Реактивный двигатель (варианты)

 

Изобретение относится к двигателестроению и направлено на повышение эффективности реактивных двигателей (РД) за счет повышения надежности РД и снижения их экологически вредного воздействия на окружающую среду. Целью изобретения является повышение надежности путем облегчения термомеханического нагружения конструкции двигателя и за счет связывания экологически вредных компонент. Цель достигается тем, что РД снабжен емкостью с испарительной жидкостью, впрыскиваемой в камеру сгорания. В случае варианта на жидком топливе жидкость находится в специальном баке, связанном с насосом, вращаемым турбиной общего турбонасосного агрегата, а выход этого насоса связан с камерой сгорания. В случае РД на твердом топливе жидкость размещена либо в центральном блоке (многосопловой вариант), либо в полости между внешней рубашкой и корпусом РД (односопловой вариант), верхняя часть этой полости связана с верхней частью корпуса РД, а нижняя часть - с соплом или камерой сгорания РД. 4 с и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может использоваться при создании реактивных двигателей (РД).

Известен РД, содержащий камеру сгорания, сопловой блок и корпус с твердотопливным зарядом [1].

Известен РД, содержащий многосопловую камеру сгорания с канальным зарядом твердого топлива [1].

Известен реактивный двигатель, содержащий камеру сгорания с соплом, насосы окисления и горючего, расположенные на одном валу с турбиной, топливные баки и магистрали подачи компонентов [2].

Названные РД в процессе функционирования испускают высокотемпературную струю, весьма опасную с точки зрения возможности пожара и взрыва (путем воздействия на элементы наземного оборудования и косвенного влияния на РН), а также хорошо заметную с больших расстояний. Кроме того, компоненты выхлопной струи РДТТ содержат экологически вредные вещества, воздействующие на атмосферу.

Цель изобретения - повышение надежности путем облегчения термомеханического нагружения конструкции двигателя и за счет связывания экологически вредных компонент.

Указанная цель по варианту I достигается тем, что РД, содержащий камеру сгорания, сопловой блок и корпус с зарядом твердого топлива, снабжен дополнительной емкостью с испарительной жидкостью, сообщенной с камерой сгорания, сообщена своей передней частью с передней полостью камеры сгорания, и тем, что дополнительная емкость с испарителем, жидкостью выполнена в виде рубашки, размещенной между корпусом и зарядом, а полость рубашки снабжена продольными радиальными перегородками, разделяющими ее на секции.

Цель вариантов II, III достигается тем, что РД, содержащий многосопловую камеру сгорания с канальным зарядом твердого топлива, снабжен: II - дополнительной емкостью с испарительной жидкостью, размещенной в центральной части твердотопливного заряда, и поршнем, расположенным в ее передней части.

III - дополнительная емкость с испарительной жидкостью выполнена в виде рубашки, размещенной между корпусом и зарядом.

Цель по варианту IV достигается тем, что РД, содержащий камеру сгорания и соплом, насосы окислителя и горючего, расположенные на одном валу с турбиной, топливные баки и магистрали подачи компонентов, снабжен дополнительной емкостью с испарительной жидкостью, выполненной в виде бака с автономным насосом, размещенным на одном валу с насосами горючего и окислителя и турбиной, а выходная магистраль насоса связана с камерой сгорания.

На фиг. 1 показан внешний вид ЖРД; на фиг. 2 - многосопловой РДТТ; на фиг. 3 - односопловой РДТТ; на фиг. 4 - зависимость относительного снижения температуры газовой струи от относительного снижения удельного импульса Ру.

РД содержит сопло 1, камеру сгорания (КС) 2, емкость с испаряемой жидкостью 3 и подводящей магистралью 4. В случае ЖРД в его состав входят топливные баки (ТБ) 5 и 6 соответственно с горючим и окислителем, турбонасосный агрегат (ТНА) 7 с насосами 8 -горючего, 9-окислителя, 10-жидкости. В случае РДТТ в его состав входят корпус 11 с зарядом 12 и герметичным центральным блоком 13 с жидкостью 3.

ТБ 5 и 6 ЖРД связаны магистралями с насосами 8 и 9, подающими горючее и окислитель в КС 2. Емкость с жидкостью 3 (водой) связана магистралью с насосом 10, откуда магистраль 4 идет в КС 2 ниже форсунок горючего и окислителя. Насосы 8,9 и 10 приводятся во вращение турбиной 14, запитываемой от ТБ 5 и 6. В случае многосоплового РДТТ жидкость 3 находится в центральном блоке 13, снабженном сверху поршнем 15 и связанной магистралями 16 с полостью КС 2, которая снабжена также воспламенителем. В случае односоплового РДТТ (фиг. 3) жидкость 3 находится в пространстве между корпусом11 и рубашкой 17. В случае односоплового РДТТ емкость жидкости 3 разгорожена на секции перегородками 18, каждая секция содержит свои магистрали 4 и 16.

