Система охлаждения камеры сгорания двигателя

Изобретение относится к системе для охлаждения ракетного двигателя. Система содержит множество трубок или каналов хладагента, окружающих камеру сгорания, тороидальный коллектор хладагента для приема хладагента из трубок или каналов хладагента и для выпуска хладагента из выпускного отверстия, и множество поворотных лопаток внутри тороидального коллектора для снижения потерь давления и улучшения однородности распределения давления в тороидальном коллекторе хладагента. Изобретение обеспечивает уменьшение потерь давления в коллекторе и улучшение однородности распределения давления в трубках или каналах и в коллеторе. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе для охлаждения камеры сгорания двигателя, например ракетного двигателя, и, в частности, к тороидальному коллектору хладагента с улучшенными характеристиками, предназначенному для использования в упомянутом двигателе.

Уровень техники

В обычном ракетном двигателе, например, таком, как показанный на Фиг.1, хладагент протекает сквозь множество трубок или каналов 10, которые образуют цилиндрическую стенку 14 камеры 16 сгорания ракетного двигателя. Хладагент выбрасывается на сравнительно высокой скорости в тороидальный коллектор 18 хладагента, который обычно имеет единственное выпускное отверстие (не показано). На поток в отдельных трубках или каналах 10 оказывает влияние давление в коллекторе 18 хладагента. Поскольку желательно получить однородный поток по всем трубкам или каналам 10, то распределение давления в коллекторе 18 хладагента должно быть как можно более равномерным.

Обычно для оптимизации работы ракетного двигателя необходимо, чтобы общие потери давления хладагента было минимальным. Чем больше потери давления хладагента, тем больше требуется давление нагнетания для проталкивания хладагента через двигатель. Для сведения к минимуму общих потерь давления хладагента следует свести к минимуму потери давления, связанные с коллектором 18 хладагента.

В существующей системе, представленной на Фиг.1, хладагент из отдельных трубок или каналов 10 выбрасывается в коллектор 18 хладагента в радиальном или осевом направлении. Попав в коллектор 18, хладагент должен повернуть на 90° и двигаться по кругу в сторону выпускного отверстия коллектора. Этот резкий и неуправляемый поворот является причиной значительных потерь давления в коллекторе 18. Более того, для проталкивания хладагента в выпускное отверстие коллектора на тороидальном коллекторе 18 требуется создать перепад давления, причем максимум давления находится в точке, расположенной с противоположной стороны относительно выпускного отверстия. Этот перепад давления способствует неоднородности потока в трубах или каналах хладагента.

Раскрытие изобретения

Соответственно, задачей настоящего изобретения является усовершенствованная конструкция коллектора, предназначенная для использования в охлаждаемых камерах сгорания двигателя и в которой уменьшены потери давления в коллекторе.

Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной конструкции коллектора, упомянутой выше, в которой улучшена однородность распределения давления в трубках или каналах хладагента и в коллекторе.

Указанные задачи достигаются улучшенной конструкцией и работой тороидального коллектора хладагента в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с настоящим изобретением система охлаждения камеры сгорания двигателя в общем случае содержит группу трубок или каналов хладагента, расположенных вокруг камеры сгорания, тороидальный коллектор хладагента, расположенный с возможностью приема хладагента из указанных трубок или каналов хладагента и выпуска его сквозь выпускное отверстие, и расположенные в тороидальном коллекторе хладагента средства снижения потерь давления и выравнивания (улучшения однородности распределения) давления в указанном тороидальном коллекторе. В предпочтительных вариантах выполнения настоящего изобретения указанные трубки или каналы хладагента образуют стенку камеры сгорания. Указанные средства снижения потерь давления и выравнивания давления содержат группу поворотных (изменяющих направление потока) лопаток, расположенных внутри указанного коллектора. Каждая указанная поворотная лопатка расположена смежно отверстию одной из указанных трубок или каналов хладагента с возможностью изменения направления выходящего из него потока хладагента от радиального или осевого на тангенциальное. По меньшей мере часть из указанных поворотных лопаток имеет большую протяженность, чем другие из указанных поворотных лопаток. Каждая из поворотных лопаток имеет участок дугообразной формы.

Указанный коллектор имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие, а поворотные лопатки встроены во внутреннюю стенку коллектора или расположены внутри него, не препятствуя прохождению основной части хладагента в направлении указанного выпускного отверстия.

Камера сгорания предпочтительно образует часть ракетного двигателя. Другие детали тороидального коллектора хладагента с улучшенными характеристиками в соответствии с настоящим изобретением, а также другие задачи и преимущества изобретения, приведены в нижеследующем подробном описании и приложенных чертежах, где одни и те же элементы имеют одинаковые цифровые обозначения.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлен известный коллектор хладагента для камеры сгорания ракетного двигателя.

