Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя
Владельцы патента RU 2422664:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)
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 кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения. На вершинах ребер тракта охлаждения выполнены лепестки, расположенные параллельно дну паза, при этом наружный профиль лепестков соответствует внутреннему профилю наружной оболочки. Для повышения устойчивости внутренней оболочки лепестки соединяют вершины двух смежных ребер между собой, лепестки 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. 2 з.п. ф-лы, 3 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 не круглую, а кольцевую форму критического сечения. 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", Москва, "Высшая школа", 1967 г., рис.X. 186).
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела (М.В.Добровольский и др. " Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", Москва, "Высшая школа", 1968 г., рис.2.32, стр.59, - прототип).
Указанный двигатель работает следующим образом. Компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и истекают через кольцевое критическое сечение. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела. Продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла. Для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора.
В данной кольцевой камере охладитель подается в тракты охлаждения тарельчатого сопла и профилированного центрального тела, образованные соответствующими внутренними оболочками, на внешней поверхности которых выполнены ребра, совместно с наружными оболочками образующие каналы тракта 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 ракетного двигателя, содержащей кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения, согласно изобретению на вершинах ребер тракта охлаждения выполнены лепестки, расположенные параллельно дну паза, при этом наружный профиль лепестков соответствует внутреннему профилю наружной оболочки.
Для оптимизации условий работы внутренней оболочки лепестки выполнены таким образом, что они соединяют вершины двух смежных ребер между собой. Такое расположение лепестков позволяет получить дополнительные места контакта между внутренней и наружной оболочками, что приводит к уменьшению длины неподкрепленных участков тракта.
Наиболее оптимальные условия для работы внутренней оболочки и всей кольцевой камеры в целом достигаются в случае, когда лепестки 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 лепестков образуют дополнительные бандажи жесткости, которые увеличивают устойчивость оболочки при воздействии на нее давления охладителя в пазах тракта охлаждения. Кроме этого, кольцевые поверхности, образованные лепестками, позволяют увеличить площадь поверхности под пайку без увеличения толщины ребер 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 в аксонометрии с лепестками, направленными в разные стороны, на фиг.3 - часть тракта охлаждения в аксонометрии с лепестками, направленными в одну сторону.
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 лепестков 9.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Компоненты топлива подаются в смесительную головку 2 и из нее через форсунки в кольцевую камеру сгорания 1, где происходит их воспламенение. Компоненты топлива истекают через кольцевое критическое сечение и поступают во входную часть тарельчатого сопла 3. В тарельчатом сопле 3 внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела, и со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла.
Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам 8 между ребрами 6 и охлаждает, например, огневую поверхность внутренней профилированной оболочки 5 тарельчатого сопла 4. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер 6, но и по дополнительным поверхностям лепестков 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 кольцевой камеры ЖРД в целом.
1. Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения, отличающаяся тем, что на вершинах ребер тракта охлаждения выполнены лепестки, расположенные параллельно дну паза, при этом наружный профиль лепестков соответствует внутреннему профилю наружной оболочки.
2. Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что лепестки соединяют вершины двух смежных ребер между собой.
3. Кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что лепестки 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.
