал 7 вращает насос 5, и поступает в дополнительный теплообменник 12, подогревая в нем вышедший из насоса ожиженный холодный теплоноситель и переводя его в газообразное состояние. Далее теплоноситель, отдавший часть тепла на турбине 3 и в дополнительном теплообменнике 12, поступает в основной теплообменник 4, где, передавая тепловую энергию внешнему хладагенту, ожижается и поступает в насос 5, сжимается в нем и снова подается в дополнительный теплообменник 12, но уже в качестве воспринимающего тепло рабочего тела, а затем в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6. В качестве внешнего хладагента в основном теплообменнике 4 используется один из компонентов топлива. Таким образом, на стационарном режиме работы, подведенное к теплоносителю в тракте охлаждения тепло, частично превращается на турбине 3 в механическую энергию вращающую насос 5, а неиспользованное на турбине 3 тепло передается в основном теплообменнике 4 хладагенту, который, являясь компонентом топлива, далее поступает в камеру и сгорает.
Низкое давление в контуре циркуляции теплоносителя позволит создавать ЖРД с высоким давлением в камере, но без увеличения риска разрушения сверхзвуковой части сопла. Кроме того, такой уровень давления охладителя позволит отказаться от паяно-фрезерованной конструкции тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и вернуться к конструкции, в которой внутренняя и наружная оболочки соединяются точечной сваркой в местах локальных выштамповок в наружной оболочке. Это позволит снять существующие на настоящий момент ограничения, накладываемые на габариты сопла размерами использующихся в промышленности вакуумных печей, и существенно снизит трудоемкость изготовления сопел. Также преимуществом предложенного устройства является то, что появляется возможность выбора для сопла более эффективного охладителя, не входящего в состав топлива.
В настоящий момент устройство реализуется в качестве стендовой установки для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить неравномерность охлаждения стенок сверхзвуковой части сопла благодаря подаче теплоносителя в газообразном состоянии с одновременным обеспечением пониженного давления в тракте охлаждения. Указанное повышает надежность конструкции сопла.