RU2511961C1 - Cooling system of liquid-propellant engine chamber - Google Patents
Cooling system of liquid-propellant engine chamber Download PDFInfo
- Publication number
- RU2511961C1 RU2511961C1 RU2013112083/06A RU2013112083A RU2511961C1 RU 2511961 C1 RU2511961 C1 RU 2511961C1 RU 2013112083/06 A RU2013112083/06 A RU 2013112083/06A RU 2013112083 A RU2013112083 A RU 2013112083A RU 2511961 C1 RU2511961 C1 RU 2511961C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ribs
- thickness
- cooling
- nozzle
- combustion chamber
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), в частности для безгенераторных ЖРД, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.The invention relates to the field of rocket propulsion and can be used to create chambers of liquid rocket engines (LRE), in particular for generatorless liquid propellant rocket engines operating on cryogenic components, such as oxygen and hydrogen.
Известен тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, имеющими трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами, примыкающими к внутренней поверхности оболочки, профилированную наружную оболочку, установленную на внутренней и скрепленную с ней (М.В. Добровольский и др. "Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", Москва, "Высшая школа", 1968 г., рис.4.26. г., стр.166-167).A known cooling path of a liquid-propellant rocket chamber containing an inner profiled shell with ribs of constant thickness made therein, forming cooling duct channels having a trapezoidal profile of variable width with radially rounded corners adjacent to the inner surface of the shell, a profiled outer shell mounted on the inner and bonded to it (MV Dobrovolsky et al. "Liquid rocket engines. Fundamentals of design", Moscow, "Higher school", 1968, Fig. 4.26., with r.166-167).
В указанном тракте охлаждения охладитель подается между ребрами, выполненными на тыльной стороне оболочки. Рабочая поверхность, обращенная к источнику тепла, в данном случае, взаимодействующая с продуктами сгорания, выполнена гладкой цилиндрической. Продукты сгорания, контактируя с рабочей поверхностью, отдают ей тепло. За счет теплопроводности металла тепло от оболочки передается на ребра тракта охлаждения, которые омываются охладителем. Охладитель, проходя через каналы охлаждения, контактирует с поверхностями ребер и тыльной стороной оболочки и при этом, нагреваясь сам, охлаждает ребра и внутреннюю рабочую поверхность внутренней оболочки.In the indicated cooling path, the cooler is supplied between the fins made on the back side of the shell. The working surface facing the heat source, in this case, interacting with the combustion products, is made smooth cylindrical. Combustion products, in contact with the working surface, give it heat. Due to the thermal conductivity of the metal, heat from the shell is transferred to the ribs of the cooling path, which are washed by the cooler. The cooler, passing through the cooling channels, is in contact with the surfaces of the ribs and the back side of the shell, and while heating itself, it cools the ribs and the inner working surface of the inner shell.
При такой конструкции тракта охлаждения необходимо подобрать оптимальную толщину рабочей огневой стенки, ребер и площадь поверхности теплообмена. С одной стороны, с утонением огневой рабочей стенки улучшаются условия теплообмена, с другой - толщина стенки ограничена условиями прочности и изготовления. Увеличение количества ребер ведет к улучшению условий теплопередачи, но в то же время приводит к загромождению тракта, что увеличивает гидравлическое сопротивление тракта охлаждения и ведет к увеличению мощности насоса для подачи охладителя в тракт охлаждения.With this design of the cooling duct, it is necessary to select the optimal thickness of the working fire wall, fins and heat exchange surface area. On the one hand, with the thinning of the fire working wall, the conditions of heat exchange improve, on the other hand, the wall thickness is limited by the strength and manufacturing conditions. An increase in the number of ribs leads to an improvement in heat transfer conditions, but at the same time leads to clutter of the duct, which increases the hydraulic resistance of the cooling duct and leads to an increase in the pump power for supplying the cooler to the cooling duct.
При использовании данного тракта охлаждения в двигателях, работающих по безгенераторной схеме, не обеспечивается требуемый теплосъем с поверхности камеры сгорания. Охладитель, который затем используется для привода турбины ТНА, не нагревается до заданной температуры, что приводит к снижению эффективности работы турбины и всего турбонасосного агрегата в целом.When using this cooling path in engines operating according to a generatorless circuit, the required heat removal from the surface of the combustion chamber is not provided. The cooler, which is then used to drive the TNA turbine, does not heat up to a predetermined temperature, which leads to a decrease in the efficiency of the turbine and the entire turbopump assembly as a whole.
