КАМЕРА СГОРАНИЯ И РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
COMBUSTION CHAMBER AND ROCKET ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к камере сгорания, используемой для ракетного двигателя, движущая сила в котором обеспечивается путем смешивания и сжигания окисляющего агента и горючего, и к ракетному двигателю, в котором применяют указанную камеру сгорания.
Уровень техники
[0002] Ракетная камера сгорания, предназначенная для установки в ракетном двигателе, содержит множество инжекторов, жаровую трубу, сопло и т.п. Движущая сила в ракетной камере сгорания обеспечивается путем преобразования энергии, получаемой в результате химической реакции горючего, которое является также ракетным топливом, так чтобы обеспечить движение выходящих газов. Другими словами, в ракетной камере сгорания движущую силу обеспечивают путем впрыскивания из инжектора горючего (например, газообразного водорода: GH2) и окисляющего агента (например, жидкого кислорода: LOx) в жаровую трубу; увеличения объема газообразного продукта сгорания, образующегося в жаровой трубе после воспламенения горючего и окисляющего агента, с помощью сопла; и выпускания газообразного продукта сгорания в направлении выпуска.
[0003] Например, такая ракетная камера сгорания описана в следующих патентных документах.
Список библиографических ссылок
Патентные документы
[0004] Патентный документ 1: японская опубликованная заявка на патент №2008-202542 Патентный документ 2: японская опубликованная заявка на патент №2014-037838
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема
[0005] Ракетный двигатель имеет собственную частоту колебаний воздушного столба, соответствующую длине и диаметру жаровой трубы, и при сгорании образуются флуктуации давления (вибрация воздушного столба). В связи с этим для подавления колебаний давления во время сгорания предусмотрен резонатор. Когда звуковые волны, имеющие частоту приблизительно равную резонансной частоте, поступают на вход резонатора, в резонаторе возникают сильные колебания, и во входной части возникает трение. В результате потери энергии резонатор может уменьшать флуктуации давления. Однако из-за ограничения веса и пространства, пространство для установки резонатора в ракетном двигателе ограничено. Таким образом, регулирование объема и длины входной части резонатора относительно области, где возникают колебания давления, затруднено.
[0006] Настоящее изобретение направлено на решение упомянутых проблем, при этом настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы, которая состоит в создании камеры сгорания и ракетного двигателя, позволяющих ограничить увеличение размеров и веса и обеспечивающих подавление колебаний горения.
Решение технической проблемы
[0007] Для решения указанной технической проблемы камера сгорания содержит устройство впрыска, выполненное с возможностью впрыскивания окисляющего агента и горючего из поверхности впрыска, жаровую трубу, выполненную с возможностью образования газообразного продукта сгорания путем сжигания окисляющего агента и горючего, впрыскиваемых из устройства впрыска, резонатор, соединенный с возможностью сообщения с жаровой трубой через канал связи, и перфорированную пластину, выполненную в канале связи.
[0008] Таким образом, когда устройство впрыска впрыскивает окисляющий агент и горючее в жаровую трубу и окисляющий агент и горючее сгорают в жаровой трубе, образуется газообразный продукт сгорания. При этом жаровая труба имеет собственную частоту колебаний воздушного столба, соответствующую длине и диаметру, и во время сгорания возникают флуктуации давления заданной частоты. Однако указанные флуктуации давления уменьшают посредством резонатора. В этом случае можно регулировать диапазон поглощаемых резонатором звуковых частот путем выполнения перфорированной пластины в канале связи резонатора и регулирования коэффициента перфорации перфорированной пластины без изменения объема резонатора. В результате можно ограничить увеличение размеров и веса резонатора и обеспечить подавление колебаний горения.
[0009] В камере сгорания согласно настоящему изобретению перфорированная пластина расположена на стороне жаровой трубы в канале связи так, чтобы быть обращенной к жаровой трубе.