В исходном положении сопла 1 РДТТ закрыты заглушками 19, воспламенители обесточены. Топливные магистрали ЖРД и магистраль 4 перекрыты, турбина 14 остановлена.

При пуске включаются РД. В случае РДТТ срабатывает воспламенитель, поджигая заряд 12, образующиеся при этом высокотемпературные продукты сгорания поднимают давление в КС 2, в результате чего вышибаются заглушки 17 и оказывается давление на поршень 15. При этом жидкость 3 из блока 13 через магистрали 4 подается в сопло 1. Там происходит смешение продуктов сгорания и жидкости 3 с ее испарением.

При применении РД удается как значительно снизить температуру истекающей струи, чем добиться минимума ее вредного воздействия на наземное оборудование, так и снизить экологически вредное влияние продуктов сгорания (ПС), поскольку частицы топлива, являющиеся центрами кристаллизации сразу взаимодействуют с парами жидкости 3.

Дадим некоторые количественные оценки. Исходя из уравнений теплового баланса, отношение Т температуры струи с парами жидкости 3 к температуре То продуктов сгорания РД-прототипа можно выразить формулой T = (1), где ϕ - отношение массового расхода ПС топлива 12 (горючего и окислителя) к общему массовому расходу струи (случай ϕ =1 соответствует прототипу), а - отношение теплоемкости Сn паров жидкости 3 к теплоемкости Сг чистых ПС.

Параметр b определяется по формуле b = (2), где С_b, q - теплоемкость жидкости и теплота ее парообразования, Т_к, Т_b - температура кипения и начальная температура жидкости.

Впрыск жидкости скажется и на снижении удельного импульса РД. Отношение y удельных импульсов заявляемых РД к прототипу можно оценить по формуле y ≈ , (3), где - отношение молекулярных масс жидкости и чистых ПС.

Зависимость от y для РДТТ, когда в качестве жидкости взята вода, приведена на фиг. 4. Из полученных результатов следует, что за счет снижения удельного импульса РД всего на 21% можно добиться снижения температуры на 40% . Это означает, что если температура ПС на выходе из сопла РД-прототипа составляла 1000 К, то при использовании жидкости она составит 600 К (321^оС).

Такое снижение температуры способно повысить надежность РД за счет облегчения термомеханического нагружения его конструкции, предотвращения возможного попадания на него высокотемпературных газов при пуске увеличения безотказности наземного оборудования.

Формула изобретения

1. Реактивный двигатель, содержащий камеру сгорания, сопловой блок и корпус с зарядом твердого топлива, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем облегчения термомеханического нагружения конструкции двигателя и за счет связывания экологически вредных компонент, он снабжен дополнительной емкостью с испарительной жидкостью, сообщенной с камерой сгорания.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная емкость с испарительной жидкостью сообщена своей передней частью с передней полостью камеры сгорания.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная емкость с испарительной жидкостью выполнена в виде рубашки, размещенной между корпусом и зарядом, а полость рубашки снабжена продольными радиальными перегородками, разделяющими ее на секции.

4. Реактивный двигатель, содержащий многосопловую камеру сгорания с канальным зарядом твердого топлива, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем облегчения термомеханического нагружения конструкции двигателя и за счет связывания экологически вредных компонент, он снабжен дополнительной емкостью с испарительной жидкостью, размещенной в центральной части твердотопливного заряда, и поршнем, расположенным в ее передней части.

5. Реактивный двигатель, содержащий многосопловую камеру сгорания с канальным зарядом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем облегчения термомеханического нагружения конструкции двигателя и за счет связывания экологически вредных компонент, он снабжен дополнительной емкостью с испарительной жидкостью, которая выполнена в виде рубашки, размещенной между корпусом и зарядом.

6. Реактивный двигатель, содержащий камеру сгорания с соплом, насосы окислителя и горючего, расположенные на одном валу с турбиной топливные баки и магистрали подачи компонентов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем облегчения термомеханического нагружения конструкции двигателя и за счет связывания экологически вредных компонент, он снабжен дополнительной емкостью с испарительной жидкостью, выполненной в виде бака с автономным насосом, размещенным на одном валу с насосами горючего и окислителя и турбиной, а выходная магистраль насоса связана с камерой сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4