Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя
Владельцы патента RU 2391539:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), в частности, для безгенераторных ЖРД, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде. Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя содержит внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения. На внутреннюю профилированную оболочку установлена профилированная наружная оболочка и скреплена с ней. Донная часть каждого канала тракта охлаждения в поперечном сечении выполнена по дуге окружности, обращена выпуклой частью к оси камеры и имеет постоянную толщину. Донная часть каждого канала тракта охлаждения в поперечном сечении выполнена по дуге окружности с радиусом, равным примерно R=0,5S, где R - внутренний радиус профиля донной части канала тракта охлаждения, S - ширина канала. На внутренней поверхности внутренней оболочки, между продольными профилированными пазами, выполнены продольные ребра. Изобретение обеспечивает улучшение условий теплообмена между продуктами сгорания и охладителем и повышение давления охладителя в тракте охлаждения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), в частности, для безгенераторных ЖРД, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.
Известен тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, имеющими трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами, примыкающими к внутренней поверхности оболочки, профилированную наружную оболочку, установленную на внутреннюю и скрепленную с ней (М.В.Добровольский и др. "Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", М., "Высшая школа", 1968 г., рис.4.26.г., стр.166-167 - прототип).
В указанном тракте охлаждения охладитель подается между ребрами, выполненными на тыльной стороне оболочки. Рабочая поверхность, обращенная к источнику тепла, в данном случае, взаимодействующая с продуктами сгорания, выполнена гладкой цилиндрической. Продукты сгорания, контактируя с рабочей поверхностью, отдают ей тепло. За счет теплопроводности металла тепло от оболочки передается на ребра тракта охлаждения, которые омываются охладителем. Охладитель, проходя через каналы охлаждения, контактирует с поверхностями ребер и тыльной стороной оболочки и при этом, нагреваясь сам, охлаждает ребра и внутреннюю рабочую поверхность внутренней оболочки. При такой конструкции тракта охлаждения необходимо подобрать оптимальную толщину рабочей огневой стенки, ребер и площадь поверхности теплообмена. С одной стороны, с утонением огневой рабочей стенки улучшаются условия теплообмена, с другой - толщина стенки ограничена условиями прочности и изготовления. Увеличение количества ребер ведет к улучшению условий теплопередачи, но в то же время приводит к загромождению тракта, что увеличивает гидравлическое сопротивление тракта охлаждения и ведет к увеличению мощности насоса для подачи охладителя в тракт охлаждения.
В данном тракте охлаждения дно канала выполнено с радиусом, равным радиусу профиля камеры сгорания в поперечном сечении и обращено выпуклой частью от оси камеры. Такое исполнение приводит к тому, что дно каждого канала оказывается практически плоским, что ведет к снижению прочности всего тракта в целом и не позволяет, в свою очередь, увеличивать давление в тракте охлаждения.
Недостатками данного тракта охлаждения является неоптимальные условия теплопередачи от продуктов сгорания к ребрам тракта охлаждения, связанные с увеличенной толщиной рабочей стенки в районе ребер и пониженная прочность каналов.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание тракта охлаждения, конструкция которого позволит улучшить условия теплообмена между продуктами сгорания и охладителем и повысить давление охладителя в тракте охлаждения.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном тракте охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащем внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, имеющие поперечный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами, примыкающими к внутренней стенке, профилированную наружную оболочку, установленную на внутренней и скрепленную с ней, согласно изобретению донная часть каждого канала тракта охлаждения в поперечном сечении выполнена по дуге окружности и имеет постоянную толщину.
Наиболее оптимальные условия работы канала достигаются в случае, когда донная часть каждого канала тракта охлаждения в поперечном сечении выполнена по дуге окружности с радиусом, примерно равным R=0,5S, где R - внутренний радиус профиля донной части канала тракта охлаждения, S - ширина канала.
Выполнение дна канала профилированным по дуге окружности приводит к увеличению прочности донной части канала и всего канала в целом, т.к. напряжения, возникающие в конструктивном элементе, выполненном по радиусу окружности, всегда значительно меньше напряжений, возникающих в плоском элементе.
Критерий R=0,5S выбран исходя из того, что при его дальнейшем увеличении происходит приближение профиля донного участка канала к прямой, а при уменьшении - в профиле донного участка канала образуются практически прямолинейные участки, соединяющие часть, выполненную по радиусу, с остальным профилем канала, что также ведет к снижению прочности.
Для улучшения условий теплопередачи от горячих продуктов сгорания компонентов топлива к охладителю, на внутренней поверхности внутренней оболочки, выполнены продольные ребра.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный осевой разрез камеры сгорания, на фиг.2 - поперечное сечение тракта охлаждения в варианте с каналами, донная часть которых выполнена в поперечном сечении по дуге окружности и имеет постоянную толщину, на фиг.3 - поперечное сечение тракта охлаждения в варианте с продольными ребрами.
Во внутренней профилированной оболочке 1 выполнены ребра 2 постоянной толщины, образующие каналы 3 тракта охлаждения. Каналы 3 имеют трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами 4, примыкающими к внутренней поверхности оболочки. Дно 5 каждого канала 3 выполнено по радиусу и имеет постоянную толщину.
На внутреннюю профилированную оболочку 1 установлена и скреплена с ней наружная профилированная оболочка 6. На внутренней поверхности внутренней оболочки 1 выполнены продольные ребра 7.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При работе камеры ЖРД продукты сгорания компонентов топлива движутся вдоль стенки внутренней оболочки 1 и передают ей тепло. За счет теплопроводности прогревается вся стенка, включая ребра 2. По каналам 3 тракта охлаждения поступает охладитель, который омывает ребра 2 и дно 5 канала 3. Охладитель, имея температуру ниже температуры ребер и дна канала, отбирает у них тепло и нагревается сам.
Для улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к поверхности внутренней оболочки 1 и ребрам тракта охлаждения 2, на внутренней поверхности внутренней оболочки, выполнены продольные ребра 7. В этом случае часть тепла будет отбираться у продуктов сгорания при помощи указанных продольных ребер, установленных в потоке.
Проведенные авторами теоретические и экспериментальные работы показали, что выполнение тракта охлаждения камеры ЖРД указанным образом, позволит увеличить теплосъем с поверхности ориентировочно на 5-15% и повысить давление в тракте ориентировочно на 10-20%, в зависимости от конструкции камеры и условий ее работы.
1. Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, профилированную наружную оболочку, установленную на внутреннюю и скрепленную с ней, отличающийся тем, что донная часть каждого канала тракта охлаждения в поперечном сечении выполнена по дуге окружности, обращена выпуклой частью к оси камеры и имеет постоянную толщину.
2. Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что донная часть каждого канала тракта охлаждения в поперечном сечении выполнена по дуге окружности с радиусом, равным примерно R=0,5S, где R - внутренний радиус профиля донной части канала тракта охлаждения, S - ширина канала.
3. Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности внутренней оболочки выполнены продольные ребра.