На Фиг.2 представлен коллектор хладагента для камеры сгорания двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.3 представлен в увеличенном масштабе коллектор хладагента, показанный на Фиг.2.

Осуществление изобретения

На Фиг.2 и 3 представлена усовершенствованная система 30 охлаждения камеры 32 сгорания двигателя, например ракетного двигателя. В системе 30 имеется группа трубок или каналов 34 хладагента, образующих цилиндрическую стенку камеры 32 сгорания. Трубки или каналы 34 хладагента служат для передачи охлаждающей текучей среды от источника (не показан) текучей среды к тороидальному коллектору 36 хладагента.

Тороидальный коллектор 36 хладагента прилегает к концу 38 каждой трубки или канала 34 хладагента. Тороидальный коллектор 36 хладагента имеет выпускное отверстие 40. В то время как обычно коллектор 36 имеет единственное выпускное отверстие 40, при необходимости он может иметь группу таких отверстий.

Как показано на Фиг.2 и 3, в коллекторе 36 имеется группа лопаток 44. Каждая лопатка 44 совмещена с соответствующей трубкой или каналом 34 хладагента и граничит с отверстием 46 соответствующей трубки или канала 34 хладагента. Каждая лопатка 44 используется для поворота потока хладагента, выходящего из соответствующей трубки или канала хладагента, изменяя его направление от радиального или осевого на тангенциальное, то есть в направлении выпускного(ых) отверстия(ий) 40 коллектора. Поворотные лопатки 44 в значительной степени устраняют потери из-за резкого расширения и перемешивания, имеющие место в существующих коллекторах.

Как показано на Фиг.2 и 3, лопатки 44 встроены во внутреннюю стенку коллектора 36 либо расположены внутри коллектора таким образом, что они не препятствуют прохождению основной части потока хладагента к выпускному(ым) отверстию(ям) 40 коллектора.

Имеющий относительно высокую скорость хладагент, покидающий поворотные лопатки 44, действует как струйный насос для основной массы хладагента, протекающего в направлении выпускного отверстия 40. В результате поворотные лопатки в значительной мере, если не полностью, решают обе проблемы потери давления и однородности распределения давления, свойственные известным тороидальным коллекторам хладагента.

Как показано на Фиг.2 и 3, поворотные лопатки 44 могут иметь различную протяженность изгиба или длину. Например, форма поворотных лопаток 44 может быть сделана такой, что образуется структура с периодическим повторением последовательности четырех лопаток, в которой лопатка 44', имеющая максимальную протяженность, расположена между двумя лопатками 44'', имеющими минимальную протяженность, и лопатка 44''' промежуточной длины также расположена между двумя лопатками 44''.

Хотя тороидальные коллекторы хладагента были описаны применительно к системам охлаждения ракетного двигателя, следует иметь в виду, что тороидальные коллекторы хладагента в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и в двигателях другого типа, а также коллекторных устройствах для сжатого газа.

Таким образом, согласно настоящему изобретению, представлен тороидальный коллектор хладагента с улучшенными характеристиками, который полностью соответствует указанным выше задачам, средствам и преимуществам. Хотя настоящее изобретение представлено на примере его конкретного предпочтительного выполнения, для специалиста в данной области из предшествующего подробного описания будут очевидными альтернативные решения, изменения и модификации. Соответственно, эти альтернативные решения, изменения и модификации охватываются рамками прилагаемой формулы изобретения.

1. Система охлаждения камеры сгорания двигателя, содержащая группу трубок или каналов хладагента, расположенных вокруг камеры сгорания, тороидальный коллектор хладагента, расположенный с возможностью приема хладагента из указанных трубок или каналов хладагента и выпуска его сквозь выпускное отверстие, отличающаяся тем, что она содержит расположенные в тороидальном коллекторе хладагента средства снижения потерь давления и выравнивания давления в указанном тороидальном коллекторе.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанные трубки или каналы хладагента образуют стенку указанной камеры сгорания.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства снижения потерь давления и выравнивания давления содержат группу поворотных лопаток, расположенных внутри указанного коллектора.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что каждая указанная поворотная лопатка расположена смежно отверстию одной из указанных трубок или каналов хладагента с возможностью изменения направления выходящего из него потока хладагента от радиального или осевого на тангенциальное.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть из указанных поворотных лопаток имеет большую протяженность, чем другие из указанных поворотных лопаток.

6. Система по п.3, отличающаяся тем, что каждая из указанных поворотных лопаток имеет участок дугообразной формы.

7. Система по п.3, отличающаяся тем, что указанный коллектор имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие, а указанные поворотные лопатки встроены во внутреннюю стенку указанного коллектора или расположены внутри него, не препятствуя прохождению основной части хладагента в направлении указанного выпускного отверстия.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанная камера сгорания образует часть ракетного двигателя.