Камера жидкостного ракетного двигателя без дожигания генераторного газа, работающая по схеме "газ-жидкость"

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и, в частности, к конструкции камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Камера жидкостного ракетного двигателя без дожигания генераторного газа и работающая по схеме «газ-жидкость», содержит силовой корпус, в котором выполнены каналы регенеративного охлаждения, смесительную головку, состоящую из внутреннего, среднего и наружного днищ, которые образуют две основные полости головки: внутреннюю, в которую поступает горючее - керосин непосредственно из каналов регенеративного охлаждения и наружную полость окислителя - жидкого кислорода, и струйно-центробежные форсунки, равномерно расположенные во внутреннем днище, например по концентрическим окружностям, при этом указанные форсунки выполнены в виде двух соосно расположенных трубок, причем внутренние трубки закреплены в отверстиях среднего днища и выступают в полость окислителя, а наружные - укороченные трубки - насадки коаксиально установлены относительно внутренних трубок с образованием кольцевого зазора и имеют тангенциальные отверстия, соединяющие внутреннюю полость с кольцевым зазором, при этом в смесительной головке установлен газификатор жидкого кислорода, состоящий из форкамер выполненных за одно целое с внутренними трубками струйно-центробежных форсунок - трубок газификатора, соосно расположенных между собой, а в наружном днище выполнена дополнительная топливная полость и каналы, подводящие горючее в форкамеры, при этом каждая форкамера имеет корпус с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через тангенциальные отверстия, выполненные в корпусе форкамер, соединены с кольцевыми проточками, которые через указанные каналы соединены с дополнительной топливной полостью, а форсунки окислителя через тангенциальные отверстия соединены с помощью окислителя, при этом корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в кольцевых расточках наружного днища, а со стороны смесительных камер - в каналах внутренних трубок - газификатора с образованием кольцевого зазора - поясов разбавления, которые соединены с полостью окислителя. Предлагаемая полезная модель позволяет перевести работу камеры ЖРД открытой схемы из схемы «жидкость-жидкость» в схему «газ-жидкость», что повысит устойчивость ее работы к высокочастотным колебаниям. Выполнение смесительной головки за одно целое с газификатором жидкого кислорода позволяет повысить устойчивость ее работы к высокочастотным колебаниям, сократить осевые габариты двигателя и снизить его массу.

Область техники

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и, в частности, к конструкции камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Предлагаемая полезная модель является дальнейшим совершенствованием технических решений, изложенных в патентах РФ 2459970 и 126376.

Предшествующий уровень техники

Известен жидкостный ракетный двигатель открытой схемы (патент РФ 2459970, МПК F02K 9/48, 2012), содержащий камеру, смесительную головку, включающую наружное, среднее и огневое днища, которые скреплены между собой форсунками окислителя и горючего, турбонасосный агрегат, состоящий из двух одноступенчатых шнекоцентробежных насосов, турбину, рабочим телом которой является генераторный газ, вырабатываемый в двухкомплектном газогенераторе, питаемом от основных компонентов топлива - жидкого окислителя и жидкого углеводородного горючего, при этом отвод отработанного генераторного газа после турбины соединен с выхлопной системой, заканчивающейся расширяющимся насадком, кроме того, в схему двигателя входят регулятор тяги и дроссель соотношения компонентов топлива, установленные на соответствующих магистралях, а также клапаны окислителя и горючего, отличающийся тем, что в магистрали жидкого окислителя между выходом из насоса окислителя и входом в смесительную головку камеры сгорания двигателя установлен газификатор, представляющий собой двухзонную конструкцию, при этом в первой зоне происходит горение при стехиометрическом соотношении небольших количеств окислителя и горючего, а во второй - испарение (газификация) основного потока окислителя при его смешении с вытекающими из первой зоны продуктами сгорания, а в смесительной головке камеры размещены струйные газовые форсунки окислителя, выходящие в полость головки, которая соединена с выходом газификатора.

Для обеспечения работоспособности такого двигателя необходимо изготовить газификатор и разместить его перед смесительной головкой камеры сгорания. Это приведет к увеличению массы и габаритов двигателя. Аналог.

