RU2204075C2

RU2204075C2 - Tube-capsule and valve for bursting its membrane

Info

Publication number: RU2204075C2
Application number: RU2000103820/06A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Гриценко; В.С. Анисимов; Р.В. Харламов; В.А. Козлов; кин В.А. Мор; В.А. Морякин; Л.М. Гошев; В.П. Данильченко; С.В. Михайлов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д.Кузнецова"
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2003-05-10

Abstract

FIELD: chemical ignition of air-and-fuel mixture of gas generator or combustion chambers at limited number of starts. SUBSTANCE: proposed tube-capsule includes pipe line filled with combustible component entrapped between membranes. U-shaped pipe line is provided with valves on either side for forced bursting of membranes. Membrane bursting valve has body with L-shaped passage for flow of component, pyro drive with flexible diaphragm and pusher and hollow piston-knife which is fitted at the end of rod movable in hole of body coaxially relative to pusher forming circular clearance together with inner flow passage whose area is equal to area of cut section. Provision is made for accurate delivery of combustible component in accordance with engine cyclogram and excluding choking of passage with membrane fragments. EFFECT: simplified construction; enhanced reliability. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а более конкретно - к устройствам химического зажигания рабочих компонентов газогенератора или камер сгорания данных двигателей с ограниченным числом запусков. The invention relates to the field of liquid rocket engines (LRE), and more particularly, to devices for chemical ignition of the working components of a gas generator or combustion chambers of these engines with a limited number of starts.

Известны пиротехнические системы зажигания на камерах сгорания и жидкостных газогенераторах с помощью пиропатронов (см. кн. под общ. ред. Г.Г. Гахуна. Конструкция и проектирование ЖРД. - М.: Машиностроение, 1989, с.73). Known pyrotechnic ignition systems on combustion chambers and liquid gas generators using pyrocartridges (see book under the general editorship of GG Gakhun. Construction and design of liquid propellant rocket engines. - M.: Mashinostroenie, 1989, p.73).

Основной их недостаток - невозможность многократности запусков из-за отложения продуктов сгорания пороха в пламявыводящих трубках и возможность задержки воспламенения, что приводит к перегрузкам при выходе на режим. Their main disadvantage is the impossibility of multiple launches due to the deposition of the products of combustion of gunpowder in the flame tubes and the possibility of delaying ignition, which leads to overloads when entering the mode.

Указанные недостатки устранены при химическом зажигании. These disadvantages are eliminated by chemical ignition.

Известная химическая система зажигания в ЖРД (см. кн. Г.Г.Гахуна и др., с. 75, рис. 4.5а) имеет цилиндрическую трубу-капсулу, установленную перед камерой сгорания и заполненную пусковым жидким компонентом, который самовоспламеняется при контакта с окислителем в полости камеры сгорания или газогенератора. При этом не происходит каких-либо задержек воспламенения рабочих компонентов. The well-known chemical ignition system in the liquid propellant rocket engine (see book by G.G. Gakhuna et al., P. 75, Fig. 4.5a) has a cylindrical tube capsule installed in front of the combustion chamber and filled with a starting liquid component that spontaneously ignites upon contact with oxidizing agent in the cavity of the combustion chamber or gas generator. In this case, there are no delays in the ignition of the working components.

В такой трубе-капсуле компонент отделен от остальной части трубопроводов подачи рабочих компонентов мембранами свободного прорыва (см. кн. Г.Г.Гахуна, с. 324, рис. 12.2), выполненными из фольги со специальной насечкой. In such a capsule tube, the component is separated from the rest of the pipelines for supplying working components with free-break membranes (see book by G.G. Gakhun, p. 324, Fig. 12.2) made of foil with a special notch.

Основным недостатком такой конструкции является значительный разброс значения давления, при котором происходит прорыв мембран и, кроме того, большой длинновой габарит прямой цилиндрической трубы-капсулы, что затрудняет ее размещение в компоновке ЖРД и возможность попадания сколов мембран в форсуночные головки. The main disadvantage of this design is the significant variation in the pressure value at which the membranes break through and, in addition, the large long dimension of the straight cylindrical tube-capsule, which makes it difficult to place it in the LRE layout and the possibility of membrane chips getting into the nozzle heads.

