Способ обеспечения устойчивого горения в жидкостном ракетном двигателе

 

Использование: в жидкостных ракетных двигателях. Сущность изобретения: создают при запуске зону горения при опережении подачи в камеру сгорания одного из компонентов путем временного перекрытия части форсунок по одному из компонентов топлива. Это покрытие форсунок может осуществляться путем установки в форсунках пирошашек, выгорающих в процессе запуска, установки в форсунках легкоплавких элементов, в том числе выполненных из сплава Вуда или индия, а также подачи в форсунки нейтрального газа. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), конкретно к обеспечению устойчивого горения в ЖРД.

Обеспечение устойчивого горения в ЖРД (в тяговой камере, в газогенераторе) является одной из проблем, которые приходится решать разработчикам ЖРД. Неустойчивость проявляется в самопроизвольных колебаниях с большой амплитудой параметров, определяющих рабочий процесс ЖРД (давления, скорости, температуры газа и т. д. ). Особую опасность представляет высокочастотная неустойчивость, характеризующаяся возникновением на пусковом режиме колебаний газа в камере сгорания и газогенераторе с частотой свыше 1000 Гц, что приводит к разрушению материальной части (Космонавтика: Энциклопедия. М. Сов. энциклопедия, 1985, статья "Неустойчивость рабочего процесса"). Как правило, высокочастотная неустойчивость горения возникает на режиме запуска ЖРД.

Известен способ обеспечения устойчивости горения в ЖРД, включающий создание демпфирующего газожидкостного объема в зоне горения (камеры сгорания, газогенератора) (Неустойчивость горения в ЖРД. Пер. с англ. М. 1975, с. 621-625).

Известен способ обеспечения устойчивого горения в ЖРД, включающий создание при запуске зоны горения при опережении подачи в камеру сгорания одного из компонентов топлива путем временного перекрытия форсунок по одному из компонентов топлива (М.И. Шевелюк. Теоретические основы проектирования ЖРД. М. Оборонгиз, 1960, с. 616-618, 620-623 (прототип).

Однако указанный способ, рассчитанный на создание в начальный момент парогазового (капельно-жидкостного) облако-демпфирующего объема, не является эффективным в процессе выхода на номинальный режим.

Изобретение решает техническую задачу создания простого и эффективного способа обеспечения устойчивого горения в ЖРД в процессе выхода на номинальном режиме. Эта задача решается за счет того, что в способе обеспечения устойчивого горения в ЖРД, включающем создание при запуске зоны горения при опережении подачи в камеру сгорания одного из компонентов топлива путем временного перекрытия форсунок по одному из компонентов топлива, согласно изобретению перекрытие осуществляют на части форсунок. Перекрытие форсунок могут осуществлять установкой в них пирошашек, выгорающих в процессе запуска, кроме того, перекрытие могут осуществлять установкой легкоплавких элементов, в том числе, выполненных из сплава Вуда или сплавов индия, кроме того, перекрытие форсунок могут осуществлять путем подачи в них нейтрального газа, в качестве которого могут использовать азот.

От применения изобретения ожидается технический результат, состоящий в повышении надежности работы ЖРД на режиме запуска в процессе выхода на номинальный режим.

Поясним существо изобретения на конкретном примере его осуществления, применительно к двигателю типа РД-107, устанавливаемому на ракетах-носителях "Восток" и "Союз". Камера сгорания этого ЖРД содержит форсуночную головку (фиг. 1) с центральным подводящим патрубком 1, крышкой 2 и двумя плоскими днищами 3 и 4, в которых размещено 277 двухкомпонентных 5 и 60 однокомпонентных 6 форсунок центробежного типа, с тангенциальным подводом жидкого кислорода (окислитель) и керосина (горючее). Схема расположения форсунок представлена на фиг. 2, а конструкция форсунок на фиг. 3, 4. Жидкий кислород поступает к форсункам из верхней полости головки через патрубок 1, а керосин от периферии головки после прохождения камеры (фиг. 1 4 заимствованы из книги: "Космонавтика/Энциклопедия". М. Сов.энциклопедия, 1985, с. 426).

