ВНУТРЕННЯЯ ОБОЛОЧКА СОПЛА КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к ракетным двигателям, использующих жидкое топливо, а именно к конструкции сопла камеры жидкостного ракетного двигателя.
Полезная модель предназначена для снижения тепловой нагрузки на сопло камеры жидкостного ракетного двигателя, а также для уменьшения массы сопла жидкостного ракетного двигателя.
Во время работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) нагретые газы движутся по соплу камеры сгорания и соплу с очень большой скоростью. В связи с этим для ЖРД характерны большие массовые скорости потока. Что в свою очередь вызывает рост коэффициента конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания к стенкам сопла камеры двигателя. При этом высокие температуры сгорания топлива в ЖРД вызывают большие тепловые потоки от теплоотдачи путем лучеиспускания.
Известно сопло ракетного двигателя (аналог) по патенту RU №2274762, опубл. 20.04.2006, которое имеет форму тела вращения с продольной осью и меняющимся вдоль оси диаметром поперечного сечения и имеет стенку со множеством соседних охлаждающих каналов, которые проходят по существу параллельно друг другу от входного конца сопла до его выходного конца. При изготовлении такого сопла используют множество предварительно обработанных профилей, каждый из которых имеет стенку и расположенные на разных сторонах стенки полки. Каждый профиль фрезеруют, постепенно уменьшая в продольном направлении его ширину. Обработанные профили сгибают по форме соответствующего участка стенки сопла и сваркой соединяют друг с другом их полки, получая в итоге имеющее колоколообразную форму сопло с охлаждающими каналами, образованными стенками и полками каждой пары соседних профилей.
Однако конструкция имеет не постоянную скорость охлаждающего рабочего тела, провоцирует неравномерное распределение температурных полей на поверхности сопла, высокую металлоёмкость и низкую технологичность конструкции из-за необходимости скреплять большое количество отдельных сегментов.
Наиболее близким техническим решением аналогичного назначения является
конструкция камеры жидкостного ракетного двигателя [Патент RU № 2325545, опубл. 07.11.08]. Внутренняя оболочка сопла камеры жидкостного ракетного двигателя оживальной формы с выфрезерованными каналами охлаждающего тракта по наружной стороне, имеющая постоянную толщину огневой стенки, имеет толщину, уменьшающуюся в сторону большего диаметра так, что суммарная площадь каналов охлаждающего тракта в любом сечении является величиной постоянной.
Однако конструкция имеет низкий диапазон контроля теплоотвода от стенок сопла, провоцирует неравномерное распределение температурных полей на поверхности сопла, кроме того из-за высокой металлоёмкости промежуточных ребер серьезно увеличивается масса сопла.
Техническим результатом полезной модели является расширение возможностей контроля теплоотвода от стенок сопла, формирование более равномерного распределения температурных полей на поверхности сопла и уменьшение массы сопла.
Технический результат достигается с помощью того, что во внутренней оболочке сопла камеры жидкостного реактивного двигателя с выфрезерованными прямоугольными каналами охлаждающего тракта по наружной стороне, имеющая постоянную толщину «а» и уменьшающуюся толщину «b» оболочки сопла в сторону большего диаметра, для поддержания постоянной суммарной площади каналов охлаждающего тракта в любом сечении, каналы охлаждающего тракта выполнены по спирали вдоль поверхности сопла камеры жидкостного реактивного двигателя.
На фиг.1 Внешний вид сопла камеры жидкостного ракетного двигателя.
На фиг. 2 изображена внутренняя оболочка сопла камеры жидкостного ракетного двигателя в разрезе.
Каналы охлаждающего тракта выполнены по спирали вдоль поверхности сопла камеры жидкостного реактивного двигателя и представляют собой набор параллельных каналов, выполненных по спирали вдоль поверхности сопла камеры жидкостного реактивного двигателя с шагом навивки, позволяющим расположить на поверхности сопла max количество каналов, что позволяет уменьшить скорость движения охлаждающего тела, тем самым обеспечить интенсивное охлаждение сопла жидкостного реактивного двигателя.
Рассмотрим конкретный пример выполнения сопла камеры жидкостного ракетного двигателя.
На оболочке сопла камеры жидкостного реактивного двигателя с выфрезероваными прямоугольными каналами охлаждающего тракта по наружной стороне, имеющей постоянную толщину огневой стенки и уменьшающуюся толщину оболочки сопла в сторону большего диаметра, для поддержания постоянной суммарной площади каналов охлаждающего тракта в любом сечении, причем каналы охлаждающего тракта выполнены по спирали вдоль поверхности сопла камеры жидкостного ракетного двигателя.
При работе сопла камеры жидкостного реактивного двигателя продукты сгорания компонентов топлива движутся вдоль стенки внутренней оболочки 1 и передают ей тепло. За счет теплопроводности прогревается вся стенка, включая ребра 3. По каналам 2 охлаждающего тракта подается охладитель, который омывает ребра 3 и дно канала 2. Охладитель, имея температуру ниже температуры ребер и дна канала, отбирает у них тепло и нагревается сам.
По сравнению с прототипом и аналогами предложенная конструкция являются наиболее эффективной системой охлаждения сопла камеры жидкостного реактивного двигателя, которая позволяет обеспечивать необходимую интенсивность теплообмена при разных режимах работы двигателя. При этом в качестве параметров, определяющих интенсивность теплообмена в том или ином сечении сопла двигателя, являются max число заходов навивки и шаг навивки охлаждающего тракта.
Уменьшение шага навивки охлаждающего тракта приводит к увеличению интенсивности теплоотвода от стенок сопла в связи с увеличением площади поверхности теплообмена.
При постоянном массовом расходе охладителя и увеличении числа параллельных каналов уменьшается скорость движения керосина в них, а это приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи.
Для увеличения интенсивности теплообмена между стенками сопла и охладителя следует изменять шага навивки канала охлаждающего тракта, а для более тонкой регулировки теплообмена следует использовать изменение количества параллельных каналов.