Такое решение приведет к увеличению осевых размеров и увеличению массы двигателя.

Известен также газификатор для жидкостного ракетного двигателя открытой схемы (патент РФ ПМ 126376, МПК F02K 9/48, 2013 г.), содержит смесительную головку и камеру с выходным патрубком, при этом смесительная головка включает крышку, среднее и огневое днища, которые образуют полости горючего и окислителя, указанные полости через патрубки, выполненные в корпусе смесительной головки, соединены с системой подачи окислителя и горючего, причем между средним и огневым днищами равномерно расположены по концентрическим окружностям смесительные элементы, кроме того, имеется пояс разбавления, отличающийся тем, что в качестве смесительных элементов применены форкамеры, каждая из которых выполнена в виде цельноточенного корпуса с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через отверстия, выполненные в корпусе форкамеры, соединены с полостью горючего, а форсунки окислителя через отверстия соединены с полостью окислителя, при этом указанные форсунки соединены со смесительной камерой, кроме того, корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в среднем днище, а со стороны смесительных камер в сквозных отверстиях огневого днища с образованием кольцевых каналов-поясов разбавления, которые гидравлически соединены с полостью окислителя.

Известный газификатор жидкого кислорода имеет меньшие габариты и массу по сравнению с аналогом. Однако его использование в двигателях без дожигания генераторного газа также приведет к увеличению массы и габаритов двигателя. Прототип.

Раскрытие полезной модели

Задачей полезной модели является создание надежно работающей камеры ЖРД с улучшенными массогабаритными характеристиками.

Эта задача решена за счет того, что в камере жидкостного ракетного двигателя без дожигания генераторного газа и работающая по схеме «газ-жидкость», содержащей силовой корпус, в котором выполнены каналы регенеративного охлаждения, смесительную головку, состоящей из внутреннего, среднего и наружного днищ, которые образуют две основные полости головки: внутреннюю, в которую поступает горючее - керосин непосредственно из каналов регенеративного охлаждения и наружную полость окислителя - жидкого кислорода, и струйно-центробежные форсунки, равномерно расположенные во внутреннем днище, например по концентрическим окружностям, при этом указанные форсунки выполнены в виде двух соосно расположенных трубок, причем внутренние трубки закреплены в отверстиях среднего днища и выступают в полость окислителя, а наружные - укороченные трубки - насадки коаксиально установлены относительно внутренних трубок с образованием кольцевого зазора и имеют тангенциальные отверстия, соединяющие внутреннюю полость с кольцевым зазором, при этом в смесительной головке установлен газификатор жидкого кислорода, состоящий из форкамер выполненных за одно целое с внутренними трубками струйно-центробежных форсунок - трубок газификатора, соосно расположенных между собой, а в наружном днище выполнена дополнительная топливная полость и каналы, подводящие горючее в форкамеры, при этом каждая форкамера имеет корпус с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через тангенциальные отверстия, выполненные в корпусе форкамер, соединены с кольцевыми расточками, которые через указанные каналы соединены с дополнительной топливной полостью, а форсунки окислителя через тангенциальные отверстия соединены с полостью окислителя, при этом корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в кольцевых расточках, выполненных в наружном днище, а со стороны смесительных камер закреплены во внутренних полостях трубок газификатора с образованием кольцевого зазора, который соединен с полостью окислителя.

Другими отличиями являются:

- трубки газификатора выполнены длиной равной 10-15 их диаметров;

- крепление смесительных камер к трубкам газификатора осуществлено через пилоны, выполненных на одной из сопряженных поверхностей смесительных камер или трубок газификатора;

- трубки газификатора выполнены длиной равной 10-15 ее диаметров;

- внутри каждой трубки газификатора выполнен кольцевой буртик, ширина 2-3 мм, а высота 5-10% от диаметра трубки газификатора.

Технический результат - упрощение конструкции камеры двигателя, обеспечение тех же задач с меньшим количеством агрегатов. Наличие трубок газификатора, выполненных за одно целое со струйно-центробежными форсунками смесительной головки камеры двигателя вместо автономного газификатора для прототипа, благоприятно сказывается на повышении надежности.

