Камера рідинного ракетного двигуна та спосіб її охолодження

1 Камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая смесительную головку и корпус камеры, отличающаяся тем, что в ней установлены два разнокомпонентных пояса завесы так, что выходная щель первого из них расположена вблизи смесительной головки на расстоянии от огневого днища, равном или несколько большем расстояния от места пересечения с огневой стенкой камеры сгорания конуса распыла периферийными форсунками компонентов топлива, и соединена с предфорсуночной или зарубашечной полостью того компонента топлива, которого в топливной смеси в пристеночном слое вблизи смесительной головки недостаточно для стехиометрического соотношения компонентов топлива, а выходная щель второго пояса завесы расположена на докритическом участке сопла и соединена с предфорсуночной или зарубашечной полостью другого компонента топлива 2 Способ охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в создании низкотемпературного пристеночного слоя через два пояса завесы, отличающийся тем, что через первый пояс завесы подают тот компонент топлива, которого в топливной смеси в пристеночном слое вблизи смесительной головки недостаточно для стехиометрического соотношения компонентов топлива, в количестве, необходимом для дожигания этой топливной смеси и создания за счет избытка вводимого через этот пояс завесы компонента низкотемпературной газовой завесы с потенциалом, противоположным потенциалу топливной смеси в пристеночном слое у смесительной головки, а через второй пояс завесы подают другой компонент топлива в количестве, необходимом для дожигания избыточного компонента топлива, сохранившегося в пристеночном слое от первой завесы, и создания новой низкотемпературной газовой завесы противоположного потенциала за счет избытка вводимого через этот пояс завесы компонента топлива О (О Изобретение относится к ракетной технике, а более конкретно, к камерам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), и может быть наиболее эффективно применено в камерах двигателей небольших тяг (до 10000 кгс) Наиболее близкой к предлагаемой конструкции по технической сущности является камера ЖРД ракеты А-4 Особенностью конструкции этой камеры является то, что для организации внутреннего охлаждения в ней на различных участках корпуса камеры установлены четыре пояса завесы горючего Основной недостаток описанной конструкции камеры ЖРД заключается в пониженной ее экономичности в связи с тем, что в ней образуется низкотемпературный пристеночный слой с избытком горючего, толщина которого увеличивается после каждого пояса завесы, и обедненное горючим ядро потока, что приводит к истечению из соп ю ла камеры ЖРД продуктов неполного сгорания топлива Кроме того, наличие в камере сгорания лишь одной зоны горения (у смесительной головки) обуславливает возможность возникновения неустойчивости рабочего процесса В основу изобретения поставлена задача создания такой конструкции камеры ЖРД, чтобы, используя определенную последовательность расположения разнокомпонентных поясов завес внутреннего охлаждения, оптимизировать в ней расходы компонентов топлива на создание низкотемпературного пристеночного слоя и, вследствие этого, повысить надежность охлаждения, экономичность и устойчивость рабочего процесса в камере ЖРД Для решения указанной задачи в камере ЖРД предлагаемой конструкции установлены два разнокомпонентных пояса завесы Выходная щель го го 43376 первого из них расположена вблизи смесительной головки на расстоянии от огневого днища, равном или несколько большем расстояния от места пересечения с огневой стенкой камеры сгорания конуса распыла периферийными форсунками компонентов топлива, и соединена, например, трубопроводом или отверстиями в корпусе камеры, с предфорсуночной или межрубашечной полостью того компонента топлива, например, окислителя, которого (в зависимости от конструкции и параметров периферийных форсунок) в топливной смеси в пристеночном слое вблизи смесительной головки недостаточно для полного сгорания топлива, то есть до стехиометрического соотношения компонентов топлива Выходная щель второго пояса завесы расположена на докритическом участке сопла и соединена, например, трубопроводом или отверстиями в корпусе камеры, с пердфорсуночной или межрубашечной полостью другого компонента топлива, в данном примере - горючего Расположение выходной щели первого пояса завесы вблизи смесительной головки, но не ближе места пересечения с огневой стенкой камеры сгорания конуса распыла периферийными форсунками компонентов топлива является оптимальным, так как - смещение выходной щели пояса завесы от вышеуказанного места пересечения к смесительной головке приводит к интенсивному размыву завесы обратными токами и, тем самым, снижению ее эффективности, - удаление выходной щели пояса завесы от вышеуказанного места пересечения в сторону сопла увеличивает протяженность участка камеры сгорания, не защищенного завесой, и, следовательно, требует других мероприятий по защите этого участка от перегрева, например, создания низкотемпературного пристеночного слоя за счет периферийных форсунок, что, как следствие, приведет к ухудшению экономичности камеры ЖРД Таким образом, новизна и отличительные признаки заявляемого решения следующие - в камере ЖРД установлены два разнокомпонентных пояса завесы, при этом выходная щель первого пояса завесы