КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ БЕЗ ДОЖИГАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА, РАБОТАЮЩАЯ ПО СХЕМЕ "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ"

Область техники
Полезная модель относится к ракетно-космической технике и, в частности, к конструкции камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Предлагаемая полезная модель является дальнейшим совершенствованием технических решений, изложенных в патентах РФ №2459970 и №126376.
Предшествующий уровень техники
Известен жидкостный ракетный двигатель открытой схемы (патент РФ №2459970, МПК F02K 9/48, 2012), содержащий камеру, смесительную головку, включающую наружное, среднее и огневое днища, которые скреплены между собой форсунками окислителя и горючего, турбонасосный агрегат, состоящий из двух одноступенчатых шнекоцентробежных насосов, турбину, рабочим телом которой является генераторный газ, вырабатываемый в двухкомплектном газогенераторе, питаемом от основных компонентов топлива - жидкого окислителя и жидкого углеводородного горючего, при этом отвод отработанного генераторного газа после турбины соединен с выхлопной системой, заканчивающейся расширяющимся насадком, кроме того, в схему двигателя входят регулятор тяги и дроссель соотношения компонентов топлива, установленные на соответствующих магистралях, а также клапаны окислителя и горючего, отличающийся тем, что в магистрали жидкого окислителя между выходом из насоса окислителя и входом в смесительную головку камеры сгорания двигателя установлен газификатор, представляющий собой двухзонную конструкцию, при этом в первой зоне происходит горение при стехиометрическом соотношении небольших количеств окислителя и горючего, а во второй - испарение (газификация) основного потока окислителя при его смешении с вытекающими из первой зоны продуктами сгорания, а в смесительной головке камеры размещены струйные газовые форсунки окислителя, выходящие в полость головки, которая соединена с выходом газификатора.
Для обеспечения работоспособности такого двигателя необходимо изготовить газификатор и разместить его перед смесительной головкой камеры сгорания. Это приведет к увеличению массы и габаритов двигателя. Аналог.
Такое решение приведет к увеличению осевых размеров и увеличению массы двигателя.
Известен также газификатор для жидкостного ракетного двигателя открытой схемы (патент РФ ПМ №126376, МПК F02K 9/48, 2013 г.), содержит смесительную головку и камеру с выходным патрубком, при этом смесительная головка включает крышку, среднее и огневое днища, которые образуют полости горючего и окислителя, указанные полости через патрубки, выполненные в корпусе смесительной головки, соединены с системой подачи окислителя и горючего, причем между средним и огневым днищами равномерно расположены по концентрическим окружностям смесительные элементы, кроме того, имеется пояс разбавления, отличающийся тем, что в качестве смесительных элементов применены форкамеры, каждая из которых выполнена в виде цельноточенного корпуса с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через отверстия, выполненные в корпусе форкамеры, соединены с полостью горючего, а форсунки окислителя через отверстия соединены с полостью окислителя, при этом указанные форсунки соединены со смесительной камерой, кроме того, корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в среднем днище, а со стороны смесительных камер в сквозных отверстиях огневого днища с образованием кольцевых каналов-поясов разбавления, которые гидравлически соединены с полостью окислителя.
Известный газификатор жидкого кислорода имеет меньшие габариты и массу по сравнению с аналогом. Однако его использование в двигателях без дожигания генераторного газа также приведет к увеличению массы и габаритов двигателя. Прототип.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание надежно работающей камеры ЖРД с улучшенными массогабаритными характеристиками.
