RU2065069C1 - Method of ensuring stable combustion in liquid-propellant rocket engine - Google Patents

Method of ensuring stable combustion in liquid-propellant rocket engine Download PDF

Info

Publication number
RU2065069C1
RU2065069C1 RU93036173A RU93036173A RU2065069C1 RU 2065069 C1 RU2065069 C1 RU 2065069C1 RU 93036173 A RU93036173 A RU 93036173A RU 93036173 A RU93036173 A RU 93036173A RU 2065069 C1 RU2065069 C1 RU 2065069C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
combustion
nozzles
liquid
rocket engine
propellant rocket
Prior art date
Application number
RU93036173A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93036173A (en
Inventor
О.Г. Максимец
Original Assignee
Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им. акад.В.П.Глушко
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им. акад.В.П.Глушко filed Critical Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им. акад.В.П.Глушко
Priority to RU93036173A priority Critical patent/RU2065069C1/en
Publication of RU93036173A publication Critical patent/RU93036173A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2065069C1 publication Critical patent/RU2065069C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: liquid-propellant rocket engines. SUBSTANCE: zone of combustion is created at propellant lead when one component is fed to combustion chamber by shutting off several injectors temporarily by one of propellant component. To this end, pyropots are fitted in injectors which are burnt out in course of launch, or easily fusible elements are fitted in injector including those made of Wood's alloy or indium alloy; neutral gas may be also fed to injectors. EFFECT: enhanced efficiency. 6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), конкретно к обеспечению устойчивого горения в ЖРД. The invention relates to the field of liquid-propellant rocket engines (LRE), and specifically to ensuring sustainable combustion in a LRE.

Обеспечение устойчивого горения в ЖРД (в тяговой камере, в газогенераторе) является одной из проблем, которые приходится решать разработчикам ЖРД. Неустойчивость проявляется в самопроизвольных колебаниях с большой амплитудой параметров, определяющих рабочий процесс ЖРД (давления, скорости, температуры газа и т. д. ). Особую опасность представляет высокочастотная неустойчивость, характеризующаяся возникновением на пусковом режиме колебаний газа в камере сгорания и газогенераторе с частотой свыше 1000 Гц, что приводит к разрушению материальной части (Космонавтика: Энциклопедия. М. Сов. энциклопедия, 1985, статья "Неустойчивость рабочего процесса"). Как правило, высокочастотная неустойчивость горения возникает на режиме запуска ЖРД. Ensuring sustainable combustion in the rocket engine (in the traction chamber, in the gas generator) is one of the problems that the developers of the rocket engine have to solve. Instability manifests itself in spontaneous oscillations with a large amplitude of parameters that determine the working process of the rocket engine (pressure, speed, gas temperature, etc.). Of particular danger is the high-frequency instability, which is characterized by the occurrence of gas oscillations in the combustion chamber and gas generator with a frequency of over 1000 Hz at the starting mode, which leads to the destruction of the material part (Cosmonautics: Encyclopedia. M. Sov. Encyclopedia, 1985, article "Instability of the working process") . As a rule, high-frequency combustion instability occurs in the LRE launch mode.

Известен способ обеспечения устойчивости горения в ЖРД, включающий создание демпфирующего газожидкостного объема в зоне горения (камеры сгорания, газогенератора) (Неустойчивость горения в ЖРД. Пер. с англ. М. 1975, с. 621-625). A known method of ensuring the stability of combustion in a rocket engine, including the creation of a damping gas-liquid volume in the combustion zone (combustion chamber, gas generator) (Instability of combustion in a rocket engine. Transl. From English. M. 1975, S. 621-625).

Известен способ обеспечения устойчивого горения в ЖРД, включающий создание при запуске зоны горения при опережении подачи в камеру сгорания одного из компонентов топлива путем временного перекрытия форсунок по одному из компонентов топлива (М.И. Шевелюк. Теоретические основы проектирования ЖРД. М. Оборонгиз, 1960, с. 616-618, 620-623 (прототип). There is a method of ensuring sustainable combustion in a liquid propellant rocket engine, including the creation of a combustion zone when starting up ahead of the supply to the combustion chamber of one of the fuel components by temporarily blocking nozzles along one of the fuel components (M.I. Shevelyuk. Theoretical principles for the design of liquid propellant rocket engines. M. Oborongiz, 1960 , pp. 616-618, 620-623 (prototype).