[0010] Таким образом, перфорированная пластина может ограничивать протекание газообразного продукта сгорания через канал связи из жаровой трубы в резонатор. В результате можно предотвратить повреждение резонатора.
[0011] В камере сгорания согласно настоящему изобретению множество резонаторов отстоят друг от друга с заданными интервалами в окружном направлении, при этом в каждом из резонаторов в канале связи выполнена перфорированная пластина.
[0012] Таким образом, резонаторы могут соответствующим образом поглощать флуктуации давления, возникающие в жаровой трубе.
[0013] В камере сгорания согласно настоящему изобретению множество перфорированных пластин имеет различные коэффициенты перфорации.
[0014] Таким образом, можно обеспечить множество диапазонов поглощаемых резонаторами звуковых частот и улучшить характеристики резонаторов путем установления коэффициента перфорации каждой из перфорированных пластин отличным от других.
[0015] В камере сгорания согласно настоящему изобретению множество резонаторов имеет одинаковую наружную форму и разные объемы.
[0016] Таким образом, можно обеспечить множество диапазонов поглощаемых резонаторами звуковых частот и улучшить характеристики резонаторов путем выполнения объема каждого из резонаторов отличным от других.
[0017] В камере сгорания согласно настоящему изобретению в перфорированной пластине сформировано ступенчатое отверстие.
[0018] Таким образом, можно увеличить диапазоны поглощаемых резонаторами звуковых частот и улучшить характеристики резонаторов путем формирования ступенчатого отверстия в перфорированной пластине.
[0019] В камере сгорания согласно настоящему изобретению множество перфорированных пластин расположено с заданными интервалами в направлении сообщения в канале связи.
[0020] Таким образом, можно с высокой точностью регулировать диапазон поглощаемых резонатором звуковых частот и улучшать характеристики резонатора путем размещения перфорированных пластин в канале связи.
[0021] Ракетный двигатель согласно настоящему изобретению содержит камеру сгорания, устройство подачи окисляющего агента, выполненное с возможностью подачи окисляющего агента в камеру сгорания, и устройство подачи горючего, выполненное с возможностью подачи горючего в камеру сгорания.
[0022] Таким образом, можно регулировать диапазон поглощаемых резонатором звуковых частот путем регулирования коэффициента перфорации перфорированной пластины без изменения объема резонатора и ограничивать увеличение размеров и веса резонатора, обеспечивая при этом подавление колебаний горения. В результате могут быть улучшены эксплуатационные характеристики.
Полезные эффекты изобретения
[0023] В камере сгорания и ракетном двигателе согласно настоящему изобретению резонатор соединен с возможностью сообщения с жаровой трубой через канал связи, при этом в канале связи выполнена перфорированная пластина. Таким образом, можно регулировать диапазон поглощаемых резонатором звуковых частот путем регулирования коэффициента перфорации перфорированной пластины и ограничивать увеличение размеров и веса резонатора, обеспечивая при этом подавление колебаний горения.
Краткое описание чертежей
[0024] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение камеры сгорания согласно первому варианту осуществления.
Фиг. 2 представляет собой вид сверху резонатора, присоединенного к камере сгорания.
Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания.
Фиг. 4 представляет собой вид спереди резонатора.
Фиг. 5 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость коэффициентов поглощения звука от частот множества коэффициентов перфорации.
Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания, согласно второму варианту осуществления.
Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания, согласно третьему варианту осуществления.
Фиг. 8-1 представляет собой вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания, согласно четвертому варианту осуществления.
Фиг. 8-2 представляет собой вид в разрезе другого резонатора, присоединенного к камере сгорания.
Осуществление изобретения
[0025] Далее будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи предпочтительные варианты осуществления камеры сгорания и ракетного двигателя согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено представленными вариантами осуществления, и, если есть несколько вариантов осуществления, соответствующие варианты осуществления могут быть надлежащим образом объединены.
[0026] Первый вариант осуществления
На фиг. 1 показана схема, иллюстрирующая камеру сгорания согласно первому варианту осуществления.
