RU2204732C2

RU2204732C2 - Gas generator of liquid-propellant rocket engine

Info

Publication number: RU2204732C2
Application number: RU2000103821/06A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Гриценко; В.С. Анисимов; Ю.П. Козьмин; М.В. Коротов; А.М. Постников
Original assignee: ОАО "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова"
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2003-05-20

Abstract

FIELD: rocketry. SUBSTANCE: gas generator of liquid-propellant rocket engine contains injector assembly with front, middle and injector faces, combustion chamber with inner envelope provided with longitudinal cooling channels and manifold with excess component supply branch pipe connected with combustion chamber through holes in bosses. Combustion chamber cooling channels in gas generator are made at both sides of bosses and between bosses and are connected with manifold by holes arranged in two rows with passage of coolant from first row along channels from bosses to second row into channels between bosses to side of assembly and back with subsequent turning of flow into channels with line ends provided with holes for curtain cooling. EFFECT: provision of compact light-weight gas generator with reliable cooling and uniform temperature field at outlet. 4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а более конкретно к газогенераторам ЖРД, предназначенным для выработки газа, идущего на привод турбины турбонасосного агрегата (ТНА). The invention relates to the field of liquid rocket engines (LRE), and more specifically to gas generators LRE, designed to produce gas going to the turbine drive of a turbopump unit (TNA).

Известны газогенераторы ЖРД, содержащие охлаждаемую камеру сгорания, форсуночную головку, состоящую из переднего, среднего и огневого днищ, форсунок окислителя и горючего (см. книгу Г.Г. Гахун и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", М., Машиностроение, 1989, стр. 144, 145, рис. 8.3, 8.4). Эти газогенераторы выполнены по однозонной схеме, в которой весь расход окислителя и горючего вводится в одном поперечном сечении через форсуночную головку. Known gas rocket engines containing a cooled combustion chamber, nozzle head, consisting of front, middle and firing bottoms, oxidizer nozzles and fuel (see the book GG Gakhun and others. "Design and construction of liquid rocket engines", M., Mechanical Engineering , 1989, p. 144, 145, Fig. 8.3, 8.4). These gas generators are made according to a single-zone scheme in which the entire flow rate of the oxidizer and fuel is introduced in one cross section through the nozzle head.

Недостатком таких газогенераторов является невозможность обеспечения устойчивого горения и равномерности температуры на выходе из газогенератора при работе на смесях, резко отличающихся от стехиометрической, т.е. работающих с большим избытком одного из компонентов топлива. Такая схема применяется в ЖРД, работающих с дожиганием генераторного газа в основной камере сгорания. The disadvantage of such gas generators is the inability to ensure stable combustion and uniformity of temperature at the outlet of the gas generator when working on mixtures that are very different from stoichiometric, i.e. working with a large excess of one of the components of the fuel. Such a scheme is used in liquid-propellant rocket engines working with afterburning of generator gas in the main combustion chamber.

В двигателях с дожиганием на компонентах жидкий кислород и углеводородное горючее, например керосин, применяют окислительные газогенераторы. Примером такого газогенератора является газогенератор двигателя РД-253 (см. книгу Г. Г. Гахун и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", М. , Машиностроение, 1989, стр.143, рис.8.2). В этом газогенераторе в зону головки подается горючее и окислитель в соотношении, надежно обеспечивающем воспламенение и устойчивое горение, т.е. близком к стехиометрическому. Через дополнительный ввод подается необходимый избыток окислителя. Камера газогенератора охлаждается окислителем. In engines with afterburning on components, liquid oxygen and hydrocarbon fuels, such as kerosene, use oxidizing gas generators. An example of such a gas generator is the gas generator of the RD-253 engine (see the book by G. G. Gakhun et al. "Design and Design of Liquid Rocket Engines", M., Mechanical Engineering, 1989, p. 143, Fig. 8.2). In this gas generator, fuel and an oxidizing agent are supplied to the head area in a ratio that reliably provides ignition and stable combustion, i.e. close to stoichiometric. Through an additional input, the necessary excess of oxidizing agent is supplied. The gas generator chamber is cooled by an oxidizing agent.

