Способ охлаждения теплонапряженных участков камеры жидкостного ракетного двигателя
Владельцы патента RU 2394168:
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. Способ охлаждения теплонапряженных участков камеры жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в выполнении на тыльной стороне охлаждаемой поверхности внутренней оболочки чередующихся ребер, образующих совместно с наружной оболочкой каналы охлаждения, и пропускании охладителя через полученные каналы, согласно изобретению, ребра, образующие каналы тракта охлаждения, выполнены постоянной толщины, каналы имеют трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами, примыкающими к внутренней поверхности оболочки, при этом на внутренней поверхности внутренней оболочки со стороны камеры сгорания в месте расположения ребер, выполнены продольные профилированные пазы, профиль которых эквидистантен профилю радиусов переходов между ребрами и внутренней цилиндрической поверхностью канала тракта охлаждения. На внутренней поверхности внутренней оболочки между продольными пазами выполнены продольные ребра. Изобретение обеспечивает улучшение охлаждения теплонапряженных участков камеры ЖРД, а также условий теплообмена между продуктами сгорания компонентов топлива и охладителем. 1 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 способ охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в выполнении на тыльной стороне охлаждаемой поверхности внутренней оболочки чередующихся ребер, образующих совместно с наружной оболочкой каналы охлаждения, и пропускании охладителя через полученные каналы (М.В.Добровольский и др. "Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", Москва: "Высшая школа", 1968 г., рис, 4.26.г., стр.166-167 - прототип).
При использовании указанного способа, охладитель подается между ребрами, выполненными на тыльной стороне оболочки. Рабочая поверхность, обращенная к источнику тепла, в данном случае, взаимодействующая с продуктами сгорания, выполняется 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.
Недостатками данного способа охлаждения являются неоптимальные условия теплопередачи от продуктов сгорания к ребрам тракта охлаждения, связанные с увеличенной толщиной рабочей стенки в районе ребер.
Также при использовании данного способа охлаждения в двигателях, работающих по безгенераторной схеме, не обеспечивается требуемый теплосъем с поверхности камеры сгорания. Охладитель, который затем используется для привода турбины ТНА, не нагревается до заданной температуры, что приводит к снижению эффективности работы турбины и всего турбонасосного агрегата в целом.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа охлаждения теплонапряженных участков камеры ЖРД, применение которого позволит улучшить условия теплообмена между продуктами сгорания компонентов топлива и охладителем.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе охлаждения теплонапряженных участков камеры жидкостного ракетного двигателя, заключающемся в выполнении на тыльной стороне охлаждаемой поверхности внутренней оболочки чередующихся ребер, образующих совместно с наружной оболочкой каналы охлаждения, и пропускании охладителя через полученные каналы, согласно изобретению, рабочую сторону охлаждаемой поверхности внутренней оболочки, непосредственно контактирующей с источником тепла, выполняют профилированной.
Для улучшения условий теплосъема рабочую сторону охлаждаемой поверхности внутренней оболочки, непосредственно контактирующей с источником тепла, выполняют с продольными ребрами. В этом случае контакт охлаждаемой поверхности с источником тепла происходит не только по поверхности оболочки, но и по ребрам, выполненным на ней.
Для улучшения условий теплосъема рабочую сторону охлаждаемой поверхности внутренней оболочки рабочую сторону выполняют с продольными профилированными пазами.
При выполнении продольных профилированных пазов происходит утонение огневой стенки в районе ребер. Необходимо отметить, что данное утонение не влияет на прочность оболочки, т.к прочность в данном случае определяется толщиной дна канала, которая в 1,2-1,5 раза меньше толщины стенки внутренней оболочки в месте прилегания к ребрам тракта охлаждения. В то же время, выполнение указанных пазов позволяет выполнить переход от стенки оболочки к ребру с толщиной, равной толщине дна паза, что позволит существенно улучшить условия теплопередачи за счет уменьшения толщины стенки в месте установки 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 продольными пазами, на фиг.3 - поперечное сечение тракта охлаждения в варианте с продольными пазами и продольными ребрами.
Предложенный способ реализуется следующим образом. Во внутренней профилированной оболочке 1 выполняются 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. На внутреннюю профилированную оболочку 1 установлена и скреплена с ней наружная профилированная оболочка 5. На внутренней поверхности внутренней оболочки 1, со стороны камеры сгорания, в месте расположения ребер 2, выполняются продольные профилированные пазы 6, профиль которых эквидистантен профилю радиусов переходов между ребрами 4 и внутренней цилиндрической поверхностью канала тракта охлаждения.
На внутренней поверхности внутренней оболочки 1, между продольными профилированными пазами 6, выполняются продольные ребра 7.
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 подается охладитель, который омывает ребра 2 и дно канала 3. Охладитель, имея температуру ниже температуры ребер и дна канала, отбирает у них тепло и нагревается сам. За счет выполнения продольных профилированных пазов 6 и уменьшения толщины стенки в месте выполнения ребер 2 происходит улучшение условий теплообмена из-за уменьшения толщины дна паза.
Для улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к поверхности внутренней оболочки 1 и ребрам тракта охлаждения 2, на внутренней поверхности внутренней оболочки, между продольными профилированными пазами 6, выполняются 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 использование предложенного способа охлаждения теплонапряженных участков камеры ЖРД позволит улучшить условия теплообмена и увеличить теплосъем с поверхности ориентировочно на 5-15%, в зависимости от конструкции камеры и условий ее работы.
1. Способ охлаждения теплонапряженных участков камеры жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в выполнении на тыльной стороне охлаждаемой поверхности внутренней оболочки чередующихся ребер, образующих совместно с наружной оболочкой каналы охлаждения, и пропускании охладителя через полученные каналы, отличающийся тем, что ребра, образующие каналы тракта охлаждения, выполнены постоянной толщины, каналы имеют трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами, примыкающими к внутренней поверхности оболочки, при этом на внутренней поверхности внутренней оболочки со стороны камеры сгорания в месте расположения ребер выполнены продольные профилированные пазы, профиль которых эквидистантен профилю радиусов переходов между ребрами и внутренней цилиндрической поверхностью канала тракта охлаждения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности внутренней оболочки между продольными пазами выполнены продольные ребра.