[0027] Как показано на фиг. 1, в первом варианте осуществления камера 10 сгорания содержит устройство 11 впрыска, жаровую трубу 12 и сопло 13. Движущая сила в камере 10 сгорания обеспечивается путем преобразования энергии, получаемой в результате химической реакции горючего, которое является также ракетным топливом, так чтобы обеспечить движение выходящих газов. Другими словами, движущую силу обеспечивают путем смешивания и сжигания жидкого кислорода и газообразного водорода, впрыскиваемых в жаровую трубу 12 из устройства 11 впрыска в жаровой трубе 12, образования газообразного продукта сгорания и выведения газообразного продукта сгорания, подаваемого из жаровой трубы 12 через сопло 13.
[0028] В устройстве 11 впрыска в основном корпусе 21 устройства впрыска расположено множество инжекторов 22. Каждый из инжекторов 22 выполнен с возможностью впрыскивания горючего и окисляющего агента в жаровую трубу 12 из поверхности 23 впрыска. Хотя это не проиллюстрировано, инжектор 22 содержит внутренний цилиндр и наружный цилиндр. Во внутреннем цилиндре образован канал для подачи окисляющего агента, при этом инжектор 22 впрыскивает окисляющий агент, подаваемый из линии 102 подачи окисляющего агента, в жаровую трубу 12. Наружный цилиндр охватывает наружную периферийную поверхность внутреннего цилиндра. Таким образом, между внутренним цилиндром и наружным цилиндром образован канал для подачи горючего. Инжектор 22 впрыскивает горючее, подаваемое из линии 101 подачи горючего, в жаровую трубу 12.
[0029] Жаровую трубу 12 применяют для сжигания жидкого кислорода и газообразного водорода, впрыскиваемых из инжекторов 22. Жидкий кислород и газообразный водород, впрыскиваемые из инжекторов 22, распыляются в жаровую трубу 12, смешиваются и сгорают. Жаровая труба 12 содержит периферийную стенку 24, имеющую цилиндрическую форму. Периферийная стенка 24 ограничивает внутреннюю часть жаровой трубы 12, при этом внутренняя периферийная поверхность периферийной стенки 24 расположена ортогонально поверхности 23 впрыска.
[0030] Поверхность 23 впрыска представляет собой поверхность, из которой впрыскивают жидкий кислород и газообразный водород в жаровую трубу 12 и которая имеет круглую форму. Отверстия впрыска инжекторов 22 выходят на поверхность поверхности 23 впрыска. Инжекторы 22 (отверстия впрыска) выполнены концентрично относительно поверхности 23 впрыска и расположены в радиальном направлении поверхности 23 впрыска. Поверхность 23 впрыска выполнена в концевой части периферийной стенки 24 в осевом (продольном) направлении, при этом на другом конце периферийной стенки 24 выполнено сопло 13. В жаровой трубе 12 в периферийной стенке 24 предусмотрен канал охлаждения (не показан).
[0031] Внутренний диаметр жаровой трубы 12 является по существу постоянным. Сопло 13 сформировано как продолжение периферийной стенки 24 жаровой трубы 12, при этом внутренняя часть сопла 13 соединена с возможностью сообщения с жаровой трубой 12. Движущую силу в сопле 13 обеспечивают путем выведения газообразного продукта сгорания, образующегося в жаровой трубе 12.
[0032] В камере 10 сгорания выполнен резонатор 31, который подавляет колебания горения. На фиг. 2 показан вид сверху резонатора, присоединенного к камере сгорания. На фиг. 3 показан вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания. На фиг. 4 показан вид спереди резонатора.