Недостатком указанного газогенератора является наличие сферического коллектора для подвода избыточного компонента, практически охватывающего всю длину газогенератора. Это приводит к увеличению габаритов и веса газогенератора из-за наличия сферического коллектора с большой поверхностью, а также к неравномерности температурного поля из-за невозможности равномерно раздать избыточный компонент по сечению камеры газогенератора через сферический коллектор и наличия большого количества отверстий в стенке камеры газогенератора. Ухудшается охлаждение из-за наличия большого количества бобышек для подачи избыточного компонента и отсутствия завесного охлаждения камеры сгорания до зоны смешения и после зоны смешения. В приведенной конструкции отсутствует элемент, предотвращающий закрутку потока в коллекторе. Закрутка потока избыточного компонента приводит к неравномерности статического давления по длине коллектора и, как следствие, к неравномерной раздаче избыточного компонента и неравномерности температурного поля на выходе из газогенератора. The disadvantage of this gas generator is the presence of a spherical collector for supplying an excess component that practically covers the entire length of the gas generator. This leads to an increase in the dimensions and weight of the gas generator due to the presence of a spherical collector with a large surface, as well as to the unevenness of the temperature field due to the inability to evenly distribute the excess component over the cross section of the gas generator chamber through a spherical collector and the presence of a large number of holes in the wall of the gas generator chamber. Cooling is deteriorating due to the presence of a large number of bosses for supplying an excess component and the absence of curtain cooling of the combustion chamber to the mixing zone and after the mixing zone. In the above design, there is no element that prevents swirling the flow in the collector. Swirling the flow of the excess component leads to non-uniformity of the static pressure along the length of the collector and, as a result, to uneven distribution of the excess component and the unevenness of the temperature field at the outlet of the gas generator.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании малогабаритного, надежного газогенератора малого веса, обеспечивающего высокую равномерность температурного поля на выходе из газогенератора. The problem to which the invention is directed, is to create a compact, reliable low-weight gas generator, providing high uniformity of the temperature field at the outlet of the gas generator.

Поставленная задача решается тем, что в нем на внутренней оболочке камеры, соединенной через ребра каналов охлаждения с наружной оболочкой, например, при помощи пайки, имеются бобышки с отверстиями для подачи избыточного компонента, a каналы охлаждения камеры сгорания выполнены по обе стороны от бобышек и между ними и соединены с коллектором отверстиями, расположенными в два ряда с протоком охладителя из первого ряда по каналам от бобышек в головку и из второго ряда в каналы между бобышками в сторону головки и обратную сторону с последующим поворотом потока в каналы с тупиками, снабженными отверстиями навесного охлаждения. Предложенное конструктивное решение позволяет улучшить охлаждение газогенератора как путем организации конвективного охлаждения, так и завесного. The problem is solved in that on it on the inner shell of the chamber, connected through the ribs of the cooling channels to the outer shell, for example, by soldering, there are bosses with holes for supplying the excess component, and the cooling channels of the combustion chamber are made on both sides of the bosses and between they are connected to the collector by openings located in two rows with the cooler duct from the first row through the channels from the bosses to the head and from the second row into the channels between the bosses towards the head and the back side, followed by m rotating flow in channels with dead ends, provided with attachment holes cooling. The proposed constructive solution allows to improve the cooling of the gas generator both by organizing convective cooling and curtain.

Для создания завесного охлаждения в первой высокотемпературной зоне газогенератора, расположенной от головки до зоны впрыска избыточного компонента, в месте соединения огневого днища с внутренней оболочкой камеры выполнена отбортовка, в этой отбортовке выполнены равномерно расположенные тангенциальные каналы, направленные в сторону внутренней оболочки камеры сгорания. По этим каналам подается избыточный компонент, в данном случае окислитель, в результате чего создается надежное завесное охлаждение от головки до зоны смешения. To create a curtain cooling in the first high-temperature zone of the gas generator, located from the head to the injection zone of the excess component, a flanging is made at the junction of the fire bottom with the inner shell of the chamber, in this flanging there are uniformly located tangential channels directed towards the inner shell of the combustion chamber. An excess component, in this case an oxidizing agent, is supplied through these channels, as a result of which reliable curtain cooling is created from the head to the mixing zone.