Перечень чертежей

На фиг. 1 представлен фрагмент продольного сечения камеры ЖРД.

На фиг. 2 представлено продольное сечение элемента газификатора.

Пример осуществления полезной модели

Камера (фиг. 1) содержит силовой корпус 1, в котором выполнены каналы регенеративного охлаждения 2 и смесительную головку 3. Смесительная головка 3 включает внутреннее 4, среднее 5 и наружное 6 днища, которые образуют две основные полости головки: внутреннюю 7, в которую поступает горючее - керосин непосредственно из каналов регенеративного охлаждения 2, и наружную полость окислителя 8, - жидкого кислорода, которая через коллектор 9 соединена с системой подачи жидкого кислорода. Между внутренним днищем 4 и средним днищем 5 равномерно расположены по концентрическим окружностям струйно-центробежные форсунки 10. Эти форсунки 10 (фиг. 1, фиг. 2) выполнены из двух соосно установленных трубок: внутренней трубки 11 и наружной трубки 12 (насадок). Внутренние трубки 11 герметично закреплены в отверстиях 13 среднего днища 5 и выступают в полость окислителя 8. Наружные трубки 12 (насадки) коаксиально установлены относительно внутренних трубок 11, при этом между ними образован кольцевой зазор 14. Верхний участок трубок 12 герметично соединен с трубками 11. На внешней поверхности трубок 12 выполнены тангенциальные отверстия 15, через которые осуществляется подвод горючего из внутренней полости 7 в кольцевой зазор 14, а из него в огневую полость 16 камеры сгорания. Концевые участки трубок 12 герметично закреплены в отверстиях 17 внутреннего днища 4.

Смесительная головка 3 включает также газификатор 18 жидкого кислорода. Он состоит из форкамер 19 (фиг. 2) и трубок газификатора - внутренних трубок 11 струйно-центробежных форсунок 10. Для питания форкамер 19 горючим в наружном днище 6 выполнена дополнительная полость горючего 20, которая через патрубок 21 соединена с системой подачи горючего. Кроме того, в наружном днище 6 по концентрическим окружностям выполнены кольцевые расточки 22, которые через отверстия 23 и каналы 24 соединены с топливной полостью 20.

Каждая форкамера имеет корпус 25 с соосно расположенными в нем форсунками горючего 26 и окислителя 27 и смесительную камеру 28.

Корпус 25 каждой форкамеры 19 со стороны форсунок горючего 26 закреплен в одной из кольцевых расточек 22, а со стороны смесительных камер 28 закреплен во внутренней полости трубок газификатора 11. При этом между концевыми участками смесительных камер и трубок газификатора 11 образованы кольцевые зазоры 29, которые связаны с полостью окислителя 8.

Подача горючего в смесительные камеры 28 осуществляется через форсунки горючего 26, которые через тангенциальные отверстия 30 соединены с кольцевыми расточками 22. Подача окислителя в смесительные камеры 28 осуществляется через форсунки окислителя 27, которые через тангенциальные отверстия 31 соединены с полостью окислителя 8.

Крепление смесительных камер 28 в трубках газификатора 11 осуществляется с помощью пилонов, выполненных на одной из сопрягаемых поверхностей смесительных камер 28 и трубок газификатора 11.

Длина трубок 10 газификатора может составлять 10-15 их диаметров. Кроме того внутри каждой трубки газификатора выполнен кольцевой буртик 32, шириной равной 2-3 мм и высотой равной 5-10% от диаметра трубки газификатора. Такое решение позволяет интенсифицировать процесс газификатора жидкого кислорода на достаточном короткой длине этих трубок.

Для выравнивания эпюры скоростей компонента в полости окислителя 8 среднее днище 5 выполнено сфероидальной формы. В полости горючего установлен вкладыш 33, который также выполнен со сфероидальной поверхностью.