[0033] Как показано на фиг. 1 и 2, резонатор 31 расположен снаружи жаровой трубы 12 в основном корпусе 21 устройства впрыска, при этом множество (восемь в настоящем варианте осуществления) резонаторов 31 отстоят друг от друга с заданными интервалами в окружном направлении основного корпуса 21 устройства впрыска. Другими словами, как показано на фиг. 3 и 4, резонатор 31 представляет собой часть 33 пространства, образованную рамой 32, при этом направляющая пластина 34 образует канал 35 связи. Направляющая пластина 34 отделена от плоской части 32а рамы 32 и расположена параллельно плоской части 32а на фиксированном расстоянии от нее. Таким образом, канал 35 связи имеет одинаковую ширину W и заданную длину L, как и у рамы 32, и одинаковую площадь сечения вдоль направления сообщения. Часть 33 пространства резонатора 31 сообщается с жаровой трубой 12 через канал 35 связи.
[0034] В канале 35 связи резонатора 31 выполнена перфорированная пластина 41. В перфорированной пластине 41 сформировано множество коммуникационных отверстий 42. Перфорированная пластина 41 расположена в канале 35 связи со стороны жаровой трубы 12 и обращена к жаровой трубе 12. Другими словами, наружная поверхность перфорированной пластины 41 и внутренняя периферийная поверхность периферийной стенки 24 жаровой трубы 12 являются непрерывными поверхностями без ступенек.
[0035] Как описано выше, резонаторы 31 выполнены вдоль окружного направления устройства 11 впрыска, при этом перфорированная пластина 41 выполнена в канале 35 связи каждого из резонаторов 31.
[0036] В этом случае коэффициент перфорации перфорированной пластины 41 регулируют в соответствии с толщиной перфорированной пластины 41, количеством коммуникационных отверстий 42 и внутренним диаметром каждого из указанных отверстий. Коэффициент перфорации устанавливают в соответствии с частотой колебаний горения в жаровой трубе 12 камеры сгорания 10. На фиг. 5 представлен график, иллюстрирующий зависимость коэффициентов поглощения звука от частот множества коэффициентов перфорации. На графике на фиг. 5 показаны коэффициенты поглощения в зависимости от частоты колебаний горения. Коэффициент А перфорации составляет 30%, коэффициент В перфорации составляет 20%, коэффициент С перфорации составляет 10%, коэффициент D перфорации составляет 6%, и коэффициент Е перфорации составляет 2,5%. Как видно из графика, диапазон поглощаемых звуковых частот уменьшается с уменьшением коэффициента перфорации перфорированной пластины 41. Однако коэффициент поглощения звука с уменьшением коэффициента перфорации перфорированной пластины 41 увеличивается. Таким образом, резонатор 31 может соответствующим образом подавлять колебания горения, возникающие в жаровой трубе 12 путем установления значения коэффициента перфорации перфорированной пластины 41 в соответствии с частотой колебаний горения, возникающих в жаровой трубе 12.
[0037] Таким образом, камера сгорания согласно первому варианту осуществления содержит устройство 11 впрыска, выполненное с возможностью впрыскивания окисляющего агента и горючего из поверхности 23 впрыска, жаровую трубу 12, выполненную с возможностью образования газообразного продукта сгорания путем сжигания окисляющего агента и горючего, впрыскиваемых из устройства 11 впрыска, резонатор 31, соединенный с возможностью сообщения с жаровой трубой 12 через канал 35 связи, и перфорированную пластину 41, выполненную в канале 35 связи.
[0038] Таким образом, когда устройство 11 впрыска впрыскивает окисляющий агент и горючее в жаровую трубу 12, и окисляющий агент и горючее сгорают в жаровой трубе 12, образуется газообразный продукт сгорания. При этом жаровая труба 12 имеет собственную частоту колебаний воздушного столба, соответствующую длине и диаметру, причем во время горения возникают флуктуации давления заданной частоты. Однако указанные флуктуации давления уменьшают посредством резонатора 31. В этом случае можно регулировать диапазон поглощаемых резонатором 31 звуковых частот путем выполнения перфорированной пластины 41 в канале 35 связи резонатора 31 и регулирования коэффициента перфорации перфорированной пластины 41 без изменения объема резонатора 31. В результате можно ограничить увеличение размеров и веса резонатора 31 и обеспечить подавление колебаний горения.