Однако указанный способ, рассчитанный на создание в начальный момент парогазового (капельно-жидкостного) облако-демпфирующего объема, не является эффективным в процессе выхода на номинальный режим. However, this method, designed to create at the initial moment a vapor-gas (drip-liquid) cloud-damping volume, is not effective in the process of reaching the nominal mode.

Изобретение решает техническую задачу создания простого и эффективного способа обеспечения устойчивого горения в ЖРД в процессе выхода на номинальном режиме. Эта задача решается за счет того, что в способе обеспечения устойчивого горения в ЖРД, включающем создание при запуске зоны горения при опережении подачи в камеру сгорания одного из компонентов топлива путем временного перекрытия форсунок по одному из компонентов топлива, согласно изобретению перекрытие осуществляют на части форсунок. Перекрытие форсунок могут осуществлять установкой в них пирошашек, выгорающих в процессе запуска, кроме того, перекрытие могут осуществлять установкой легкоплавких элементов, в том числе, выполненных из сплава Вуда или сплавов индия, кроме того, перекрытие форсунок могут осуществлять путем подачи в них нейтрального газа, в качестве которого могут использовать азот. The invention solves the technical problem of creating a simple and effective way to ensure sustainable combustion in the liquid propellant rocket engine in the process of output in nominal mode. This problem is solved due to the fact that in the method of ensuring stable combustion in the liquid propellant rocket engine, which includes creating a combustion zone when starting to feed one of the fuel components by temporarily blocking the nozzles along one of the fuel components, according to the invention, the overlap is carried out on the part of the nozzles. Overlapping nozzles can be carried out by installing pyrosoils in them, which burn out during the start-up process, in addition, overlapping can be achieved by installing fusible elements, including those made of Wood alloy or indium alloys, in addition, overlapping nozzles can be carried out by supplying neutral gas to them, which can use nitrogen.

От применения изобретения ожидается технический результат, состоящий в повышении надежности работы ЖРД на режиме запуска в процессе выхода на номинальный режим. From the application of the invention, a technical result is expected, consisting in increasing the reliability of the liquid propellant rocket engine in the starting mode in the process of reaching the nominal mode.

Поясним существо изобретения на конкретном примере его осуществления, применительно к двигателю типа РД-107, устанавливаемому на ракетах-носителях "Восток" и "Союз". Камера сгорания этого ЖРД содержит форсуночную головку (фиг. 1) с центральным подводящим патрубком 1, крышкой 2 и двумя плоскими днищами 3 и 4, в которых размещено 277 двухкомпонентных 5 и 60 однокомпонентных 6 форсунок центробежного типа, с тангенциальным подводом жидкого кислорода (окислитель) и керосина (горючее). Схема расположения форсунок представлена на фиг. 2, а конструкция форсунок на фиг. 3, 4. Жидкий кислород поступает к форсункам из верхней полости головки через патрубок 1, а керосин от периферии головки после прохождения камеры (фиг. 1 4 заимствованы из книги: "Космонавтика/Энциклопедия". М. Сов.энциклопедия, 1985, с. 426). Let us explain the essence of the invention with a specific example of its implementation, in relation to an engine of the RD-107 type, installed on the Vostok and Soyuz launch vehicles. The combustion chamber of this rocket engine contains a nozzle head (Fig. 1) with a central inlet pipe 1, a cover 2, and two flat bottoms 3 and 4, in which 277 two-component 5 and 60 one-component 6 centrifugal nozzles are placed, with a tangential supply of liquid oxygen (oxidizing agent) and kerosene (fuel). The nozzle arrangement is shown in FIG. 2, and the design of the nozzles in FIG. 3, 4. Liquid oxygen enters the nozzles from the upper cavity of the head through pipe 1, and kerosene from the periphery of the head after passing through the chamber (Fig. 1 4 are borrowed from the book: Cosmonautics / Encyclopedia. M. Sov. Encyclopedia, 1985, p. 426).

