Стенд для высотных испытаний ракетных двигателей твердого топлива
STAND FOR HIGH-RISE TEST OF SOLID FUEL ROCKET ENGINES

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, которые также называют газодинамическими трубами (ГДТ).
Известен стенд, использующий проточную систему охлаждения (Конструкция и отработка РДТТ/Под ред. A.M. Виницкого - М.: Машиностроение, 1980. Стр. 111, рис. 7.13). Недостаток данного способа для стендовых испытаний ракетных двигателей на твердом топливе заключается в том, что если в продуктах сгорания присутствует конденсированная фаза (в некоторых смесевых твердых топливах может содержаться до 40% окиси алюминия), то значительно возрастает тепловой поток в области присоединения струи вследствие выпадения к-фазы на входной участок выхлопного диффузора.
Известен способ внутреннего охлаждения диффузора (Шишков Α.Α., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1985. Стр. 86-91), при котором обеспечивается создание низкотемпературного пристеночного слоя с помощью впрыска воды через форсунки, расположенные по периферии поперечного сечения диффузора. При описании схемы с таким способом охлаждения начального участка выхлопного диффузора делается акцент на утверждении, что оси струйных форсунок параллельны стенкам диффузора (Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1985. Стр. 87, рис. 2.20). Для обеспечения максимального попадания охлаждающей жидкости в область присоединения струи, сопло значительно отдаляют от среза распылительных форсунок. Недостатком данной конструкции является то, что в таком случае струя может присоединяться к корпусу-оболочке, через который подается жидкость на впрыск, что в свою очередь, приведет к попаданию высокотемпературных газов в барокамеру.
Известен стенд с барокамерой и выхлопным охлаждаемым диффузором с внутренним охлаждением (Центр испытаний ракетных двигателей в Носиро (Япония): Обзор. - ВРТ, 1974, №9 - стр. 71-72). Охлаждение диффузора производится созданием низкотемпературного пристеночного слоя с помощью впрыска охлаждающей жидкости через форсунки, расположенные сразу за срезом сопла испытуемого двигателя и параллельные образующей начального участка диффузора.
Известен стенд с барокамерой, выхлопным диффузором, кольцевым эжектором и соединенный с ним источник эжектирующего рабочего тела (патент РФ №2513063). В данном стенде внутренняя стенка диффузора является продолжением выходного кольцевого сопла эжектора, а форсунки направлены параллельно образующей входного участка.
Общим недостатком испытательных стендов, использующих способ внутреннего охлаждения, является расположение оси распылительных форсунок параллельно образующей входного участка выхлопного диффузора (Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1985. Стр. 86-91, взят за прототип). При истечении продуктов сгорания из сопла образуется вихревая зона, возвратное течение которой разрушает струю впрыскиваемой воды и отбрасывает значительную ее часть обратно на узел впрыска и барокамеру, в результате чего снижается эффективность охлаждения проточной части ГДТ.
Задачей изобретение является обеспечение эффективного охлаждения входного участка выхлопного диффузора путем повышения эффективности впрыска охлаждающего рабочего тела в газодинамический тракт.
Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения проточного тракта ГДТ за счет прохождения струи охлаждающей жидкости поблизости от центра возвратного течения продуктов сгорания.
Технический результат достигается тем, что в стенде для высотных испытаний ракетных двигателей твердого топлива, содержащем барокамеру, узел впрыска рабочей жидкости через струйные форсунки и выхлопной диффузор, оси струйных форсунок расположены под углом впрыска α по отношению к оси выхлопного диффузора.
Расположение осей распылительных форсунок под углом по отношению к оси выхлопного диффузора дает лучшее проникновение в поток продуктов сгорания охлаждающей рабочей жидкости, т.к. струя проходит через центр вихревой зоны, где скорости ниже по сравнению с его (вихря) периферийной частью. Данное решение позволяет добиться проникновения 95…100% охлаждающей жидкости в поток, что приводит к заметному снижению температурного состояния стенок выхлопного диффузора.
На фиг. 1 показана схема размещения элементов стенда.
На фиг. 2 показана схема с обозначением размеров, которые используются при вычислении угла γ.