Эта задача решена за счет того, что в камере жидкостного ракетного двигателя без дожигания генераторного газа и работающая по схеме «газ-жидкость», содержащей силовой корпус, в котором выполнены каналы регенеративного охлаждения, смесительную головку, состоящей из внутреннего, среднего и наружного днищ, которые образуют две основные полости головки: внутреннюю, в которую поступает горючее - керосин непосредственно из каналов регенеративного охлаждения и наружную полость окислителя - жидкого кислорода, и струйно-центробежные форсунки, равномерно расположенные во внутреннем днище, например по концентрическим окружностям, при этом указанные форсунки выполнены в виде двух соосно расположенных трубок, причем внутренние трубки закреплены в отверстиях среднего днища и выступают в полость окислителя, а наружные - укороченные трубки - насадки коаксиально установлены относительно внутренних трубок с образованием кольцевого зазора и имеют тангенциальные отверстия, соединяющие внутреннюю полость с кольцевым зазором, при этом в смесительной головке установлен газификатор жидкого кислорода, состоящий из форкамер выполненных за одно целое с внутренними трубками струйно-центробежных форсунок - трубок газификатора, соосно расположенных между собой, а в наружном днище выполнена дополнительная топливная полость и каналы, подводящие горючее в форкамеры, при этом каждая форкамера имеет корпус с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через тангенциальные отверстия, выполненные в корпусе форкамер, соединены с кольцевыми расточками, которые через указанные каналы соединены с дополнительной топливной полостью, а форсунки окислителя через тангенциальные отверстия соединены с полостью окислителя, при этом корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в кольцевых расточках, выполненных в наружном днище, а со стороны смесительных камер закреплены во внутренних полостях трубок газификатора с образованием кольцевого зазора, который соединен с полостью окислителя.
Другими отличиями являются:
- трубки газификатора выполнены длиной равной 10-15 их диаметров;
- крепление смесительных камер к трубкам газификатора осуществлено через пилоны, выполненных на одной из сопряженных поверхностей смесительных камер или трубок газификатора;
- трубки газификатора выполнены длиной равной 10-15 ее диаметров;
- внутри каждой трубки газификатора выполнен кольцевой буртик, ширина 2-3 мм, а высота 5-10% от диаметра трубки газификатора.
Технический результат - упрощение конструкции камеры двигателя, обеспечение тех же задач с меньшим количеством агрегатов. Наличие трубок газификатора, выполненных за одно целое со струйно-центробежными форсунками смесительной головки камеры двигателя вместо автономного газификатора для прототипа, благоприятно сказывается на повышении надежности.
Перечень чертежей
На фиг. 1 представлен фрагмент продольного сечения камеры ЖРД.
На фиг. 2 представлено продольное сечение элемента газификатора.
Пример осуществления полезной модели
Камера (фиг. 1) содержит силовой корпус 1, в котором выполнены каналы регенеративного охлаждения 2 и смесительную головку 3. Смесительная головка 3 включает внутреннее 4, среднее 5 и наружное 6 днища, которые образуют две основные полости головки: внутреннюю 7, в которую поступает горючее - керосин непосредственно из каналов регенеративного охлаждения 2, и наружную полость окислителя 8, - жидкого кислорода, которая через коллектор 9 соединена с системой подачи жидкого кислорода. Между внутренним днищем 4 и средним днищем 5 равномерно расположены по концентрическим окружностям струйно-центробежные форсунки 10. Эти форсунки 10 (фиг. 1, фиг. 2) выполнены из двух соосно установленных трубок: внутренней трубки 11 и наружной трубки 12 (насадок). Внутренние трубки 11 герметично закреплены в отверстиях 13 среднего днища 5 и выступают в полость окислителя 8. Наружные трубки 12 (насадки) коаксиально установлены относительно внутренних трубок 11, при этом между ними образован кольцевой зазор 14. Верхний участок трубок 12 герметично соединен с трубками 11. На внешней поверхности трубок 12 выполнены тангенциальные отверстия 15, через которые осуществляется подвод горючего из внутренней полости 7 в кольцевой зазор 14, а из него в огневую полость 16 камеры сгорания. Концевые участки трубок 12 герметично закреплены в отверстиях 17 внутреннего днища 4.
Смесительная головка 3 включает также газификатор 18 жидкого кислорода. Он состоит из форкамер 19 (фиг. 2) и трубок газификатора - внутренних трубок 11 струйно-центробежных форсунок 10. Для питания форкамер 19 горючим в наружном днище 6 выполнена дополнительная полость горючего 20, которая через патрубок 21 соединена с системой подачи горючего. Кроме того, в наружном днище 6 по концентрическим окружностям выполнены кольцевые расточки 22, которые через отверстия 23 и каналы 24 соединены с топливной полостью 20.