расположена вблизи смесительной головки на расстоянии от огневого днища, равном или несколько большем расстояния от места пересечения с огневой стенкой камеры сгорания конуса распыла периферийными форсунками компонентов топлива, и соединена с предфорсуночной или межрубашечной полостью того компонента топлива, которого в топливной смеси в пристеночном слое вблизи смесительной головки недостаточно для стехиометрического соотношения компонентов топлива, а выходная щель второго пояса завесы расположена на докритическом участке сопла и соединена с предфорсуночной или межрубашечной полостью другого компонента топлива В предлагаемой конструкции камеры ЖРД может быть применен корпус камеры как с наружным регенеративным охлаждением, так и без наружного охлаждения, и смесительная головка с однокомпонентными или двухкомпонентными форсунками В качестве примера для пояснения предлагаемой конструкции прилагается чертеж (фиг) камеры ЖРД с регенеративным охлаждением корпу са камеры и двухкомпонентными форсунками наружного смешения На чертеже показан продольный разрез камеры ЖРД Предлагаемая камера ЖРД содержит смесительную головку 1 и корпус камеры 2 Смесительная головка 1 включает внутреннее 3, среднее 4, наружное 5 днища, образующие разнокомпонентные полости А и Б, и форсунки 6 и 7 для впрыска компонентов топлива в камеру сгорания Корпус камеры 2 включает многослойную профилированную оболочку 8, образующую камеру сгорания и сопло камеры ЖРД, и разнокомпонентные пояса завес 9 и 10 внутреннего охлаждения корпуса камеры Выходная щель В первого пояса завесы 9 расположена вблизи смесительной головки и соединена с предфорсуночной полостью А смесительной головки трубопроводом 11 с установленным в нем жиклером 12 Выходная щель Д второго пояса завесы 10 расположена на докритическом участке сопла и соединена с зарубашечной полостью Е трубопроводом 13 с установленным в нем жиклером 14 Работа предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом (см фиг) один из компонентов топлива, например окислитель, подают в предфорсуночную полость А смесительной головки 1 Часть этого компонента через внутренние форсунки 6 поступает в камеру сгорания, другая часть по трубопроводу 11 поступает в первый пояс завесы 9 и далее через выходную щель 8 в пристеночный слой камеры сгорания Расход компонента через пояс завесы 9 дозируется жиклером 12 Второй компонент топлива, в данном примере горючее, подают в межрубашечную полость Е корпуса камеры 2 После прохождения охлаждающего тракта часть этого компонента топлива по трубопроводу 13 поступает во второй пояс завесы 10 и далее через выходную щель Д в пристеночный слой сопла Расход компонента дозируется жиклером 14 Остальная часть этого компонента поступает в полость В смесительной головки 1 и далее через наружные форсунки 7 впрыскивается в камеру сгорания При впрыске компонентов топлива в камеру сгорания происходит их распыливание, испарение, перемешивание и воспламенение Периферийные наружные форсунки 7, в данном примере форсунки горючего, создают некоторый избыток впрыскиваемого ими компонента топлива (горючего) в пристеночном слое Вблизи смесительной головки через выходную щель В пояса завесы 9 в пристеночный слой поступает компонент топлива, имеющийся в пристеночном слое в недостаточном количестве, то есть компонент, впрыскиваемый в камеру сгорания через внутренние форсунки 6, в данном примере окислитель Поступающий через пояс завесы 9 компонент топлива (окислитель) выходит непосредственно на внутреннюю стенку камеры сгорания, вытесняя ранее образованный форсунками пристеночный слой в направлении к ядру потока Далее происходит постепенное взаимодействие завесного компонента (окислителя) с избыточным компонентом (горючим), содержащимся в вытесненном им и граничащим с ним слое 43376 Процесс размыва вновь созданного пристеночного слоя проходит менее активно, чем размыв пристеночного слоя, созданного форсунками, так как через пояс завесы компонент топлива поступает в нераспыленном состоянии Поэтому созданный первым поясом завесы низкотемпературный пристеночный слой сохраняется на большой длине, вплоть до критического участка сопла, где вследствие постепенного размыва температура газа в пристеночном слое достигает предельно допустимой сточки зрения наружного охлаждения величины, хотя и на этом участке в пристеночном слое все еще содержится определенное количество избыточного завесного компонента топлива, в данном примере окислителя На этом участке через выходную щель Д второго пояса завесы 10 в пристеночный слой поступает другой компонент топлива, в данном примере горючее Поступающий через второй пояс завесы компонент топлива выходит непосредственно на внутреннюю стенку сопла и (по аналогии с компонентом, поступающим через первый пояс завесы) формирует новый низкотемпературный пристеночный слой с избытком этого компонента (горючего), взаимодействуя с вытесненным из пристеночного слоя избыточным компонентом первого пояса завесы (окислителем) Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении - надежности охлаждения внутренней стенки из-за наличия в ней низкотемпературного пристеночного слоя, создаваемого поочередно на различных участках камеры разнокомпонентными поясами завес, - экономичности рабочего процесса за счет поочередного дожигания избыточного компонента вблизи пристеночного слоя, - устойчивости рабочего процесса за счет