Известны и мембранные клепаны принудительного прорыва, которые позволяют обеспечить прорезание мембран точно в указанное время или в соответствии с определенными параметрами по циклограмме запуска (см. кн. Г.Г.Гахуна, с. 324, рис. 12.3). Такие клапаны разового действия с кольцевым ножом устанавливаются, в основном, в главных магистралях подвода окислителя и горючего больших диаметров. Они достаточно сложны и состыковываются в магистралях по своим торцам с помощью сварки. Forced breakthrough membrane rivets are also known that allow cutting through the membranes exactly at the indicated time or in accordance with certain parameters according to the launch sequence diagram (see book by G.G. Gakhun, p. 324, Fig. 12.3). Such single-acting valves with an annular knife are installed mainly in the main lines for the supply of oxidizer and fuel of large diameters. They are quite complex and dock in the highways at their ends by welding.

В случае необходимости его использования в магистралях малого расхода и небольшого диаметра их труб исполнение такого клапана выглядит проблематичным (в части размещения внутри его пружины, сворачивания мембраны вокруг внутреннего ребра и. т.д.). If it is necessary to use it in low-flow highways and a small diameter of their pipes, the design of such a valve looks problematic (in terms of placement inside its spring, folding the membrane around the inner rib, etc.).

Указанные недостатки частично устранены в быстродействующем клапане с расположением поршня-ножа внутри проточной части рабочего канала. These disadvantages are partially eliminated in the high-speed valve with the location of the piston-knife inside the flow part of the working channel.

Известный клапан прорыва мембран (см. авт. св. СССР 164512 за 1963 г.) имеет корпус с Г-образным каналом, мембрану, перекрывающую проходное сечение, пиропривод с гибкой дифрагмой и толкателем и полый цилиндрический поршень-нож, расположенный внутри цилиндрической проточки корпуса с возможностью его скольжения до стенке корпуса. В поршне-ноже имеется одно отверстие для прохода компонента и продольный паз для его фиксации в угловом положении с помощью шпонки. The well-known membrane breakthrough valve (see ed. St. USSR 164512 for 1963) has a body with an L-shaped channel, a membrane that covers the passage, a pyrodriver with a flexible diaphragm and pusher, and a hollow cylindrical piston-knife located inside the cylindrical groove of the housing with the possibility of its sliding to the wall of the housing. In the piston-knife there is one hole for the passage of the component and a longitudinal groove for fixing it in the angular position with the help of a key.

Кроме того, в клапане есть срезаемый толкателем контрящий поршень-нож штифт, причем пиропровод уплотнен по корпусу путем подтяжки корпуса пиропровода к корпусу клапана. Сам корпус скреплен трубопроводами магистрали с помощью сварки. In addition, the valve has a locking piston-knife that is cut off by the pusher, and the pyroline is sealed along the body by tightening the pyroline body to the valve body. The housing itself is fastened by pipelines of the highway by welding.

Конструкция известного клапана не обеспечивает его повторного использования, например, после огневого сдаточного испытания ЖРД. При наличии больших вибраций при работе двигателя возможна разгерметизация по стыку пиропровода с корпусом. The design of the known valve does not provide for its reuse, for example, after the fire acceptance test of the LRE. In the presence of large vibrations during engine operation, depressurization at the junction of the pyrotechnic pipeline with the housing is possible.

Клапан является необратимым при изменении направления потока компонента в противоположную сторону, поскольку подрезанная мембрана закроет выход компоненту. The valve is irreversible when the direction of flow of the component changes in the opposite direction, since the cut membrane will close the outlet of the component.

Кроме того, внутренняя полость Г-образного канала является, при целой мембране, тупиковой полостью, не позволяющей производить ее продувку, как это часто требуется перед запуском. In addition, the internal cavity of the L-shaped channel is, with a whole membrane, a dead-end cavity that does not allow purging, as is often required before starting.