Чтобы осуществить предлагаемый способ, при сборке двигателя в каналы окислителя форсунок занимающих сектор с центральным углом α (в конкретном примере 60o), вставляют герметично, при помощи клея цилиндрические пирошашки торцового горения. В процессе предстартовой подготовки в рабочее пространство (зону горения) камеры вставляют (согласно эксплуатационно-технической документации) пирозажигательное устройство. При включении двигателя в работу подают в определенной последовательности, определяемой штатной циклограммой запуска, электрические команды на открытие топливных клапанов и задействование пирозажигательного устройства. К форсункам поступают окислитель и горючее, которые смешиваются в рабочем пространстве (зоне горения), и смесь воспламеняется (от пирозажигательного устройства), образуя высокотемпературные продукты сгорания, которые поступают в реактивное сопло. Причем в ту часть пространства камеры, где в форсунках установлены пирошашки, окислитель не поступает, а поступает только горючее в распыленном виде, образуя газожидкостный объем, заполненный испаряющимся каплями (керосина). Этот объем выполняет роль демпфера, в котором рассеивается энергия колебаний, генерируемая процессом горения в остальном пространстве камеры, что препятствует возникновению высокочастотных пульсаций давления.To implement the proposed method, when assembling the engine into the channels of the oxidizer nozzles occupying a sector with a central angle α (in a specific example, 60 ° ), cylindrical end-face burning cups are inserted tightly using glue. In the process of prelaunch preparation, a pyro-igniter is inserted into the chamber (combustion zone) of the chamber (according to the operational and technical documentation). When the engine is turned on, the electric commands to open the fuel valves and activate the pyro-igniter are given in a certain sequence determined by the regular start-up sequence. Oxidizer and fuel come to the nozzles, which are mixed in the working space (combustion zone), and the mixture ignites (from the pyro-ignition device), forming high-temperature combustion products that enter the jet nozzle. Moreover, in that part of the chamber space where pyrochecks are installed in the nozzles, the oxidizing agent does not enter, but only the fuel arrives in atomized form, forming a gas-liquid volume filled with evaporating drops (kerosene). This volume acts as a damper in which the vibrational energy generated by the combustion process in the rest of the chamber is dissipated, which prevents the appearance of high-frequency pressure pulsations.

От срабатывающего пирозажигательного устройства воспламеняются также пирошашки, установленные в форсунках. Они выгорают примерно через 15 с (что соответствует времени выхода двигателя на номинальный рабочий режим по штатной схеме запуска), открывая доступ окислителю в зону горения камеры через все форсунки, и двигатель выходит на расчетный режим. На этом режиме высокочастотные пульсации в камере не возникают. From the triggering pyro-ignition device, the pyro-cups installed in the nozzles are also ignited. They burn out after about 15 s (which corresponds to the time the engine reaches its rated operating mode according to the standard start-up scheme), opening up access to the oxidizer in the combustion zone of the chamber through all nozzles, and the engine enters into the calculated mode. In this mode, high-frequency ripple in the camera does not occur.