На фиг. 3 показаны изолинии в области узла впрыска при расположении осей распылительных форсунок под оптимальным углом по отношению к оси выхлопного диффузора.
Предлагаемый стенд включает барокамеру 1, с открытого торца которой смонтирован узел впрыска 2 со струйными форсунками 3. В свою очередь узел впрыска 2 скреплен с входной частью выхлопного диффузора 4. При этом ось распылительных форсунок 5 располагается под углом α по отношению к оси 6 выхлопного диффузора. Внутри барокамеры 1 располагается сопло 7 испытуемого изделия.
На фигуре 1 для удобства обозначения углов введена точка А, расположенная на оси струйной форсунки и плоскости выходного сечения струйной форсунки. Через точку А проведена прямая 6', параллельная оси 6 выхлопного диффузора, и прямая 4', параллельная образующей входной части выхлопного диффузора 4.
Для определения оптимального угла впрыска необходимо использовать следующую формулу:
где α - угол впрыска;
β - угол между образующей входного участка выхлопного диффузора и прямой, проходящей через точку А и параллельной оси выхлопного диффузора;
γ - угол между прямой, проходящей через точку А и параллельной оси струйной форсунки, и образующей входного участка выхлопного диффузора;
Θ - поправочный коэффициент.
Точка А расположена на оси струйной форсунки и плоскости выходного сечения струйной форсунки.
Угол γ, в свою очередь, вычисляется по формуле:
а
где  - размер линии от среза сопла, внутренней точки его профиля, до точки пересечения с линией b, которая также является продолжением профиля сопла;
а
b - размер линии от оси среза струйных форсунок до точки пресечения с линией , которая также является параллельной образующей входного участка выхлопного диффузора;
с - расстояние от среза сопла, внутренней точки его профиля, до оси среза струйных форсунок;
а
ϕ - угол между линиями  и b.
Поправочный коэффициент Θ является эмпирическим. Его величина от 0° до 4° при угле между образующей входного участка выхлопного диффузора и осью выхлопного диффузора меньше 7°, от 0° до 6° при угле между образующей входного участка выхлопного диффузора и осью диффузора от 7° до 9°.
Данные по величине поправочного коэффициента Θ получены в результате проведения серии численных экспериментов.
Работа устройства заключается в следующем. При включении испытуемого двигателя и запуске диффузора разрежение в барокамере 1 обеспечивается эжектирующим действием струи продуктов сгорания. Охлаждение теплонапряженного входного участка выхлопного диффузора 4 обеспечивается впрыском охлаждающей рабочей жидкости через форсунки 3 под углом α, который выбран из оптимального диапазона. Струя жидкости проходит через центр вихревой зоны 8 или поблизости от нее. Возвратное течение при этом образуется при истечении продуктов сгорания из сопла 7 и в результате их присоединения к входному участку выхлопного диффузора 4 между границей струи продуктов сгорания 9, входным участком выхлопного диффузора 4 и узлом впрыска 2. Струи охлаждающей жидкости проникают в поток продуктов сгорания, где большая доля тепла, содержащаяся в этой части потока, идет на нагрев и испарение капель жидкости, которые образуются при распаде струи в процессе впрыска. Вследствие этого на входном участке диффузора 4 возникает низкотемпературный пристеночный слой, состоящий из смеси охлажденных продуктов сгорания, жидкостных капель и паров жидкости. Протяженность слоя вдоль выхлопного диффузора 4 определяется главным образом размерами капель жидкости, получающимися в результате распыления, нагрева и испарения жидкости в условиях обдува впрыскиваемой жидкой струи сверхзвуковым высокотемпературным потоком продуктов сгорания.
Предлагаемый стенд обеспечивает высокоэффективное охлаждение наиболее теплонапряженного входного участка выхлопного диффузора в условиях сверхзвукового высокотемпературного течения продуктов сгорания при работе ракетного двигателя на твердом топливе. Позволяет с достаточной точностью имитировать высотные условия при испытании ракетных двигателей на различных режимах работы. Обеспечивает сохранность элементов конструкции выхлопного диффузора на начальном участке.