Задачи, на решение которых направлены заявленные изобретения, заключаются в создании для линий питания горючим газогенераторов, или камер сгорания, трубы-капсулы с самовоспламеняющимся компонентом, и клапана прорыва ее мембран, обеспечивающих: точную по времени подачу самовоспламеняющего компонента на рабочие форсунки; компактность устройства в целом; возможность снятия с двигателя для перезарядки после сдаточно-огневых испытаний и вторичной его установки на двигатель; исключение возможности попадания осколков мембран на вход в форсуночные головки; получение возможности продувки внутренних полостей клапанов; упрощение конструкции клапанов; использование клапана прорыва мембран одной конструкции как на входе, так и на выходе из трубы-капсулы; отсутствие возможности разгермитизации корпуса клапана со стороны пиропривода. The tasks to which the claimed inventions are directed are to create for the fuel supply lines of gas generators, or combustion chambers, a capsule tube with a self-igniting component, and a breakthrough valve for its membranes, providing: accurate time-based delivery of the self-igniting component to the working nozzles; compactness of the device as a whole; the possibility of removal from the engine for recharging after fire tests and its secondary installation on the engine; elimination of the possibility of splinters of membranes entering the entrance to the nozzle heads; obtaining the possibility of purging the internal cavity of the valves; simplification of valve design; the use of a membrane breakthrough valve of the same design both at the inlet and at the outlet of the capsule tube; the inability to depressurize the valve body from the pyrodrive side.

Поставленные задачи решаются тем, что:
- трубопровод трубы-капсулы выполнен П-образным и с обоих концов снабжен клапанами принудительного прорыва мембран;
- каждая мембрана по ее центру до прорезания скреплена с направляющим штоком, установленным в посадочном седле с отверстиями перепуска топлива, причем направляющий шток мембраны со стороны входа горючего в трубу-капсулу выполнен подпружиненным;
- в каждом клапане прорыва мембран поршень-нож установлен на конце штока, имеющего возможность перемещения в отверстии корпуса соосно толкателю, и образует с внутренним проточным каналом корпуса кольцевой зазор с площадью, как минимум, равной площади вырезаемого участка мембраны, и снабжен рядом окон в его цилиндрической части;
- в каждом клапане на поршень-нож установлена предохранительная втулка, например, из фторопласта, прикрывающая режущую часть в процессе транспортировки, или хранения, и имеющая возможность ее сдвига, при срезании ножом мембраны, по его ступенчатой цилиндрической части.The tasks are solved in that:
- the pipeline of the tube-capsule is made U-shaped and equipped with valves for forced breakthrough of membranes at both ends;
- each membrane in its center is fastened to cutting with a guide rod installed in the landing seat with fuel bypass holes, and the membrane guide rod from the side of the fuel into the capsule pipe is spring-loaded;
- in each membrane breakthrough valve, a piston-knife is mounted on the end of the stem, which can be moved coaxially to the follower in the housing opening, and forms an annular gap with an internal flow channel of the housing with an area of at least equal to the area of the membrane section being cut, and equipped with a number of windows in it cylindrical part;
- in each valve, a safety sleeve, for example, made of fluoroplastic, is installed on the piston-knife, covering the cutting part during transportation or storage, and having the ability to shift it when the membrane is cut off with a knife along its stepped cylindrical part.

Сущность изобретений поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схематически труба-капсула с клапанами принудительного прорыва мембран; на фиг. 2 - клапан прорыва мембран, состыкованный с фланцем трубы-капсулы со стороны подачи горючего в газогенератор до прорыва мембраны; на фиг.3 -клапан прорыва мембран, состыкованный с фланцем трубы-капсулы со стороны выхода самовоспламеняющего компонента после прорезания мембраны в начальный период; на фиг.4 - пример заделки мембраны по ее наружному диаметру; на фиг.5 - схема установки трубы-капсулы с клапанами прорыва ее мембран в ЖРД с дожиганием в линии питания горючим газогенератора. The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows schematically a tube capsule with valves forced breakthrough membranes; in FIG. 2 - valve breakthrough membranes, docked with the flange of the tube capsule from the side of the fuel into the gas generator before the breakthrough of the membrane; figure 3 - valve breakthrough membranes, docked with the flange of the capsule tube from the outlet of the self-igniting component after cutting through the membrane in the initial period; figure 4 is an example of termination of the membrane according to its outer diameter; figure 5 - installation diagram of the tube capsule with valves for breaking through its membranes in the liquid propellant rocket engine with afterburning in the fuel supply line of the gas generator fuel.

