Система стабилизации соотношения расходов топливных компонентов в жидкостном ракетном двигателе

 

Использование: в жидкостных ракетных двигателях с дожиганием генераторного газа в камере сгорания. Сущность изобретения: система включает установленные в магистралях обоих топливных компонентов расходомерные трубки Вентури, подсоединенные к ним чувствительные элементы с гибкими сравнивающими органами и перекрываемыми соплами, настроечные жиклеры и установленные в магистрали одного из топливных компонентов дроссель расхода с поршневым гидравлическим сервомотором. Чувствительный элемент разделен сравнивающим органом на две рабочие полости, одна из которых свободна и сообщена с критическим сечением трубки Вентури, а другая полость содержит сопло. Эта полость в чувствительном элементе для трубки Вентури на недросселируемой магистрали сообщена через жиклер с входом этой трубки. Сопло в указанной полости сообщено выходом через жиклер с аналогичной полостью другого чувствительного элемента, сопло которого сообщено выходом с магистралью низкого давления. Сервомотор снабжен гидроусилителем, рабочие полости которого сообщены с выходом трубки Вентури на дросселируемой магистрали и с выходом сопла чувствительного элемента другой трубки. 1 ил.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), точнее к системам автоматического регулирования ЖРД.

Известна система стабилизации соотношения расходов топливных компонентов в ЖРД (в дальнейшем -система стабилизации), включающая установленные в магистралях обоих топливных компонентов расходомерные трубки Вентури, подсоединенные к ним чувствительные элементы с гибкими сравнивающими органами и перекрываемыми соплами, настроечные жиклеры и установленный в магистрали одного из топливных компонентов дроссель расхода с поршневым гидравлическим сервомотором (US, патент N 3069849, кл. F 02 K 9/02, 1962).

Известная система стабилизации (ближайший аналог) весьма сложна и чувствительна к воздействию внешних факторов, что вносит погрешности в работу системы, снижая ее точность, кроме того, применение известной системы стабилизации в виду наличия механических связей между ее функциональными элементами накладывает существенные ограничения на разводку топливных магистралей при проектировании ЖРД.

Настоящее изобретение решает техническую задачу создания системы стабилизации, характеризующейся высокой точностью и стабильностью к работе. С применением изобретения ожидается получение технического результата, состоящего в повышении эффективности ЖРД.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в системе стабилизации соотношения расходов топливных компонентов в ЖРД, включающей установленные в магистралях обоих топливных компонентов расходомерные трубки Вентури, подсоединенные к ним чувствительные элементы с гибкими сравнивающими органами и перекрываемыми соплами, настроечные жиклеры и установленный в магистрали одного из топливных компонентов дроссель расхода с поршневым гидравлическим сервомотором, согласно изобретению чувствительный элемент разделен сравнивающим органом на две рабочие полости, одна из которых свободна и сообщена с критическим сечением трубки Вентури, а другая полость содержит сопло, причем эта полость в чувствительном элементе трубки Вентури на недросселируемой магистрали сообщена через жиклер с входом этой трубки, и сопло в указанной полости сообщено выходом через жиклер с аналогичной полостью другого чувствительного элемента, сопло которого сообщено выходом с магистралью низкого давления, а сервомотор снабжен гидроусилителем, рабочие полости которого сообщены с входом трубки Вентури на дросселируемой магистрали и с выходом сопла чувствительного элемента другой трубки.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором представлена схематично предложенная стабилизация вместе с другими, непосредственно связанными с ней функциональными элементами ЖРД. Представленная схема содержит питающий газогенератор, топливный насос окислителя 1, питающий газогенератор и камеру сгорания, топливный насос горючего 2, которые установлены на валу 3, приводимым от турбины; рабочее тело для нее вырабатывается в газогенераторе, питаемом частью топлива от упомянутых насосов, и отработавший на турбине окислительный газ дожигается в камере сгорания. На выходе из топливных насосов, в питающих магистралях установлены трубки Вентури 4,5 с подсоединенными к ним чувствительными элементами 6,7, которые содержат гибкие сравнивающие органы в виде мембран 6а,7а, разделяющих чувствительный элемент на две рабочие полости свободную и содержащую перекрываемые сопло 6б, 7б соответственно. Свободные полости чувствительных элементов сообщены посредством трубопроводов (импульсных трубок) 8,9 с критическим сечением трубок Вентури. Содержащая сопло полость чувствительного элемента 6 сообщена посредством трубопровода 10 с жиклером 11 с входом трубки Вентури 4, сопло 6б сообщено выходом с содержащей сопло полостью чувствительного элемента 7 через трубопровод 12 с жиклером 13, выход сопла 7б сообщен посредством трубопровода 14 и установленного в нем жиклера 14а с магистралью низкого давления соответствующего топливного компонента (на конкретной схеме с входом в насос 1). В другой топливной магистрали между насосом 2 и трубкой Вентури 5 установлен дроссель расхода с иглой 15, прикрепленной к подпружиненному поршню 16 с жиклирующим отверстием 16а; пружинная полость соединена трубопроводом 17 с магистралью низкого давления соответствующего топливного компонента (входом в насос 2). Поршень 16 является исполнительным органом сервомотора и управляется от гидроусилителя с чувствительным мембранным элементом 18 и перекрываемым соплом 19; со стороны последнего полость гидроусилителя сообщена с входом трубки Вентури 5 посредством трубопровода 12, а противоположная полость гидроусилителя сообщена посредством трубопровода 21 с выходом из сопла чувствительного элемента 6.