наличия трех зон горения - у смесительной головки и после каждого из поясов завес Из известных способов ближе всех к предлагаемому по технической сущности является способ создания низкотемпературного пристеночного слоя путем введения избыточного количества одного из компонентов топлива в пристеночный слой через пояса завес (см , например, Добровольский М В - М Машиностроение, 1968 - С 120) Основной недостаток способа заключается в том, что искусственное обогащение пристеночного слоя одним и тем же компонентом топлива через пояса завес приводит к увеличению толщины низкотемпературного периферийного слоя, снижению температуры ядра потока из-за уменьшения в нем количества того компонента, который вводится в камеру через пояса завес, и, как следствие, к снижению экономичности рабочего процесса в камере ЖРД В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ охлаждения камеры ЖРД так, чтобы, используя новый принцип создания низкотемпературного пристеночного слоя, оптимизировать расходы компонентов топлива на внутреннее охлаждение и, за счет этого, повысить надежность охлаждения, экономичность и устойчивость рабочего процесса в камере ЖРД Для решения указанной задачи создают низкотемпературный пристеночный слой с помощью двух разнокомпонентных поясов завес следующим образом - через первый пояс завесы подают тот компонент топлива, например окислитель, которого в топливной смеси в пристеночном слое вблизи смесительной головки недостаточно для стехиометрического соотношения компонентов топлива, в количестве, необходимом для дожигания этой топливной смеси и создания низкотемпературной газовой завесы, в данном примере окислительной, противоположного потенциала (окислительного, если топливная смесь перед завесой имеет восстановительный потенциал или восстановительного, если топливная смесь имеет окислительный потенциал) за счет избытка вводимого через этот пояс завесы компонента, - через второй пояс завесы подают другой компонент топлива, в данном примере горючее, в количестве, необходимом для дожигания избыточного компонента топлива, сохранившегося в пристеночном слое от первой завесы, и создания новой низкотемпературной газовой завесы противоположного потенциала, в данном примере горючего, за счет избытка вводимого через этот пояс завесы компонента топлива Численные значения величин расходов компонентов топлива через пояса завес определяются для каждой конкретной камеры ЖРД в зависимости от ее основных параметров и геометрических размеров в результате расчетов смесеобразования и теплоотдачи по существующим методикам (см , например, Добровольский М В - М Машиностроение, 1968 - С 106 110,126 164) Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что последовательное использование двух разнокомпонентных поясов завес для создания низкотемпературной газовой завесы противоположного, чем набегающий поток, потенциала повышает надежность охлаждения внутренней стенки, экономичность и устойчивость рабочего процесса в камере ЖРД Для подтверждения правильности предлагаемого технического решения проведены сравнительные испытания камеры-прототипа с двумя поясами завес одного и того же компонента топлива (горючего) и трех вариантов экспериментальных камер ЖРД, выполненных в соответствии с предлагаемым техническим решением На всех камерах были установлены смесительные головки с двухкомпонентными центробежными форсунками Камера-прототип и экспериментальная камера одного из вариантов изготавливались для эксплуатации в широком диапазоне регулирования тяги, опытная камера второго варианта была той же, что и прототип, размерности, но изготавливалась для эксплуатации в более узком диапазоне регулирования тяги Третья экспериментальная камера была большей размерности и изготавливалась для эксплуатации без регулирования тяги Во всем диапазоне изменения параметров опытные камеры, изготовленные в соответствии с предлагаемым решением, работали устойчиво Случаев возникновения развитых колебаний давления в экспериментальных камерах не было 43376 Основные характеристики этих камер приведены в таблице Как видно из таблицы, использование предлагаемого технического решения обеспечивает надежное охлаждение камеры ЖРД в широком диапазоне изменения давления в камере сгорания Характеристики Тяга камеры, кгс и соотношения компонентов топлива при большом ресурсе работы и многократных включениях, устойчивость рабочего процесса и повышение экономичности камеры ЖРД на (4,6 7,5%) в сравнении с прототипом Прототип Первый режим Второй режим Первый режим Второй режим Давление газов в камере сгорания, кгс/см2 Продолжительность работы, сек Количество включений Диапазон изменения коэффициента соотношения компонентов топлива в камере, % Отношение величины удельПервый режим ного импульса тяги экспериВторой режим ментальной камеры к величине удельного импульса тяги камеры-прототипа через наружные периферийные форсунки Компоненты топлива, подаваемые в камеру через первый пояс завесы через второй пояс завесы Опытная камера первой размерности Опытная камера второй размерности Первый вариант 350-750 150-350 30-65 14-30 >3000 >50 +25 -15 1,046 Второй вариант 350-750 30-65 >2200 60 ±20 1,060 ±17 1,075 1,057 горючее горючее горючее горючее горючее окислитель окислитель окислитель горючее горючее горючее горючее 500 200 42 18 650 1 ±10 2350 95 >5000 60 43376 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3