Чтобы осуществить предлагаемый способ, при сборке двигателя в каналы окислителя форсунок занимающих сектор с центральным углом α (в конкретном примере 60^o), вставляют герметично, при помощи клея цилиндрические пирошашки торцового горения. В процессе предстартовой подготовки в рабочее пространство (зону горения) камеры вставляют (согласно эксплуатационно-технической документации) пирозажигательное устройство. При включении двигателя в работу подают в определенной последовательности, определяемой штатной циклограммой запуска, электрические команды на открытие топливных клапанов и задействование пирозажигательного устройства. К форсункам поступают окислитель и горючее, которые смешиваются в рабочем пространстве (зоне горения), и смесь воспламеняется (от пирозажигательного устройства), образуя высокотемпературные продукты сгорания, которые поступают в реактивное сопло. Причем в ту часть пространства камеры, где в форсунках установлены пирошашки, окислитель не поступает, а поступает только горючее в распыленном виде, образуя газожидкостный объем, заполненный испаряющимся каплями (керосина). Этот объем выполняет роль демпфера, в котором рассеивается энергия колебаний, генерируемая процессом горения в остальном пространстве камеры, что препятствует возникновению высокочастотных пульсаций давления.

От срабатывающего пирозажигательного устройства воспламеняются также пирошашки, установленные в форсунках. Они выгорают примерно через 15 с (что соответствует времени выхода двигателя на номинальный рабочий режим по штатной схеме запуска), открывая доступ окислителю в зону горения камеры через все форсунки, и двигатель выходит на расчетный режим. На этом режиме высокочастотные пульсации в камере не возникают.

Отметим, что состав и размеры (длину) форсуночных пирошашек, как и места их установки, вначале рассчитывают и затем уточняют экспериментально. Вместо пирошашек в форсунки могут устанавливаться легкоплавкие (например пластмассовые) вставки, рассчитанные на выгорание в процессе запуска двигателя, либо каналы форсунок могут заплавляться легкоплавкими составами (сплавы Вуда, индия и т.д.) в расчете на их удаление при включении двигателя в работу за счет теплоты из зоны горения или за счет нагрева горючим, поступающим из охлаждающего тракта камеры. Из всех этих способов применение форсуночных пирошашек представляется наиболее простым и удобным способом, обеспечивающим стабильный, контролируемый запуск. (Применимость других способов ограничена в основном двигателями с кратковременным выходом на номинальный режим до приблизительно 3 с).

Вместо механического перекрытия форсунок может использоваться газодинамический способ, включающий заполнение форсуночных каналов нейтральным газом (азот, гелий). Применительно к описанной выше форсуночной головке двигателя РД-107 этот способ может осуществляться следующим образом. В процессе запуска одновременно с задействованием пирозажигательного устройства включают подачу (например из специального баллона) газообразного азота под давлением в полость окислителя форсуночной головки через штуцер 7, расположенный на периферии крышки 2. Азот заполняет примыкающую к штуцеру часть полости окислителя, поступая в каналы окислителя соответствующих форсунок, что препятствует поступлению в них кислорода из центрального патрубка 1. Через время, соответствующее выходу двигателя на номинальный режим по штатной схеме, подачу азота в полость головки (продувку полости) прекращают. Эта операция может осуществляться и автоматически при определенном превышении давления кислорода над давлением азота в продувочной магистрали, снабженной обратным клапаном.

Технический результат от использования изобретения состоит в повышении надежности функционирования ЖРД за счет предотвращения высокочастотных колебаний газа в зонах горения (камеры сгорания, газогенератора) в режиме запуска.

Формула изобретения

1. Способ обеспечения устойчивости горения в ЖРД, включающий создание при запуске зоны горения при опережении подачи в камеру сгорания одного из компонентов топлива путем временного перекрытия форсунок по одному из компонентов топлива, отличающийся тем, что перекрытие осуществляют на части форсунок.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перекрытие форсунок осуществляют установкой в них пирошашек, выгорающих в процессе запуска.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перекрытие форсунок осуществляют установкой в них легкоплавких элементов.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что легкоплавкие элементы выполняют из сплава Вуда или из индия.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перекрытие форсунок осуществляют путем подачи в них нейтрального газа.

6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что в качестве нейтрального газа используют азот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4