Труба-капсула 1 содержит П-образный трубопровод 2, заполненный, например, триэтилалюминием с входным 3 и выходным 4 крепежными фланцами под клапаны принудительного прорыва мембран 5 и 6 - входного 7 и выходного 8. Обе мембраны по наружным их диаметрам приварены к элементам фланцев, а по внутренним, в их центральных участках, к направляющим штокам. Так со стороны входного клапана 7 мембрана 5 скреплена с наконечником направляющего штока 9, а со стороны выходного клапана 8 мембрана 6 скреплена с наконечником направляющего штока 10. Шток 9 установлен в посадочном седле 11, а шток 10 в посадочном седле 12, причем оба седла выполнены с отверстиями перепуска топлива. В отличие от штока 10 шток 9 подпружинен с помощью винтовой пружины сжатия 13 и самоконтрящей гайки 14 с упором конца пружины в проточку седла 11. The capsule pipe 1 contains a U-shaped pipe 2, filled, for example, with aluminum triethyl with input 3 and output 4 mounting flanges for forced breakthrough valves for membranes 5 and 6 - input 7 and output 8. Both membranes are welded to the flange elements along their outer diameters, and on the inside, in their central sections, to the guide rods. So on the side of the inlet valve 7, the membrane 5 is bonded to the tip of the guide rod 9, and on the side of the outlet valve 8, the membrane 6 is bonded to the tip of the guide rod 10. The stem 9 is installed in the seat saddle 11, and the stem 10 in the seat saddle 12, both saddles with fuel bypass holes. In contrast to the rod 10, the rod 9 is spring-loaded with a compression screw spring 13 and a self-locking nut 14 with a spring end stop in the seat groove 11.

Клапаны прорыва мембран трубы-капсулы на входе горючего 7 и на выходе 8 конструктивно за исключением несущественных элементов выполнены одинаково. Фактически каждый клапан содержит корпус 15 с Г-образным каналом 16 для протока горючего. К каналу 16 примыкает небольшая полость 17 с размещением в ней или обратного клапана, или дроссельных шайб (условно не показанные) и заканчивающаяся штуцером 18. Соосно части канала 16, примыкающей к фланцу 3 или 4, в корпусе 15 выполнено отверстие 19, которое имеет свое продолжение в корпусе пиропривода 20, скрепленного с корпусом 15. Внутри корпуса 20 выполнена полость 21, которая замкнута крышкой 22 с ее штуцером подвода 23 и перфорированной пластинкой равномерного распределения газа 24. Между корпусом 20 и крышкой 22 установлена гибкая диафрагма 25. Внутри отверстия 19 со стороны пиропривода размещен толкатель 26, контактирующий с одной стороны с диафрагмой 25, а с другой с торцом штока 27. На консольной части штока, на его конце, установлен цилиндрический полый поршень-нож 28. Сам шток имеет возможность перемещения в отверстии 19 соосно толкателю 26 и снабжен уплотнительными элементами 29. Поршень-нож 28 включает ряд окон 30 в его цилиндрической части, упорный буртик 31 и ступенчатый цилиндрический участок 32 со стороны режущей части, на которой смонтирована предохранительная втулка 33 из эластичного материала, например из фторопласта. Втулка в крайнем левом положении прикрывает собой режущую часть ножа в процессе хранения и транспортировки, но она имеет возможность ее сдвига в момент перехлопа диафрагмы по ступенчатому участку с упором к мембрану. Сам поршень-нож 28 выполнен с наружным диаметром буртика 31, который образует с внутренним проточным каналом корпуса клапана кольцевой зазор L с площадью, как минимум, равной площади вырезаемого ножом участка мембраны. The valves of the breakthrough of the membrane of the tube-capsule at the inlet of the fuel 7 and at the outlet 8 are structurally designed with the exception of non-essential elements. In fact, each valve contains a housing 15 with an L-shaped channel 16 for the flow of fuel. A small cavity 17 adjoins the channel 16 with either a non-return valve or throttle washers (not shown conventionally) in it and ending with a nozzle 18. Coaxial to the part of the channel 16 adjacent to the flange 3 or 4, a hole 19 is made in the housing 15, which has its own continued in the housing of the pyrodrive 20, bonded to the housing 15. Inside the housing 20 there is a cavity 21, which is closed by a cover 22 with its supply fitting 23 and a perforated plate of uniform distribution of gas 24. A flexible diaphragm 25 is installed between the housing 20 and the cover 22. Inside and a hole 19 on the pyrodrive side there is a pusher 26 in contact with the diaphragm 25 on one side and the rod end 27 on the other. A cylindrical hollow piston-knife 28 is mounted on the console part of the rod, at the end. The rod itself can move in the hole 19 coaxially to the pusher 26 and provided with sealing elements 29. The piston-knife 28 includes a series of windows 30 in its cylindrical part, an abutment collar 31 and a stepped cylindrical section 32 from the cutting part, on which the safety sleeve 33 of elastic m is mounted material, for example from ftoroplast. The sleeve in the leftmost position covers the cutting part of the knife during storage and transportation, but it has the ability to shift it at the moment of overheating of the diaphragm along the step section with an emphasis on the membrane. The piston-knife 28 itself is made with an outer diameter of the shoulder 31, which forms an annular gap L with an area at least equal to the area of the membrane section cut by the knife with the inner flow channel of the valve body.