[0039] В камере сгорания согласно первому варианту осуществления перфорированная пластина 41 расположена в канале 35 связи со стороны жаровой трубы 12 и обращена к жаровой трубе 12. Таким образом, перфорированная пластина 41 может ограничивать протекание газообразного продукта сгорания через канал 35 связи из жаровой трубы 12 в резонатор 31. Таким образом, можно предотвратить повреждение резонатора 31.
[0040] В камере сгорания согласно первому варианту осуществления резонаторы 31 отстоят друг от друга с заданными интервалами в окружном направлении устройства 11 впрыска, и в канале 35 связи каждого из резонаторов 31 выполнена перфорированная пластина 41. Следовательно, резонаторы 31 могут соответствующим образом поглощать флуктуации давления, возникающие в жаровой трубе 12
[0041] Камеру сгорания 10 применяют в ракетном двигателе согласно первому варианту осуществления. Таким образом, можно регулировать диапазон поглощаемых резонатором 31 звуковых частот путем регулирования коэффициента перфорации перфорированной пластины 41 без изменения объема резонатора 31. Следовательно, можно ограничить увеличение размеров и веса резонатора 31 и обеспечить подавление возникновения колебаний горения. В результате можно улучшить эксплуатационные характеристики резонатора 31.
[0042] Второй вариант осуществления
На фиг. 6 показан вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания, согласно второму варианту осуществления. Одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые компоненты, которые выполняют те же функции, что и в описанном выше варианте осуществления, при этом подробное описание этих компонентов и функций отсутствует.
[0043] Во втором варианте осуществления, как показано на фиг. 6 резонатор 51, подавляющий колебания горения, выполнен в устройстве 11 впрыска. Резонатор 51 соединен с возможностью сообщения с жаровой трубой 12 через канал 52 связи. В канале 52 связи резонатора 51 выполнена перфорированная пластина 53. В перфорированной пластине 53 сформировано множество коммуникационных отверстий 54, при этом каждое из коммуникационных отверстий 54 представляет собой ступенчатое отверстие. Другими словами, коммуникационное отверстие 54 представляет собой отверстие, в котором отверстие 54а большого диаметра и отверстие 54b малого диаметра, сформированные концентрично, выполнены как продолжение друг друга. В этом случае отверстие 54а большого диаметра расположено со стороны жаровой трубы 12.
[0044] Таким образом, в камере сгорания согласно второму варианту осуществления в канале 52 связи резонатора 51 выполнена перфорированная пластина 53 и в перфорированной пластине 53 выполнены коммуникационные отверстия 54, каждое из которых представляет собой ступенчатое отверстие. В результате можно увеличить диапазон поглощаемых резонатором 51 звуковых частот и улучшить эксплуатационные характеристики резонатора 51.
[0045] Третий вариант осуществления
На фиг. 7 показан вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания, согласно третьему варианту осуществления. Одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые компоненты, которые выполняют те же функции, что и в описанном выше варианте осуществления, при этом подробное описания этих компонентов и функций отсутствует.
[0046] В третьем варианте осуществления, как показано на фиг. 7, в устройстве 11 впрыска выполнен резонатор 61, который подавляет колебания горения. Резонатор 61 соединен с возможностью сообщения с жаровой трубой 12 через канал 62 связи. В резонаторе 61 в канале 62 связи выполнено множество (в настоящем варианте осуществления - две) перфорированных пластин 63 и 64. Перфорированные пластины 63 и 64 в канале 62 связи отстоят друг от друга с заданными интервалами в направлении сообщения. В перфорированных пластинах 63 и 64 сформированы коммуникационные отверстия 65 и 66, при этом внутренние диаметры, количество и положение коммуникационных отверстий 65 и 66 различны. В результате коэффициенты перфорации перфорированных пластин 63 и 64 отличаются друг от друга.