Известна система охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя по патенту РФ на изобретение № 2158841, МПК F02K 9/62, опубл. 10.11.2000 г. Эта камера содержит корпус, средства воспламенения и смесительную головку. Смесительная головка состоит из внутреннего огневого днища, среднего днища, наружного днища, двухкомпонентные форсунки закреплены во внутреннем огневом днище и среднем днище. Часть двухкомпонентных форсунок установлена выступающей за внутреннее огневое днище, а другая часть утоплена в огневом днище. Средства воспламенения выполнены из струйных форсунок, установленных в силовом корпусе за внутренним огневым днищем. Оси расходных отверстий струйных форсунок расположены под острым углом к выходу из силового корпуса и отклонены по кругу в поперечной плоскости от продольной оси силового корпуса в одинаковом направлении. Корпус камеры включает камеру сгорания и сопло, выполненные из силовой оболочки, огневой стенки. Тракт регенеративного охлаждения расположен между силовой оболочкой и огневой стенкой. Кольцевая щель пояса завесы выполнена во внутренней огневой стенке перед критическим сечением сопла. Тракт регенеративного охлаждения камеры выполнен с разветвленным входом. Одна из его ветвей сообщена с полостью тракта охлаждения между критическим сечением сопла и его срезом, вторая ветвь - с полостью тракта охлаждения перед критическим сечением сопла, а третья - с полостью тракта охлаждения перед кольцевой щелью пояса завесы. Такое выполнение камеры и корпуса позволит повысить технико-эксплуатационные характеристики двигателя и его ресурс при многократном включении.A known cooling system of a chamber of a liquid propellant rocket engine according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2158841, IPC F02K 9/62, publ. November 10, 2000 This chamber contains a housing, ignition means and a mixing head. The mixing head consists of an inner fire bottom, a middle bottom, an outer bottom, two-component nozzles are fixed in the inner fire bottom and the middle bottom. Some of the two-component nozzles are installed protruding beyond the internal fire bottom, and the other part is recessed in the fire bottom. The ignition means are made of jet nozzles installed in the power housing behind the internal fire bottom. The axis of the flow openings of the jet nozzles are located at an acute angle to the exit of the power housing and are deflected in a circle in the transverse plane from the longitudinal axis of the power housing in the same direction. The camera body includes a combustion chamber and a nozzle made of a power shell, a fire wall. The regenerative cooling duct is located between the power shell and the fire wall. The annular slit of the curtain belt is made in the inner fire wall before the critical section of the nozzle. The regenerative cooling section of the chamber is made with a branched entrance. One of its branches is connected with the cavity of the cooling path between the critical section of the nozzle and its cut, the second branch is with the cavity of the cooling path before the critical section of the nozzle, and the third is with the cavity of the cooling path in front of the annular slit of the curtain belt. This embodiment of the camera and the housing will improve the technical and operational characteristics of the engine and its resource when turned on repeatedly.
Недостаток - уменьшение удельной тяги двигателя из-за применения завесного охлаждения.The disadvantage is a decrease in engine specific thrust due to the use of curtain cooling.
Известна система охлаждения камеры ЖРД по патенту РФ на изобретение № 2403424, МПК F02K 9/64, опубл. 27.06.2010 г., прототип.Known cooling system for the rocket engine chamber according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2403424, IPC F02K 9/64, publ. 06/27/2010, the prototype.
Эта камера содержит камеру сгорания цилиндрической формы и сопло, имеющее сужающуюся и расширяющуюся части и критическое сечение между ними, при этом сопло имеет внутреннюю и внешнюю стенки камеры, при этом на внутренней стенке выполнены ребра, соединенные спаиванием с внешней стенкой.This chamber contains a cylindrical combustion chamber and a nozzle having a tapering and expanding part and a critical section between them, the nozzle having inner and outer walls of the chamber, with ribs connected by brazing to the outer wall on the inner wall.
Недостаток - плохое охлаждение критического сечения сопла и зоны около него (перед и за критическим сечением) из-за высоких удельных тепловых потоков. Дополнительные ребра увеличивают теплосъем, но не уменьшают температуры внутренней оболочки. Наличие ребер в газовом тракте сопла уменьшает удельную тягу двигателя из-за дополнительных газодинамических потерь.The disadvantage is poor cooling of the critical section of the nozzle and the zone around it (in front of and behind the critical section) due to the high specific heat fluxes. Additional ribs increase the heat removal, but do not reduce the temperature of the inner shell. The presence of ribs in the gas path of the nozzle reduces the specific thrust of the engine due to additional gas-dynamic losses.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание тракта охлаждения, конструкция которого позволит улучшить условия теплообмена между продуктами сгорания и охладителем в районе критического сечения и увеличить удельную тягу двигателя.The objective of the invention is to remedy these disadvantages and create a cooling path, the design of which will improve the heat transfer conditions between the combustion products and the cooler in the critical section area and increase the specific engine thrust.