В известных газогенераторах не предусмотри механизм регулирования дальнобойности струй подачи избыточного компонента в зону смешения. Все отверстия подачи избыточного компонента работают под одним перепадом давления, в результате не обеспечивается необходимая подача избыточного компонента по зонам поперечного сечения камеры газогенератора, следствием чего является большая неравномерность температурного поля на выходе из газогенератора. In well-known gas generators, do not provide a mechanism for controlling the range of the jets of supplying the excess component to the mixing zone. All openings for supplying the excess component operate under one differential pressure, as a result, the required supply of the excess component is not provided over the cross-sectional areas of the gas generator chamber, which results in a large non-uniformity of the temperature field at the outlet of the gas generator.

В предлагаемом газогенераторе во входном патрубке коллектора подвода избыточного компонента установлена перфорированная отверстиями диафрагма, часть отверстий диафрагмы патрубками соединены с отверстиями в бобышках камеры сгорания. В результате часть отверстий в бобышках камеры работает с одним перепадом давлений, а часть с другим, при этом за счет разного перепада обеспечивается различная дальнобойность струй и подача избыточного компонента в необходимую зону поперечного сечения камеры и достигается высокая равномерность температурного поля. In the proposed gas generator, in the inlet pipe of the manifold for supplying the excess component, a diaphragm perforated with holes is installed, part of the diaphragm holes are connected to the holes in the bosses of the combustion chamber by nozzles. As a result, part of the holes in the bosses of the chamber operates with one pressure drop, and part with another, while due to different drops, the different range of the jets and the supply of the excess component to the desired cross-sectional area of the chamber are achieved and a high uniformity of the temperature field is achieved.

В коллекторе подвода избыточного компонента со стороны, противоположной патрубку подвода, установлена поперечная перегородка, устраняющая закрутку потока в коллекторе. В результате этого обеспечивается одинаковое статическое давление избыточного компонента в коллекторе и его равномерная раздача через отверстия в бобышках, что также улучшает равномерность температурного поля. In the manifold for supplying the excess component from the side opposite to the supply pipe, a transverse partition is installed that eliminates the flow swirl in the collector. As a result of this, the same static pressure of the excess component in the collector and its uniform distribution through the holes in the bosses are ensured, which also improves the uniformity of the temperature field.

Настоящее изобретение будет полно описано при помощи фиг. 1-6. The present invention will be fully described with reference to FIG. 1-6.

На фиг. 1 представлен общий вид газогенератора, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез газогенератора А-А по коллектору подвода избыточного компонента, на фиг.3 - вид по стрелке В на фиг.2 со стороны патрубка подвода избыточного компонента в коллектор; на фиг.4 - место Б соединения огневого днища и рубашки охлаждения камеры сгорания на фиг.1; на фиг.5 - поперечный разрез по ГГ на фиг.4 по тангенциальным отверстиям; на фиг.6 - продольный разрез по ДД по рубашке охлаждения на фиг.1. In FIG. 1 shows a General view of the gas generator, a longitudinal section; in FIG. 2 is a cross-sectional view of the gas generator AA along the manifold for supplying the excess component; FIG. 3 is a view along arrow B in FIG. 2 from the side of the nozzle for supplying the excess component to the collector; figure 4 - place B of the connection of the fire bottom and the cooling jacket of the combustion chamber in figure 1; figure 5 is a cross section along the GG in figure 4 along the tangential holes; figure 6 is a longitudinal section along the DD on the cooling jacket in figure 1.

Газогенератор состоит из головки 1, камера сгорания 2 и коллектора 3 подвода избыточного компонента, соединенных между собой при помощи пайки и сварки. The gas generator consists of a head 1, a combustion chamber 2 and a collector 3 for supplying the excess component, interconnected by soldering and welding.