Отметим, что состав и размеры (длину) форсуночных пирошашек, как и места их установки, вначале рассчитывают и затем уточняют экспериментально. Вместо пирошашек в форсунки могут устанавливаться легкоплавкие (например пластмассовые) вставки, рассчитанные на выгорание в процессе запуска двигателя, либо каналы форсунок могут заплавляться легкоплавкими составами (сплавы Вуда, индия и т.д.) в расчете на их удаление при включении двигателя в работу за счет теплоты из зоны горения или за счет нагрева горючим, поступающим из охлаждающего тракта камеры. Из всех этих способов применение форсуночных пирошашек представляется наиболее простым и удобным способом, обеспечивающим стабильный, контролируемый запуск. (Применимость других способов ограничена в основном двигателями с кратковременным выходом на номинальный режим до приблизительно 3 с). Note that the composition and dimensions (length) of the nozzle pyros, as well as the places of their installation, are first calculated and then refined experimentally. Instead of pyrosheels, low-melting (for example, plastic) inserts designed for burnout during engine start-up can be installed in nozzles, or nozzle channels can be fused with low-melting compositions (Wood, indium alloys, etc.), counting on their removal when the engine is switched on for due to heat from the combustion zone or due to heating with fuel coming from the cooling path of the chamber. Of all these methods, the use of nozzle pyrosheets seems to be the simplest and most convenient way, providing a stable, controlled start. (The applicability of other methods is limited mainly by engines with a short-term output to rated mode up to approximately 3 s).

Вместо механического перекрытия форсунок может использоваться газодинамический способ, включающий заполнение форсуночных каналов нейтральным газом (азот, гелий). Применительно к описанной выше форсуночной головке двигателя РД-107 этот способ может осуществляться следующим образом. В процессе запуска одновременно с задействованием пирозажигательного устройства включают подачу (например из специального баллона) газообразного азота под давлением в полость окислителя форсуночной головки через штуцер 7, расположенный на периферии крышки 2. Азот заполняет примыкающую к штуцеру часть полости окислителя, поступая в каналы окислителя соответствующих форсунок, что препятствует поступлению в них кислорода из центрального патрубка 1. Через время, соответствующее выходу двигателя на номинальный режим по штатной схеме, подачу азота в полость головки (продувку полости) прекращают. Эта операция может осуществляться и автоматически при определенном превышении давления кислорода над давлением азота в продувочной магистрали, снабженной обратным клапаном. Instead of mechanical blocking of the nozzles, a gas-dynamic method can be used, including filling the nozzle channels with neutral gas (nitrogen, helium). In relation to the nozzle head of the RD-107 engine described above, this method can be carried out as follows. During the start-up process, simultaneously with the use of the pyrotechnic device, they supply (for example, from a special cylinder) gaseous nitrogen under pressure to the nozzle head oxidizer cavity through the nozzle 7 located on the periphery of the cover 2. Nitrogen fills the part of the oxidizer cavity adjacent to the nozzle and enters the corresponding nozzles into the oxidizer channels , which prevents the entry of oxygen into them from the central pipe 1. After a time corresponding to the output of the engine to the nominal mode according to the standard scheme, Chew of nitrogen into the cavity of the head (purging the cavity) is stopped. This operation can also be carried out automatically at a certain excess of oxygen pressure over nitrogen pressure in a purge line equipped with a check valve.

Технический результат от использования изобретения состоит в повышении надежности функционирования ЖРД за счет предотвращения высокочастотных колебаний газа в зонах горения (камеры сгорания, газогенератора) в режиме запуска. The technical result from the use of the invention is to increase the reliability of the LRE by preventing high-frequency oscillations of the gas in the combustion zones (combustion chamber, gas generator) in the startup mode.

Claims (6)

