Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде. Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя содержит сопло, регенеративно охлаждаемую камеру сгорания, состоящие из нескольких скрепленных между собой внутренних и наружных оболочек, причем на внутренних оболочках выполнены ребра, образующие совместно с упомянутыми наружными оболочками каналы охлаждения. Смесительная головка с полостями горючего и окислителя расположена осесимметрично внутри сопла. Камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, а внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, состоящий из нескольких коаксиально установленных оболочек, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение. Между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, при этом наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения. Для увеличения устойчивости оболочки перемычки соединяют вершины двух смежных ребер между собой, перемычки соединяют вершины всех ребер между собой с образованием единой кольцевой поверхности, наружный профиль которой эквидистантен внутреннему профилю наружной оболочки в месте контакта с наружной поверхностью внутренней оболочки. Изобретение обеспечивает повышение устойчивости внутренней оболочки и прочности камеры в целом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.

В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых сопел. Отличие между соплом Лаваля и кольцевым состоит в том, что кольцевое сопло имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую. Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что приводит к уменьшению линейных размеров двигателя.

Известна принципиальная схема кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, реализующая данный принцип (А.П.Васильев и др. "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей". - М.: Высшая школа, 1967 г., рис.X.186).

Известна кольцевая камера жидкостного реактивного двигателя, содержащая сопло, камеру сгорания со смесительной головкой с полостями горючего и окислителя, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, а внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение (патент РФ №№ 2151318 МПК: F02K - прототип).

Указанная кольцевая камера работает следующим образом.

Компоненты топлива подаются в смесительную головку и из нее через форсунки в камеру сгорания, где происходит их воспламенение. Продукты сгорания расширяются в камере сгорания и движутся к кольцевому критическому сечению, дойдя до которого разворачиваются в нем практически на 180° и поступают к срезу сопла.

Подача охладителя в охлаждающий тракт при работе кольцевой камеры осуществляется по двум параллельным контурам. В первый, наиболее напряженный контур, состоящий из тракта охлаждения внутренней стенки охлаждаемого цилиндра, наружной кольцевой полости тракта охлаждения, кольцевого критического сечения, внутренней кольцевой полости и тракта охлаждения наружной профилированной стенки охлаждаемого цилиндра, охладитель подается в зоне минимальных тепловых потоков корпуса камеры расходом, равным 0,45…0,65 общего расхода.

Этот расход через половину пазов направляется на охлаждение критического сечения и, повернув в переточных канавках на 180°°, по смежным пазам направляется в сторону смесительной головки, растекаясь в районе коллектора подачи горючего по всем пазам рубашки охлаждения. В районе смесительной головки охладитель перетекает на охлаждение части корпуса камеры сгорания и продолжает течение от головки до конца цилиндрической части.

Подвод и отвод охладителя на охлаждение второго контура, состоящего из тракта охлаждения кольцевого сопла и части тракта охлаждения профилированной стенки расходом, равным 0,35…0,55 общего расхода охладителя, осуществляется через два коллектора.

В данной кольцевой камере охладитель подается в тракт охлаждения, движется по пазам между ребрами и охлаждает, таким образом, рабочие поверхности профилированных оболочек. За счет соединения оболочек между собой только по вершинам ребер при увеличении давления в тракте охлаждения выше заданного предела не обеспечивается прочность и устойчивость внутренних оболочек, что ведет к потере работоспособности кольцевой камеры.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание кольцевой камеры ЖРД, конструкция которой позволяет повысить устойчивость внутренней оболочки и реализовать значительно большее давление в камере при минимальных габаритных размерах.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной кольцевой камере жидкостного реактивного двигателя, содержащей сопло, регенеративно охлаждаемую камеру сгорания, состоящие из нескольких скрепленных между собой внутренних и наружных оболочек, причем на внутренних оболочках выполнены ребра, образующие совместно с упомянутыми наружными оболочками каналы охлаждения, смесительную головку с полостями горючего и окислителя, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, а внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, состоящий из нескольких коаксиально установленных оболочек, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение, согласно изобретению между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, при этом наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения.

Для оптимизации условий работы внутренней оболочки перемычки выполнены таким образом, что они соединяют вершины двух смежных ребер между собой. Такое расположение перемычек позволяет получить дополнительные места контакта между внутренней и наружной оболочками, что приводит к уменьшению длины неподкрепленных участков тракта.

Наиболее оптимальные условия для работы камеры достигаются в случае, когда перемычки соединяют вершины всех ребер между собой с образованием единой кольцевой поверхности, наружный профиль которой эквидистантен внутреннему профилю наружной оболочки в месте контакта с наружной поверхностью внутренней оболочки.

В этом случае кольцевые поверхности перемычек образуют дополнительные бандажи жесткости, которые увеличивают устойчивость оболочки при воздействии на нее давления охладителя в пазах тракта охлаждения. Кроме этого, кольцевая поверхность перемычки позволяет увеличить площадь поверхности под пайку без увеличения толщины ребра и увеличения перепада давления в тракте, уменьшить в несколько раз длину неподкрепленной части ребра за счет образования дополнительных опор.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный осевой разрез кольцевой камеры ЖРД, на фиг.2 - часть тракта охлаждения с перемычками в аксонометрии.

Кольцевая камера ЖРД содержит регенеративно охлаждаемую кольцевую камеру сгорания 1 со смесительной головкой 2 и тарельчатым соплом 3 внешнего расширения с кольцевым критическим сечением 4. Тракт охлаждения охлаждаемых частей, например тарельчатого сопла 3, образован внутренней оболочкой 5, на внешней поверхности которой профрезерованы ребра 6, образующие совместно с соответствующей наружной оболочкой 7 каналы охлаждения 8. Вершины ребер 6 соединяются между собой при помощи полых перемычек 9.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Компоненты топлива подаются в смесительную головку 2 и из нее через форсунки в кольцевую камеру сгорания 2, где происходит их воспламенение. Продукты сгорания расширяются в камере сгорания 2 и движутся к кольцевому критическому сечению 4, дойдя до которого разворачиваются в нем практически на 180° и поступают к срезу тарельчатого сопла 3.

Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам 8 между ребрами 6 и охлаждает, например, огневую поверхность внутренней профилированной оболочки 5. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер 6, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек 9 происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки 5. Повышенная устойчивость и прочность внутренней оболочки 5 позволяет увеличить давление в тракте охлаждения камеры и в самой камере, что, в конечном итоге, позволяет повысить эффективность рабочего процесса.

Использование предложенного технического решения позволит повысить устойчивость внутренней оболочки и повысить прочность камеры в целом.

1. Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая сопло, регенеративно охлаждаемую камеру сгорания, состоящие из нескольких скрепленных между собой внутренних и наружных оболочек, причем на внутренних оболочках выполнены ребра, образующие совместно с упомянутыми наружными оболочками каналы охлаждения, смесительную головку с полостями горючего и окислителя, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, а внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, состоящий из нескольких коаксиально установленных оболочек, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение, отличающаяся тем, что между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, при этом наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения.

2. Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что перемычки соединяют вершины двух смежных ребер между собой.

3. Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что перемычки соединяют вершины всех ребер между собой с образованием единой кольцевой поверхности, наружный профиль которой эквидистантен внутреннему профилю наружной оболочки в месте контакта с наружной поверхностью внутренней оболочки.