Каждая форкамера имеет корпус 25 с соосно расположенными в нем форсунками горючего 26 и окислителя 27 и смесительную камеру 28.
Корпус 25 каждой форкамеры 19 со стороны форсунок горючего 26 закреплен в одной из кольцевых расточек 22, а со стороны смесительных камер 28 закреплен во внутренней полости трубок газификатора 11. При этом между концевыми участками смесительных камер и трубок газификатора 11 образованы кольцевые зазоры 29, которые связаны с полостью окислителя 8.
Подача горючего в смесительные камеры 28 осуществляется через форсунки горючего 26, которые через тангенциальные отверстия 30 соединены с кольцевыми расточками 22. Подача окислителя в смесительные камеры 28 осуществляется через форсунки окислителя 27, которые через тангенциальные отверстия 31 соединены с полостью окислителя 8.
Крепление смесительных камер 28 в трубках газификатора 11 осуществляется с помощью пилонов, выполненных на одной из сопрягаемых поверхностей смесительных камер 28 и трубок газификатора 11.
Длина трубок 10 газификатора может составлять 10-15 их диаметров. Кроме того внутри каждой трубки газификатора выполнен кольцевой буртик 32, шириной равной 2-3 мм и высотой равной 5-10% от диаметра трубки газификатора. Такое решение позволяет интенсифицировать процесс газификатора жидкого кислорода на достаточном короткой длине этих трубок.
Для выравнивания эпюры скоростей компонента в полости окислителя 8 среднее днище 5 выполнено сфероидальной формы. В полости горючего установлен вкладыш 33, который также выполнен со сфероидальной поверхностью.
Работа устройства
При работе горючее из каналов регенеративного охлаждения 2 заполняет полость горючего 7 и подается через тангенциальные отверстия 15 в кольцевую полость 14 струйно-центробежных форсунок 10 и далее вводится в огневую полость 16 камеры сгорания. Одновременно горючее из патрубка 21 подается в дополнительную полость горючего 20, а из нее через каналы 24 и отверстия 23 (фиг. 2) в кольцевых расточках 22 поступает в тангенциальное отверстие 30 форсунок горючего 26 и далее в смесительные камеры 28. Окислитель из коллектора 9 подается в полость окислителя 8, а из нее в тангенциальные отверстия 31 попадает в форсунки окислителя 27, а затем в смесительные камеры 28, где смешиваясь с горючим, вызывает реакцию горения. Горение происходит при соотношении компонентов топлива близким к стехиометрическому. Газы высокой температуры и давления с выходов форкамер поступают во внутренние трубки 11 - трубки газификатора, в которых происходит их смешение с жидким кислородом, поступающим из полости окислителя 8 через кольцевые зазоры 29 пояса разбавления, где происходит газификация жидкого кислорода. Затем газообразный кислород поступает в огневую полость 16 камеры сгорания двигателя, где и проходит горение и выход двигателя на режим номинальной тяги.
В отличии от прототипа в предлагаемом техническом решении газификатор выполнен в виде форкамер, установленных внутри смесительной головки, а его элементы газификации являются внутренними трубками струйно-центробежных форсунок смесительной головки что позволило организовать эффективный процесс газификации жидкого кислорода на минимальных длинах и малых объемах смесительной головки.
m
Предлагаемая полезная модель обеспечивает газификацию жидкого кислорода при следующих массовых соотношениях компонентов топлива K:
m
- в форкамерах K≈6÷16 (температура ≈2000°C);
m
- в поясе разбавления K≈100÷50 (температура ≈100÷500°C).
Такое решение позволяет упростить конструкцию двигателя уменьшить осевые габариты камеры двигателя, снизить его массу
Промышленное применение
Предлагаемая полезная модель может найти применение в ракетной технике, и частности, в кислородно-керосиновых ЖРД без дожигания генераторного газа.