RU2516678C2

RU2516678C2 - Regenerative cooling path for liquid-fuel rocket engine chamber

Info

Publication number: RU2516678C2
Application number: RU2012103803/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Черниченко; Виталий Романович Рубинский; Владимир Юрьевич Дубанин; Илья Иванович Зворыкин
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2014-05-20
Also published as: RU2012103803A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to aerospace engineering. A regenerative cooling path for a liquid-fuel rocket engine chamber contains an exterior and flame sheaths with cooling channels between them formed by doubletee spacers on which flow energisers are placed. Flanges of the doubletee spacers are of a variable width due to interleaving recesses made on them, herewith, flow energisers are formed by the mentioned interleaving recesses; recesses on each flange of the doubletee spacer are made in a staggered order, recesses on the upper and lower flanges of the doubletee spacer are made in the staggered order, recesses of adjacent spacers are arranged so that recesses on the flanges of one spacer lay opposite to projections of its adjacent spacer; recess depth is 25-75% of the flange width; in the vertical walls of the doubletee spacers through channels are made.

EFFECT: invention provides higher efficiency of heat exchange in channels.

6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).The invention relates to the field of rocket technology, namely to engine building, and can be used to create chambers of liquid rocket engines (LRE).

Одним из основных направлений в совершенствовании ЖРД является увеличение давления в камере. В свою очередь, увеличение давления ограничивается прочностью камеры ЖРД, и, в первую очередь, прочностью тракта охлаждения.One of the main directions in improving LRE is to increase the pressure in the chamber. In turn, the increase in pressure is limited by the strength of the LRE chamber, and, first of all, by the strength of the cooling path.

В настоящее время в основном применяется регенеративное охлаждение огневой стенки камеры ЖРД, заключающее в подаче охладителя по специальным пазам, выполненным между внутренней огневой, и наружной силовой оболочками, скрепленными между собой по вершинам пазов тракта охлаждения при помощи пайки специальным припоем.Currently, regenerative cooling of the fire wall of the rocket engine chamber is mainly used, which consists in supplying a cooler in special grooves made between the internal fire and external power shells fastened together at the tops of the grooves of the cooling path using special soldering.

Прочность тракта охлаждения определяется прочностью паяных швов между внутренней и наружной оболочками, из-за того, что прочность припоя ниже прочности материала оболочек. Для увеличения прочности паяного соединения необходимо увеличение площади соприкосновения контактируемых поверхностей. Увеличение толщины ребра нецелесообразно из-за того, что это ведет к уменьшению числа ребер и увеличению перепада давлений в тракте охлаждения камеры. Как правило, при увеличении давления внутри тракта охлаждения, оболочка теряет устойчивость и вспучивается в цилиндрической части, т.к в сужающейся части камеры происходит уменьшение внутреннего диаметра оболочки, что ведет к уменьшению внутренних напряжений.The strength of the cooling path is determined by the strength of the soldered joints between the inner and outer shells, due to the fact that the strength of the solder is lower than the strength of the material of the shells. To increase the strength of the solder joint, an increase in the contact area of the contacted surfaces is necessary. The increase in the thickness of the ribs is impractical due to the fact that this leads to a decrease in the number of ribs and an increase in the pressure drop in the cooling path of the chamber. As a rule, with increasing pressure inside the cooling path, the shell loses stability and swells in the cylindrical part, because in the tapering part of the chamber, the inner diameter of the shell decreases, which leads to a decrease in internal stresses.

Известна конструкция КС, состоящая из внутренней и наружной оболочек, связанных гофрированной проставкой, на вертикальных ребрах которой выполнены турбулизирующие выступы (Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1981, с. 145-146).Known design of the COP, consisting of inner and outer shells connected by a corrugated spacer, on the vertical edges of which are made turbulent protrusions (Kalinin E.K., Dreitzer G.A., Yarkho S.A. Intensification of heat transfer in channels. M .: Engineering, 1981, p. 145-146).

Введение в конструкцию турбулизаторов позволяет многократно повысить эффективность теплообмена в охлаждающих каналах. Но известное конструктивное оформление не является оптимальным с точки зрения применения турбулизаторов, т.к. выполнение выступов на вертикальных ребрах гофров технологически затруднительно, и при этом в одних каналах получаются выступы, а в смежных - вмятины.Introduction to the design of turbulators can significantly increase the efficiency of heat transfer in the cooling channels. But the well-known design is not optimal in terms of the use of turbulators, because the implementation of the protrusions on the vertical edges of the corrugations is technologically difficult, and at the same time, protrusions are obtained in some channels, and dents in adjacent channels.