Путем подбора жиклеров 11, 13, 14а, 16а описанная система стабилизации настраивается таким образом, что при номинальных расходах топливных компонентов обеспечиваются следующие заданные соотношения давлений и их перепадов в магистралях (подстрочные числа соответствуют функциональным элементам на чертеже): P₁₁= P_4,вх-P_4,кр.= P₄ P_5,вх= P_4,кр=P_4,вх-P₄ P₁₃=P_4,кр-P_5,кр=P_5,вх-P_5,кр. При соблюдении указанных соотношений все чувствительные мембраны 6а, 7а, 18 системы стабилизации находятся при номинальных расходах топливных компонентов в нейтральном положении, чему соответствует вполне определенное расчетное соотношение топливных компонентов и соблюдаются условия: P_6a=0, P_7a=0, P₁₈=0, P₁₅=P_15,вх-P_5,вх=P_15,вх-P_4,вх+P₄. Отклонение при работе ЖРД любого из параметров в последнем уравнении от номинального значения приводит к перемещению дросселя 15, чтобы обеспечить равенство обеих частей уравнения, что равносильно сохранению неизменного соотношения расходов топливных компонентов.

Предположим, что во время работы ЖРД номинальное соотношение топливных компонентов нарушилось по причине увеличения расхода окислителя через насос 1. Это увеличение расхода вызовет повышение перепада давления на трубке Вентури 4 и мембрана 6а чувствительного элемента 6 прогнется в сторону трубки 8, приоткрывая сопло 6б, что приведет последовательно к увеличению давления в трубопроводе 21, прогибу мембраны 18 на закрытие сопла 19, снижению расхода через жиклер 16а, снижению перепада давлений на поршне 16 и перемещению дросселя 15 на открытие, в результате чего расход горючего возрастет. Соответственно этому перепад давлений на трубке Вентури 5 также возрастет, что приведет к прогибу мембраны 7а в сторону открытия сопла 7б дополнительно к такому же прогибу, вызванному движением мембраны 6а. В конечном счете после завершения переходных процессов чувствительные мембраны 6а, 7а, 18 займут некоторое новое положение относительно первоначальной настройки и соотношение топливных компонентов возвратиться к прежнему расчетному значению.

Теперь предположим, что во время работы ЖРД номинальное соотношение топливных компонентов нарушилось по причине снижения расхода горючего через насос 2. Это снижение расхода вызовет снижение перепада давлений на трубке Вентури 5 и мембрана 7а чувствительного элемента 7 прикроет сопло 7б, что приведет (как и в первом случае) к увеличению давления в трубопроводе 21 с результирующим открытием дросселя 15, вследствие чего расход горючего возрастет. В конечном счете соотношение топливных компонентов вернется к прежнему значению.

Как явствует из описания изобретения, предложенная система стабилизации позволяет реализовать простой закон автоматического регулирования при конструктивной и схемной простоте, малой инерционности и быстродействии функциональных элементов, отсутствии механических связей между ними и влияния на систему факторов окружающей среды. В итоге повышается точность поддержания соотношения расходов топливных компонентов в ЖРД, а, следовательно, повышается эффективность ЖРД в целом. Наряду с этим основным техническим результатом предложенная система стабилизации представляет конструктору ЖРД полную свободу при компоновке агрегатов двигателя.

Возвращаясь в описанию предложенной системы, необходимо отметить, что представленная на чертеже конкретная схема не является строго обязательной в рамках существа изобретения: например в чувствительных элементах 6, 7 вместо мембраны могут использоваться сильфоны, дроссель 15 с сервомотором может располагаться за трубкой Вентури 5 (а не перед ней), гидроусилитель в сервомоторе может быть золотникового типа, трубопроводы 14 и 17 могут являться дренажными и т.д.

Представленная на чертеже система стабилизации соответствует схеме ЖРД с дожиганием генераторного газа в камере сгорания, где применение изобретения является наиболее целесообразным. Однако оно применимо и для ЖРД без дожигания.

Формула изобретения

Система стабилизации соотношения расходов топливных компонентов в жидкостном ракетном двигателе, включающая установленные в магистралях обоих топливных компонентов расходомерные трубки Вентури, подсоединенные к ним чувствительные элементы с гибкими сравнивающими органами и перекрываемыми соплами, настроечные жиклеры и установленный в магистрали одного из топливных компонентов дроссель расхода с поршневым гидравлическим сервомотором, отличающаяся тем, что чувствительный элемент разделен сравнивающим органом на две рабочие полости, одна из которых свободна и сообщена с критическим сечением трубки Вентури, а другая полость содержит сопло, причем эта полость в чувствительном элементе трубки Вентури на недросселируемой магистрали сообщена через жиклер с входом этой трубки, и сопло в указанной полости сообщено выходом через жиклер с аналогичной полостью другого чувствительного элемента, сопло которого сообщено выходом с магистралью низкого давления, а сервомотор снабжен гидроусилителем, рабочие полости которого сообщены с входом трубки Вентури на дросселируемой магистрали и с выходом сопла чувствительного элемента другой трубки.

РИСУНКИ

Рисунок 1