Головка 1 содержит переднее днище 4 с патрубком подвода горючего 5, среднее днище 6, огневое днище 7, форсунки окислителя 8 и форсунки горючего 9. Между передним 4 и средним днищем 6 образована полость 10 для подвода горючего к форсункам горючего 9, а между огневым днищем 7 и средним днищем 6 образована полость 11 для подвода окислителя к форсункам окислителя 8. The head 1 contains a front bottom 4 with a fuel supply pipe 5, an average bottom 6, a fire bottom 7, an oxidizer nozzle 8 and a fuel nozzle 9. A cavity 10 is formed between the front 4 and the middle bottom 6 for supplying fuel to the fuel nozzles 9, and between the fire bottom 7 and the middle bottom 6, a cavity 11 is formed for supplying the oxidizer to the oxidizer nozzles 8.

Камера газогенератора 2 содержит наружный корпус 12 и внутреннюю оболочку 13, между которыми имеются каналы 14, 15 и 16 для протока охлаждающего компонента топлива, в данном случае окислителя. The gas generator chamber 2 comprises an outer casing 12 and an inner shell 13, between which there are channels 14, 15 and 16 for the flow of the cooling component of the fuel, in this case, the oxidizer.

На внутренней оболочке 13 выполнены бобышки 17 с отверстиями 18, совмещенными с отверстиями 19 в наружном корпусе 12, для подачи избыточного компонента в полость 20 камеры сгорания 2. On the inner shell 13, bosses 17 are made with holes 18 aligned with the holes 19 in the outer casing 12, for supplying an excess component to the cavity 20 of the combustion chamber 2.

Наружная оболочка 12 камеры 2 снабжена отверстиями 21 и 22 для подвода избыточного компонента в каналы 14 и 16 (см. фиг.1 и 6. Отверстия 21 в 22 на фиг.6 показаны условно пунктиром). Внутренняя оболочка 13 снабжена отверстиями 23 для подачи избыточного компонента из каналов 15 в камеру сгорания для создания завесного охлаждения. The outer shell 12 of the chamber 2 is provided with openings 21 and 22 for supplying the excess component to the channels 14 and 16 (see Figs. 1 and 6. The openings 21 to 22 in Fig. 6 are conventionally shown by dashed lines). The inner shell 13 is provided with openings 23 for supplying an excess component from the channels 15 to the combustion chamber to create curtain cooling.

Коллектор 3 состоит из профилированной обечайки 24 и подводящего патрубка 25 с фланцем 26. В патрубке 25 установлена диафрагма 27, перфорированная отверстиями 28. Диафрагма 27 крепится в патрубке 25 при помощи резьбового кольца 29. Часть отверстий 28 патрубками 30 соединена через отверстия 19 с отверстиями 18 в бобышках 17. В коллекторе 24 со стороны, противоположной входному патрубку 25, установлена поперечная перегородка 31. The collector 3 consists of a profiled shell 24 and an inlet pipe 25 with a flange 26. In the pipe 25 there is a diaphragm 27 perforated by holes 28. The diaphragm 27 is mounted in the pipe 25 by means of a threaded ring 29. Some of the holes 28 are connected by pipes 30 through holes 19 with holes 18 in the bosses 17. In the collector 24, from the side opposite to the inlet pipe 25, a transverse partition 31 is installed.

В месте крепления огневого днища 7 к внутренней оболочке 13 камеры сгорания 2 огневое днище снабжено равномерно расположенными тангенциальными отверстиями 32, направленными в сторону внутренней оболочки 13. In the place of attachment of the fire bottom 7 to the inner shell 13 of the combustion chamber 2, the fire bottom is provided with uniformly located tangential openings 32 directed toward the inner shell 13.

При работе двигателя горючее через патрубок 5 поступает в полость 10 головки газогенератора, оттуда через форсунки горючего 9 впрыскивается в полость 20 камеры сгорания 2 газогенератора. When the engine is running, fuel through the pipe 5 enters the cavity 10 of the head of the gas generator, and from there through the nozzles of the fuel 9 is injected into the cavity 20 of the combustion chamber 2 of the gas generator.