Работа устройства

При работе горючее из каналов регенеративного охлаждения 2 заполняет полость горючего 7 и подается через тангенциальные отверстия 15 в кольцевую полость 14 струйно-центробежных форсунок 10 и далее вводится в огневую полость 16 камеры сгорания. Одновременно горючее из патрубка 21 подается в дополнительную полость горючего 20, а из нее через каналы 24 и отверстия 23 (фиг. 2) в кольцевых расточках 22 поступает в тангенциальное отверстие 30 форсунок горючего 26 и далее в смесительные камеры 28. Окислитель из коллектора 9 подается в полость окислителя 8, а из нее в тангенциальные отверстия 31 попадает в форсунки окислителя 27, а затем в смесительные камеры 28, где смешиваясь с горючим, вызывает реакцию горения. Горение происходит при соотношении компонентов топлива близким к стехиометрическому. Газы высокой температуры и давления с выходов форкамер поступают во внутренние трубки 11 - трубки газификатора, в которых происходит их смешение с жидким кислородом, поступающим из полости окислителя 8 через кольцевые зазоры 29 пояса разбавления, где происходит газификация жидкого кислорода. Затем газообразный кислород поступает в огневую полость 16 камеры сгорания двигателя, где и проходит горение и выход двигателя на режим номинальной тяги.

В отличии от прототипа в предлагаемом техническом решении газификатор выполнен в виде форкамер, установленных внутри смесительной головки, а его элементы газификации являются внутренними трубками струйно-центробежных форсунок смесительной головки что позволило организовать эффективный процесс газификации жидкого кислорода на минимальных длинах и малых объемах смесительной головки.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает газификацию жидкого кислорода при следующих массовых соотношениях компонентов топлива K_m:

- в форкамерах K_m6÷16 (температура 2000°C);

- в поясе разбавления K _m100÷50 (температура 100÷500°C).

Такое решение позволяет упростить конструкцию двигателя уменьшить осевые габариты камеры двигателя, снизить его массу

Промышленное применение

Предлагаемая полезная модель может найти применение в ракетной технике, и частности, в кислородно-керосиновых ЖРД без дожигания генераторного газа.

1. Камера жидкостного ракетного двигателя без дожигания генераторного газа, работающая по схеме "газ-жидкость", содержащая силовой корпус, в котором выполнены каналы регенеративного охлаждения, смесительную головку, состоящую из внутреннего, среднего и наружного днищ, которые образуют две основные полости головки: внутреннюю, в которую поступает горючее - керосин непосредственно из каналов регенеративного охлаждения и наружную полость окислителя - жидкого кислорода, и струйно-центробежные форсунки, равномерно расположенные во внутреннем днище, например по концентрическим окружностям, при этом указанные форсунки выполнены в виде двух соосно расположенных трубок, причем внутренние трубки закреплены в отверстиях среднего днища и выступают в полость окислителя, а наружные - укороченные трубки - насадки коаксиально установлены относительно внутренних трубок с образованием кольцевого зазора и имеют тангенциальные отверстия, соединяющие внутреннюю полость с кольцевым зазором, отличающаяся тем, что в смесительной головке установлен газификатор жидкого кислорода, состоящий из форкамер, выполненных за одно целое с внутренними трубками струйно-центробежных форсунок - трубок газификатора, соосно расположенных между собой, а в наружном днище выполнена дополнительная топливная полость и каналы, подводящие горючее в форкамеры, при этом каждая форкамера имеет корпус с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через тангенциальные отверстия, выполненные в корпусе форкамер, соединены с кольцевыми расточками, которые через указанные каналы соединены с дополнительной топливной полостью, а форсунки окислителя через тангенциальные отверстия соединены с полостью окислителя, при этом корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в кольцевых расточках наружного днища, а со стороны смесительных камер - в каналах внутренних трубок - газификатора с образованием кольцевого зазора - поясов разбавления, которые соединены с полостью окислителя.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что трубки газификатора выполнены длиной, равной 10-15 их диаметров.

3. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что крепление смесительных камер к трубкам газификатора осуществлено через пилоны, выполненные на одной из сопряженных поверхностей смесительных камер или трубок газификатора.

4. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что внутри каждой трубки газификатора выполнен кольцевой буртик, шириной 2-3 мм, а высотой 5-10% от диаметра трубки газификатора.