Решение указанных задач достигнуто в системе охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащее цилиндрическую камеру сгорания и сопло, содержащей, в свою очередь, сужающуюся и расширяющиеся части и критическое сечение между ними, выполненные в виде наружной оболочки, внутренней оболочки с основными ребрами постоянной толщины, образующими тракт охлаждения, тем, что согласно изобретению на внутренней поверхности внешней оболочки в районе сужающейся и расширяющейся частей камеры сгорания выполнены дополнительные продольные ребра, при этом высота и толщина дополнительных продольных ребер не превышает высоты и толщины основных реберThe solution of these problems was achieved in the cooling system of a liquid-propellant rocket engine chamber, containing a cylindrical combustion chamber and a nozzle, which, in turn, tapering and expanding parts and a critical section between them, made in the form of an outer shell, an inner shell with main ribs of constant thickness, forming cooling path, in accordance with the invention, on the inner surface of the outer shell in the region of the tapering and expanding parts of the combustion chamber, additional longitudinal ribs, the height and thickness of additional longitudinal edges does not exceed the height and thickness of the main ribs
Наиболее оптимальные условия по теплопередаче и охлаждению достигаются в случае, когда высота и толщина дополнительных продольных ребер не превышает толщины стенки донной части канала. Дальнейшее увеличение геометрических размеров выше указанных пределов ведет к ухудшению условий теплосъема, обгоранию и оплавлению дополнительных ребер.The most optimal conditions for heat transfer and cooling are achieved when the height and thickness of the additional longitudinal ribs does not exceed the wall thickness of the bottom of the channel. A further increase in geometric dimensions above the specified limits leads to a deterioration in the conditions of heat removal, burning and fusion of additional ribs.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами фиг.1…4, где:The invention is illustrated by the drawings of figures 1 ... 4, where:
на фиг.1 показан продольный осевой разрез камеры сгорания,figure 1 shows a longitudinal axial section of the combustion chamber,
на фиг.2 - поперечное сечение тракта охлаждения.figure 2 is a cross section of the cooling path.
на фиг.3 и 4 приведен разрез камеры сгорания с размещением основных и дополнительных ребер.figure 3 and 4 shows a section of the combustion chamber with the placement of the main and additional ribs.
Конструкция камеры представлена на фиг.1…4 и содержит камеру сгорания 1 и сопло 2.The design of the chamber is presented in figure 1 ... 4 and contains a
Камера сгорания 1 выполнена цилиндрической. Сопло 2 имеет сужающуюся часть 3, расширяющуюся часть 4 и критическое сечение 5 между ними.The
Камера сгорания 1 и сопло 2 имеют внутреннюю оболочку 6 и наружную оболочку 7. На внутренней оболочке 6 выполнены основные ребра 8 постоянной толщины, образующие между ними каналы 9 тракта охлаждения. Каналы 9 имеют трапецеидальный профиль переменной шириныThe
На внутренней поверхности наружной оболочки 7 в районе критического сечения 5 (до него и после по потоку выхлопных газов), выполнены дополнительные ребра 10. Дополнительные ребра 10 размещены между основными ребрами 8 и имеют меньшую толщину и высоту, чем основные ребра 8.On the inner surface of the
Зона размещения дополнительных ребер 10 (фиг.3 и 4) определяется из условия:The placement zone of the additional ribs 10 (figure 3 and 4) is determined from the condition:
- до критического сечения 5:- to critical section 5:
11=(0,4…0,6)L1, где L1 - длина дозвуковой части сопла.11 = (0.4 ... 0.6) L1, where L1 is the length of the subsonic part of the nozzle.
- после критического сечения 5:- after critical section 5:
12=(0,4…0,6) L2,12 = (0.4 ... 0.6) L2,
где L2 - длина расширяющейся части (сверхзвуковой) сопла от критического сечения до сечения, имеющего диаметр D1, равный внутреннему диаметру камеры сгорания.where L2 is the length of the expanding part (supersonic) of the nozzle from the critical section to the section having a diameter D1 equal to the inner diameter of the combustion chamber.