1. Способ обеспечения устойчивости горения в ЖРД, включающий создание при запуске зоны горения при опережении подачи в камеру сгорания одного из компонентов топлива путем временного перекрытия форсунок по одному из компонентов топлива, отличающийся тем, что перекрытие осуществляют на части форсунок. 1. A method of ensuring the stability of combustion in a liquid propellant rocket engine, which includes the creation of a combustion zone when starting up ahead of the supply to the combustion chamber of one of the fuel components by temporarily blocking the nozzles along one of the fuel components, characterized in that the overlap is carried out on the part of the nozzles. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перекрытие форсунок осуществляют установкой в них пирошашек, выгорающих в процессе запуска. 2. The method according to claim 1, characterized in that the nozzle overlap is carried out by the installation of pyroshears in them, which burn out during the start-up process. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перекрытие форсунок осуществляют установкой в них легкоплавких элементов. 3. The method according to claim 1, characterized in that the nozzle overlap is carried out by installing fusible elements in them. 4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что легкоплавкие элементы выполняют из сплава Вуда или из индия. 4. The method according to claims 1 and 3, characterized in that the low-melting elements are made from an alloy of Wood or from indium. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перекрытие форсунок осуществляют путем подачи в них нейтрального газа. 5. The method according to claim 1, characterized in that the nozzles are shut off by supplying neutral gas to them. 6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что в качестве нейтрального газа используют азот. 6. The method according to claims 1 and 5, characterized in that nitrogen is used as a neutral gas.
RU93036173A 1993-07-13 1993-07-13 Method of ensuring stable combustion in liquid-propellant rocket engine RU2065069C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93036173A RU2065069C1 (en) 1993-07-13 1993-07-13 Method of ensuring stable combustion in liquid-propellant rocket engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93036173A RU2065069C1 (en) 1993-07-13 1993-07-13 Method of ensuring stable combustion in liquid-propellant rocket engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93036173A RU93036173A (en) 1996-07-27
RU2065069C1 true RU2065069C1 (en) 1996-08-10

Family

ID=20144997

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93036173A RU2065069C1 (en) 1993-07-13 1993-07-13 Method of ensuring stable combustion in liquid-propellant rocket engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2065069C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477383C1 (en) * 2011-10-18 2013-03-10 Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Method of low-thrust rocket engine chamber operation
RU2571997C1 (en) * 2014-07-14 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Method of fuel components feed in liquid propellant rocket engine combustion chamber
CN107939551A (en) * 2017-11-29 2018-04-20 北京航天动力研究所 A kind of precombustion chamber ejector filler structure

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
М.И. Шевелюк. Теоретические основы проектирования ФРД.- М., Оборогиз, 1960, с. 616 - 623. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477383C1 (en) * 2011-10-18 2013-03-10 Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Method of low-thrust rocket engine chamber operation
RU2571997C1 (en) * 2014-07-14 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Method of fuel components feed in liquid propellant rocket engine combustion chamber
CN107939551A (en) * 2017-11-29 2018-04-20 北京航天动力研究所 A kind of precombustion chamber ejector filler structure
CN107939551B (en) * 2017-11-29 2024-02-09 北京航天动力研究所 Pre-combustion chamber injector structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5765361A (en) Hybrid-LO2-LH2 low cost launch vehicle
JP4386589B2 (en) Rocket engine
US3597923A (en) Rocket propulsion system
US20070180814A1 (en) Direct liquid fuel injection and ignition for a pulse detonation combustor
US6073437A (en) Stable-combustion oxidizer for hybrid rockets
US9273635B2 (en) Hypergolic hybrid motor igniter
JP4824814B2 (en) Methane engine for rocket propulsion
US11408376B2 (en) Thrust augmentation of an additively manufactured hybrid rocket system using secondary oxidizer injection
US5648052A (en) Liquid monopropellant gas generator
WO2016060581A1 (en) Device and method for organizing the operating process of a jet engine
RU2468240C1 (en) Chamber of liquid-propellant rocket engine or gas generator with laser ignition device of fuel components, and its startup method
RU2065069C1 (en) Method of ensuring stable combustion in liquid-propellant rocket engine
US5069031A (en) Gas turbine engine stored energy combustion system
US5274994A (en) Pressure wave machine with integrated combustion
US20070261386A1 (en) Single-Piece Hybrid Rocket Motor
US2982095A (en) Gas generating device
KR102300963B1 (en) Propulsion device of liquid propellant rocket engine
RU2221198C2 (en) Combustion chamber starting method
US5115637A (en) External cartridge gas combustor ignitor
RU2451202C1 (en) Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine
US4002431A (en) Nitrous oxide decomposition reactor
JP3788821B2 (en) Ram Rocket
JPH0318657A (en) Rocket motor
JP3036327B2 (en) Ramjet
RU2679949C1 (en) Method for launching the camera of a liquid rocket engine or a gas generator with laser igniting fuel and device for its implementation