Окислитель через патрубок 25 поступает в коллектор 3, часть его через отверстия 22 по каналам охлаждения 16 камеры 2 поступает в полость 11 головки 1. Часть окислителя из коллектора через отверстия 21 поступает в каналы охлаждения 14, откуда часть, охлаждая камеру, идет в полость 11 головки, а часть по этим же каналам идет в обратном направлении, охлаждает камеру и попадает в каналы 15 (см. фиг.6) с тупиками, образованными бобышками 17, и через отверстия 23 сбрасывается в камеру для создания завесного охлаждения. The oxidizer through the pipe 25 enters the collector 3, part of it through the openings 22 through the cooling channels 16 of the chamber 2 enters the cavity 11 of the head 1. Part of the oxidizer from the collector through the openings 21 enters the cooling channels 14, from where the part, cooling the chamber, goes into the cavity 11 heads, and part along the same channels goes in the opposite direction, cools the chamber and enters the channels 15 (see Fig.6) with dead ends formed by bosses 17, and is discharged through the openings 23 into the chamber to create a curtain cooling.

Из полости 11 головки 1 окислитель через форсунки 8 впрыскивается в камеру газогенератора. В результате сгорания компонентов топлива вблизи огневого днища образуется газ с высокой температурой. From the cavity 11 of the head 1, the oxidizing agent is injected through the nozzles 8 into the chamber of the gas generator. As a result of the combustion of fuel components, a gas with a high temperature is formed near the fire bottom.

Большая часть окислителя через отверстия 28 поступает в коллектор и через отверстия 18 и 19 впрыскивается в полость 20 камеры сгорания. Часть окислителя через патрубки 30 с большим перепадом давлений через отверстия 18 и 19 также впрыскивается в полость 20 камеры сгорания. Most of the oxidizing agent through the openings 28 enters the collector and is injected through the openings 18 and 19 into the cavity 20 of the combustion chamber. Part of the oxidizing agent through nozzles 30 with a large differential pressure through the holes 18 and 19 is also injected into the cavity 20 of the combustion chamber.

Избыточный компонент, поступающий через отверстия 18 и 19, смешивается с горючим газом, идущим от огневого днища. После смешения образуется газ с пониженной температурой, используемый для привода турбины ТНА. При этом обеспечивается надежное охлаждение газогенератора и требуемая для надежной работы турбины равномерность температурного поля. The excess component entering through openings 18 and 19 is mixed with the combustible gas coming from the firing base. After mixing, a low temperature gas is formed, which is used to drive the TNA turbine. This ensures reliable cooling of the gas generator and the uniformity of the temperature field required for reliable operation of the turbine.

Claims

1. A gas generator of a liquid-propellant rocket engine, comprising a nozzle head with front, middle and fire bottoms, a combustion chamber with an inner shell provided with longitudinal cooling channels, and a manifold with a supply pipe for the excess component connected by openings to the combustion chamber, characterized in that the collector for supplying the excess the component is connected to the combustion chamber by holes through the bosses, the cooling channels of the combustion chamber are made on both sides of the bosses and between them and connected to the collector of the holes s arranged in two rows with the flow of coolant through the channels of the first row of lugs in the head and a second series of channels between the lugs in the head side and the reverse side, followed by rotating the flow channels with deadlocks provided with holes zavesnogo cooling.

2. The gas generator according to claim 1, characterized in that there are uniformly located tangential channels directed towards the inner shell of the combustion chamber at the end of the flanged fire bottom at the point of attachment to the inner shell.

3. The gas generator according to claim 1, characterized in that, for example, a diaphragm perforated with holes is installed in the inlet pipe of the manifold, for example, a part of the diaphragm holes, for example, are connected to the holes in the bosses of the combustion chamber.

4. The gas generator according to claim 1, characterized in that a transverse partition is installed in the supply manifold of the excess component from the side opposite to the supply pipe.