На ЖРД с химическим зажиганием топлива в газогенераторе 34 труба-капсула 1, заполненная, например, триэтилалюминием, устанавливается на линии 35 питания горючим газогенератора с клапанами прорыва мембран 7 и 8 во взведенном положении хлопающих диафрагм 25 (между регулятором тяги 36 и клапаном 37). Командное давление к клапанам подключено по линии 38 к пусковой пиротурбине 39. On a liquid-propellant rocket engine with chemical ignition of the fuel in the gas generator 34, a capsule tube 1 filled, for example, with triethyl aluminum, is installed on the fuel supply line 35 with a gas generator breakthrough valve 7 and 8 in the cocked position of the popping diaphragms 25 (between the draft regulator 36 and valve 37). The command pressure to the valves is connected via line 38 to the starting pyroturbine 39.

Перед запуском ЖРД через штуцеры 18 производят продувку линии горючего перед газогенератором или дренаж горючего в ходе работы из регулятора тяги в расходную магистраль ракеты. Before starting the rocket engine through the nozzles 18, the fuel line is purged in front of the gas generator or the fuel is drained during operation from the draft regulator to the rocket consumable line.

В процессе запуска при достижении определенных давлений горючего в линии 35 и пороховых газов в линии 38 происходит перехлоп диафрагм 25 в клапанах 7 и 8, в результате чего поршень-нож 28 перемещается влево и сдвигает за счет упора о мембрану предохранительную втулку 33 до упора в буртик 31. При этом происходит вырезание круглых участков мембран 5 и 6. Освобожденный направляющий шток 9 под воздействием дружины 13 и давления, поступающего по стрелке 40 горючего, вместе с вырезанным круглым участком мембрана 5 сдвигается до упора влево и освобождает проходное сечение для горючего. В то же время вырезанный участок мембраны 6 вместо со штоком 10 под давлением горючего и воспламеняющего компонента уходит вправо до упора во внутренний торец поршня-ножа. Воспламеняющий компонент, перемешиваясь с горючим, поступает по стрелке 41 в клапан 37 на самовоспламенение с окислителем в полости газогенератора 34. В результате возрастания давления горючего в полостях 16 поршень-нож 28 возвращается в первоначальное положение до запуска, при этом также происходит перехлоп диафрагм 25 в ее начальное положение. During the start-up process, when certain fuel pressures in line 35 and powder gases in line 38 are reached, the diaphragms 25 in valves 7 and 8 overheat, as a result of which the piston-knife 28 moves to the left and moves the safety sleeve 33 against the stop against the shoulder against the shoulder against the diaphragm 31. In this case, the circular sections of the membranes 5 and 6 are cut out. The released guide rod 9 under the influence of the squad 13 and the pressure supplied by the arrow 40 of the fuel, together with the cut round section, the membrane 5 moves to the left to the stop and releases running section for fuel. At the same time, the cut-off portion of the membrane 6 instead of with the stem 10 under the pressure of a combustible and igniting component goes to the right until it stops against the inner end of the piston-knife. The igniting component, mixing with the fuel, flows along the arrow 41 into the valve 37 for self-ignition with the oxidizing agent in the cavity of the gas generator 34. As a result of the increase in the fuel pressure in the cavities 16, the piston-knife 28 returns to its original position before starting, while the diaphragm 25 her starting position.

