КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области ракетного двигателестроения и может быть использована при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.
В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых сопел. Отличие между соплом Лаваля и кольцевым состоит в том, что кольцевое сопло имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую. Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что приводит к уменьшению линейных размеров двигателя.
Известна принципиальная схема кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, реализующая данный принцип (А.П. Васильев и др. "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей", Москва, "Высшая школа", 1967 г., рис. X. 186).
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела (М.В. Добровольский и др. "Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", Москва, "Высшая школа", 1968 г., рис. 2.32, стр. 59).
Указанный двигатель работает следующим образом. Компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и истекают через кольцевое критическое сечение. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела. Продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла. Для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора.
В данной кольцевой камере охладитель подается в тракты охлаждения тарельчатого сопла и профилированного центрального тела, образованные соответствующими внутренними оболочками, на внешней поверхности которых выполнены ребра, совместно с наружными оболочками образующие каналы тракта охлаждения, движется по пазам между ребрами и охлаждает, таким образом, рабочие поверхности профилированных оболочек. За счет соединения оболочек между собой только по вершинам ребер, при увеличении давления в тракте охлаждения выше заданного предела не обеспечивается прочность и устойчивость внутренних оболочек, что ведет к потере работоспособности кольцевой камеры.
Известен тракт охлаждения теплонапряженных конструкций, содержащий внутреннюю профилированную оболочку, на внешней поверхности которой выполнены ребра тракта охлаждения, наружную профилированную оболочку, установленную на внутреннюю и скрепленную с ней по вершинам ребер тракта охлаждения, при этом, между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой (патент РФ №2391615, МПК: F28F 3/02, F28D 1/02 - прототип).
Указанный тракт охлаждения теплонапряженных конструкций работает следующим образом.
Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по пазам между ребрами и охлаждает огневую поверхность внутренней профилированной оболочки. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек, происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки. Повышенная устойчивость и прочность внутренней оболочки позволяет увеличить давление в тракте охлаждения изделия и внутри самого изделия, что, в конечном итоге, позволяет повысить эффективность рабочего процесса.
Недостатками указанного решения является то, что в этом случае образуются достаточно длинные участки для выхода фрезы при получении перемычек на внутренней оболочке, что приводит к необходимости дальнейшей выборки металла в зоне расположения перемычек при помощи пальчиковой фрезы или при помощи электроэррозии, что приводит к увеличению трудоемкости изготовления внутренней оболочки.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков и создание тракта охлаждения кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, конструкция которого позволяет упростить процесс изготовления внутренней оболочки и улучшить условия перемешивания охладителя, поступающего по изолированным каналам.
Поставленная задача достигается тем, что в предложенной кольцевой камере жидкостного ракетного двигателя, содержащей кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения, причем упомянутые оболочки и ребра образуют каналы охлаждения, при этом между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, причем наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения, согласно техническому решению, между перемычками и ребрами выполнены кольцевые радиальные канавки, причем ширина канавки не превышает ширины канала тракта охлаждения в месте выполнения упомянутых канавок.
В варианте исполнения, перемычки соединяют вершины всех ребер между собой с образованием единой кольцевой поверхности.
В варианте исполнения, перемычки соединяют вершины всех ребер между собой с образованием единой кольцевой поверхности, наружный профиль которой эквидистантен внутреннему профилю наружной оболочки в месте контакта с наружной поверхностью внутренней оболочки.
В этом случае кольцевые поверхности перемычек образуют дополнительные бандажи жесткости, которые увеличивают устойчивость оболочки при воздействии на нее давления охладителя в пазах тракта охлаждения. Кроме этого, кольцевая поверхность перемычки позволяет увеличить площадь поверхности под пайку без увеличения толщины ребра и увеличения перепада давления в тракте, уменьшить в несколько раз длину неподкрепленной части ребра за счет образования дополнительных опор.
Критерий ширина канавки не превышает ширины канала тракта охлаждения в месте выполнения упомянутых канавок выбран исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит ослабление оболочки в месте выполнения перемычек из-за увеличения длины неподкрепленных участков.
Наличие кольцевых радиальных канавок между ребрами и перемычками, позволяет значительно упростить процесс изготовления полых перемычек за счет обеспечения доступа инструмента в зону перемычек и обеспечить требуемую равномерность распределения компонента по тракту охлаждения за счет перемешивания и перераспределения компонента в канавках. В этом случае металл, прилегающий к зоне перемычек, выбирается при помощи токарной обработки с последующим удалением излишков металла при помощи долбяка.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный осевой разрез кольцевой камеры ЖРД, на фиг. 2 - поперечный разрез тракта, на фиг. 3 - тракт охлаждения с перемычками в аксонометрии.
Кольцевая камера ЖРД содержит регенеративно охлаждаемую кольцевую камеру сгорания 1 со смесительной головкой 2 и тарельчатым соплом 3 внешнего расширения с кольцевым критическим сечением 4. Тракт охлаждения охлаждаемых частей, например, тарельчатого сопла 3, образован внутренней оболочкой 5, на внешней поверхности которой профрезерованы ребра 6, образующие совместно с соответствующей наружной оболочкой 7 каналы охлаждения 8. Вершины ребер 6 соединяются между собой при помощи полых перемычек 9. Между перемычками 9 и ребрами 6 выполнены кольцевые радиальные канавки 10.
Предложенная кольцевая камера ЖРД работает следующим образом.
Компоненты топлива подаются в смесительную головку 2 и из нее через форсунки в кольцевую камеру сгорания 1, где происходит их воспламенение. Компоненты топлива истекают через кольцевое критическое сечение и поступают во входную часть тарельчатого сопла 3. В тарельчатом сопле 3 внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела, и со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла.
Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам 8 между ребрами 6 и охлаждает, например, огневую поверхность внутренней профилированной оболочки 5 тарельчатого сопла 3. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер 6, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек 9, происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки 5.
Струи охладителя, поступая в полые перемычки 9 и выходя из них, перемешиваются в кольцевых радиальных канавках 10, что улучшает равномерность распределения охладителя по каналам охлаждения.
Повышенная устойчивость и прочность внутренней оболочки 5 позволяет увеличить давление в тракте охлаждения камеры и в самой камере, что, в конечном итоге, позволяет повысить эффективность рабочего процесса.
Проведенные расчеты показали, что при выполнении одного пояса перемычек давление внутри тракта охлаждения может быть повышено на 25-30%.
Использование предложенного технического решения позволит создать тракт охлаждения, конструкция которого позволит упростить процесс изготовления внутренней оболочки кольцевой камеры ЖРД, и тем самым, снизить его трудоемкость его изготовления и себестоимость.