[0047] Таким образом, в камере сгорания согласно третьему варианту осуществления в канале 62 связи резонатора 61 выполнены перфорированные пластины 63 и 64, при этом перфорированные пластины 63 и 64 отстоят друг от друга с заданными интервалами в направлении сообщения в канале 62 связи. В результате можно увеличить диапазон поглощаемых резонатором 61 звуковых частот и улучшить эксплуатационные характеристики резонатора 61.
[0048] Четвертый вариант осуществления
На фиг. 8-1 показан вид в разрезе резонатора, присоединенного к камере сгорания, согласно четвертому варианту осуществления. На фиг. 8-2 показан вид в разрезе другого резонатора, присоединенного к камере сгорания. Одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые компоненты, которые выполняют те же функции, что и в описанном выше варианте осуществления, при этом подробное описание этих компонентов и функций отсутствует.
[0049] В четвертом варианте осуществления, как показано на фиг. 8-1 и 8-2, в окружном направлении в устройстве 11 впрыска выполнено множество (например, восемь, как показано на фиг. 2) резонаторов 71 и 81, которые подавляют колебания горения. Резонаторы 71 и 81 расположены поочередно в окружном направлении устройства 11 впрыска, и хотя наружная форма резонаторов 71 и 81 одинакова, их объемы различны.
[0050] Другими словами, как показано на фиг. 8-1, резонатор 71 представляет собой часть 72 пространства, имеющую большой объем и соединенную с возможностью сообщения с жаровой трубой 12 через канал 73 связи. В резонаторе 71 в канале 73 связи выполнена перфорированная пластина 74, в которой сформировано множество коммуникационных отверстий 75. С другой стороны, как показано на фиг. 8-2, резонатор 81 представляет собой часть 82 пространства, имеющую небольшой объем и соединенную с возможность сообщения с жаровой трубой 12 через канал 83 связи. В резонаторе 81 в канале 83 связи выполнена перфорированная пластина 84, в которой сформировано множество коммуникационных отверстий 85.
[0051] Как показано на фиг. 8-1 и 8-2, в резонаторах 71 и 81 диапазоны поглощаемых звуковых частот колебаний горения отличаются, поскольку объем части 82 пространства отличается. Таким образом, можно подавлять колебания горения в указанных диапазонах частот. В этом случае количество различных резонаторов 71 и 81 не ограничено двумя, но также можно выполнить три или более резонаторов 71 и 81.
[0052] Таким образом, в камере сгорания согласно четвертому варианту осуществления наружные диаметры резонаторов 71 и 81 выполнены одинаковыми, а объемы частей 72 и 82 пространства выполнены разными. В результате можно обеспечить множество диапазонов поглощаемых резонаторами 71 и 81 звуковых частот и улучшить эксплуатационные характеристики резонаторов 71 и 81.
[0053] В настоящем описании диапазоны поглощаемых звуковых частот обеспечивают путем выполнения резонаторов 71 и 81, имеющих разные объемы. Однако конфигурация не ограничена этим решением. Например, объемы частей пространств резонаторов могут быть выполнены одинаковыми, а коэффициенты перфорации перфорированных пластин, выполненных в каналах связи, могут быть разными. В этом случае также можно обеспечить диапазоны поглощаемых резонаторами звуковых частот и улучшить эксплуатационные характеристики резонаторов.
Список номеров позиций
[0054] 10 камера сгорания
11 устройство впрыска
12 жаровая труба
13 сопло
21 основной корпус устройства впрыска
22 инжектор
23 поверхность впрыска
24 периферийная стенка
31, 51, 61, 71, 81 резонатор
32 рама
33, 72, 82 пространство
34 направляющая пластина
35, 52, 62, 73, 83 канал связи
41, 53, 63, 64, 74, 84 перфорированная пластина
42, 54, 65, 66, 75, 85 коммуникационное отверстие
101 линия подачи горючего
102 линия подачи окисляющего агента