В случае повторных наземных огневых испытаний на одной и той же матчасти или использовании на спасаемых ракетах конструкция трубы-капсулы и клапанов прорыва мембран позволяет после небольшой доработки произвести перезарядку самовоспламеняющего компонента. В частности, со штоков 9 и 10 и с фланцев 3 и 4 срезаются остатки мембран 5 и 6 и привариваются новые, неразрушенные, при этом устанавливаются также новые предохранительные втулки 33. In the case of repeated ground-based fire tests on the same materiel or use on salvage missiles, the design of the capsule tube and the membrane breakthrough valves allows recharging of the self-igniting component after a little refinement. In particular, from the rods 9 and 10 and from the flanges 3 and 4, the remnants of the membranes 5 and 6 are cut off and new, non-destroyed, are welded, while new safety sleeves 33 are also installed.

Конфигурация трубопровода капсулы может быть слегка видоизменена, например быть С-образной. The configuration of the capsule conduit may be slightly modified, for example to be C-shaped.

При необходимости повторного запуска в полете возможна установка дублирующих трубы-капсулы и пирозарядов ЖРД. If it is necessary to restart in flight, it is possible to install duplicate tube capsules and rocket propellants.

Предложенная труба-капсула химического воспламенения хорошо вписывается в общую схему обвязки ЖРД из-за ее компактности (совместно с клапанами прорыва мембран) и обеспечивает точную подачу воспламеняющего компонента в соответствии с циклограммой двигателя. Осевое смещение срезанных частей мембран совместно с их штоками устраняет возможность запирания тракта отрывками мембран. Труба-капсула легко восстанавливается для повторного использования. The proposed chemical ignition tube capsule fits well into the general layout of the LPRE strapping due to its compactness (together with membrane breakthrough valves) and provides an accurate supply of the igniting component in accordance with the engine cycle diagram. The axial displacement of the cut parts of the membranes together with their rods eliminates the possibility of locking the path with fragments of membranes. The capsule tube is easily restored for reuse.

Предложенный клапан прорыва мембран позволяет использовать его как на входе, так и на выходе горючего в трубе-капсуле, т.е. он обратим по своему действию. Клапан не имеет срезаемых штифтов и легко взводится для повторного применения. Клапан не имеет возможности разгерметизации со стороны пиропривода и позволяет продувку тракта без наличия глухих полостей. Конструкция его проста, а следовательно, и надежна. The proposed membrane breakthrough valve allows its use both at the inlet and at the fuel outlet in the capsule tube, i.e. it is reversible in its effect. The valve has no shear pins and can be easily cocked for reuse. The valve does not have the possibility of depressurization on the pyrodrive side and allows purging of the duct without the presence of blind cavities. Its design is simple, and therefore reliable.

Claims

1. The tube-capsule containing a pipeline filled with a flammable component with an oxidizer, enclosed between the membranes, characterized in that the pipeline is made U-shaped and equipped with valves for forced breakthrough of the membranes.

2. The capsule tube according to claim 1, characterized in that each membrane is fastened to a guide rod installed in the landing seat with fuel bypass holes before cutting through its center, the membrane guide rod being spring loaded on the side of the fuel into the capsule tube.

3. A membrane breakthrough valve, comprising a body with an L-shaped channel for component flow, a pyrodriver with a flexible diaphragm and a pusher, a hollow cylindrical piston-knife, characterized in that the piston-knife is mounted on the end of the stem, which can be moved coaxially to the pusher , and forms an annular gap with the internal flow channel of the housing with an area of at least equal to the area of the cut out portion of the membrane and is equipped with a number of windows in its cylindrical part.

4. The valve according to claim 3, characterized in that a safety sleeve, for example, made of fluoroplastic, is installed on the piston-knife, covering the cutting part during transportation or storage, and having the ability to shift it when the membrane is cut off with a knife along its stepped cylindrical part.