Каждое второе основное ребро 10 выполнено укороченным 11. В этом случае дополнительные ребра 12 размещаются в освободившемся промежутке тракта охлаждения 9 (фиг.4).Every second
Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
При работе камеры ЖРД продукты сгорания компонентов топлива движутся по каналам 9 вдоль стенки внутренней оболочки 6 и передают ей и основным ребрам 8 тепло. За счет теплопроводности прогревается вся внутренняя оболочка 6, включая основные ребра 8. По каналам 9 тракта охлаждения поступает охладитель, который омывает внутреннюю оболочку 6, основные ребра 8 и дно канала 9. Охладитель, имея температуру ниже температуры ребер и дна канала 0, отбирает у них тепло и нагревается сам.During operation of the LRE chamber, the combustion products of the fuel components move along the
Для улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к охладителю на внутренней поверхности внешней оболочки 7 выполнены дополнительные ребра 10. В этом случае часть тепла будет отбираться у продуктов сгорания при помощи указанных дополнительных ребер 10. Кроме того, наличие дополнительных ребер 10 загромождает каналы 9 и увеличивает в них скорость движения охладителя примерно в 2 раза и тем самым повышает коэффициент теплоотдачи к охладителю на 80%…90%. Это значительно улучшит охлаждение критического сечения 5 и зоны около него.To improve the conditions of heat transfer from the combustion products to the cooler,
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013112083/06A RU2511961C1 (en) | 2013-03-18 | 2013-03-18 | Cooling system of liquid-propellant engine chamber |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013112083/06A RU2511961C1 (en) | 2013-03-18 | 2013-03-18 | Cooling system of liquid-propellant engine chamber |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2511961C1 true RU2511961C1 (en) | 2014-04-10 |
Family
ID=50438284
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013112083/06A RU2511961C1 (en) | 2013-03-18 | 2013-03-18 | Cooling system of liquid-propellant engine chamber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2511961C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3692637A (en) * | 1969-11-24 | 1972-09-19 | Carl Helmut Dederra | Method of fabricating a hollow structure having cooling channels |
DE19901422C2 (en) * | 1999-01-18 | 2000-11-16 | Daimler Chrysler Ag | Combustion chamber cooling structure for a rocket engine |
RU2388925C1 (en) * | 2008-12-17 | 2010-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Liquid-propellant engine chamber |
RU2403424C2 (en) * | 2008-12-17 | 2010-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Liquid-propellant rocket engine cooling system |
RU2410558C2 (en) * | 2008-12-17 | 2011-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Cooling circuit of liquid-propellant engine chamber |
-
2013
- 2013-03-18 RU RU2013112083/06A patent/RU2511961C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3692637A (en) * | 1969-11-24 | 1972-09-19 | Carl Helmut Dederra | Method of fabricating a hollow structure having cooling channels |
DE19901422C2 (en) * | 1999-01-18 | 2000-11-16 | Daimler Chrysler Ag | Combustion chamber cooling structure for a rocket engine |
RU2388925C1 (en) * | 2008-12-17 | 2010-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Liquid-propellant engine chamber |
RU2403424C2 (en) * | 2008-12-17 | 2010-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Liquid-propellant rocket engine cooling system |
RU2410558C2 (en) * | 2008-12-17 | 2011-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Cooling circuit of liquid-propellant engine chamber |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10895221B2 (en) | Continuous detonation wave engine and aircraft provided with such an engine | |
US9816463B2 (en) | Ramjet including a detonation chamber and aircraft comprising such a ramjet | |
JP2001355515A (en) | Combined cycle pulse detonation turbine engine | |
JP7046104B2 (en) | Flight vehicle air engine with isolator with bulge | |
RU2472962C2 (en) | Liquid-propellant rocket engine and method of cooling its chamber high-heat areas | |
RU2610624C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine chamber | |
RU2392478C1 (en) | Cooling circuit of liquid-propellant engine chamber | |
RU2511961C1 (en) | Cooling system of liquid-propellant engine chamber | |
RU2392477C1 (en) | Liquid-propellant engine annular chamber | |
RU2511785C1 (en) | Cooling system of liquid-propellant engine chamber | |
RU2422664C2 (en) | Liquid-propellant engine annular chamber | |
US11555471B2 (en) | Thrust chamber device and method for operating a thrust chamber device | |
RU2514863C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine combustion chamber cooling system | |
RU2465482C2 (en) | Low-thrust liquid-propellant engine chamber | |
US3241310A (en) | Lightweight power plant | |
RU2511942C1 (en) | Cooling system of liquid-propellant engine chamber | |
RU2681733C1 (en) | Camera lpr | |
RU2403424C2 (en) | Liquid-propellant rocket engine cooling system | |
RU2640893C1 (en) | Combustion chamber of liquid-propellant engine with afterburning of generator gas | |
RU2638420C1 (en) | Combustion chamber of liquid-propellant engine (lpe) without generator | |
RU2682466C1 (en) | Combustion chamber of a dual-mode liquid propellant engine, working on a generator-free scheme | |
RU2626617C1 (en) | Liquid propellant rocket for the first launch vehicle stage | |
RU2538345C1 (en) | Liquid fuel rocket motor | |
RU2388925C1 (en) | Liquid-propellant engine chamber | |
US9988912B2 (en) | Thermal regulation channels for turbomachine components |