Известна также КС ЖРД с трактом регенеративного охлаждения, содержащая наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, в которых размещены турбулизирующие выступы (Патент США № 4781019, кл. F02К 9/64, опублик. 1988).Also known is the CS rocket engine with a regenerative cooling path, comprising an outer and fire shell with cooling channels between them, in which turbulent protrusions are placed (US Patent No. 4781019, class F02K 9/64, published. 1988).

Такое конструктивное оформление турбулизирующих выступов не является технологичным, т.к. связано со сложностью и высокой трудоемкостью изготовления.Such a design of the turbulent protrusions is not technological, because due to the complexity and high complexity of manufacturing.

Известна камера сгорания жидкостного реактивного двигателя с трактом регенеративного охлаждения, содержащая наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, в которых размещены турбулизирующие выступы, при этом каналы охлаждения образованы двутавровыми проставками, а турбулизирующие выступы выполнены на вертикальной стенке и полках каждой проставки симметрично вертикальной оси двутавра с равномерным шагом по его длине (патент РФ№ 2061890, МПК: Р02К 19/62 - прототип).A known combustion chamber of a liquid-propellant jet engine with a regenerative cooling path, comprising an outer and fire shell with cooling channels between them, in which there are turbulent protrusions, the cooling channels are formed by I-beams, and the turbulent protrusions are made on the vertical wall and shelves of each spacer symmetrically to the vertical axis I-beams with a uniform pitch along its length (RF patent No. 2061890, IPC: Р02К 19/62 - prototype).

Указанная камера сгорания состоит из огневой оболочки, двутавровых проставок и наружной оболочки.The specified combustion chamber consists of a fire shell, I-beam spacers and the outer shell.

На огневой оболочке с равномерным шагом образованы турбулизирующие выступы. На полках и вертикальной стенке двутавровых проставок симметрично вертикальной оси двутавра выполнены турбулизирующие выступы. Выступы получаются при прокатке двутавровых проставок за счет выполнения соответствующих лунок на рабочих поверхностях прокатных роликов. Выступы расположены группами по 6 штук с расчетным равномерным шагом по длине проставок. Оси турбулизирующих выступов в смежных проставках расположены на одном уровне. Это позволяет обеспечивать за счет выбора высоты турбулизирующих выступов требуемое локальное сужение охлаждающих каналов с заданным шагом по длине образующей КС.Turbulent protrusions are formed on the fire envelope with an even pitch. On the shelves and the vertical wall of the I-beams spacers symmetrically to the vertical axis of the I-beams made turbulent protrusions. The protrusions are obtained when rolling I-beam spacers due to the implementation of the corresponding holes on the working surfaces of the rolling rollers. The protrusions are arranged in groups of 6 pieces with a calculated uniform pitch along the length of the spacers. The axis of the turbulent protrusions in adjacent spacers are located on the same level. This allows you to provide, due to the choice of the height of the turbulent protrusions, the required local narrowing of the cooling channels with a given step along the length of the generating CS.

Основным недостатком является то, что выступы образуются при прокатке и имеют достаточно обтекаемую форму, что не позволяет получить требуемую степень турбулизации потока, и, соответственно, интенсифицировать теплопередачу. Кроме этого, в местах прилегания полки двутавровой проставки к стенкам тракта также ухудшаются условия теплопередачи, так как образуется толщина, равная толщине стенки и толщине полки, что ведет к ухудшению условий теплообмена и росту массы камеры сгорания.The main disadvantage is that the protrusions are formed during rolling and have a fairly streamlined shape, which does not allow to obtain the required degree of flow turbulization, and, accordingly, to intensify heat transfer. In addition, in the places where the flange of the I-beam spacer adjoins the walls of the duct, the heat transfer conditions also worsen, since a thickness is formed equal to the wall thickness and the thickness of the flange, which leads to a deterioration in heat transfer conditions and an increase in the mass of the combustion chamber.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание тракта регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, применение которого позволит интенсифицировать процесс теплопередачи между поверхностью огневой стенки и охладителем.The objective of the invention is to remedy these disadvantages and create a regenerative cooling path for the chamber of a liquid rocket engine, the use of which will intensify the heat transfer process between the surface of the fire wall and the cooler.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что в предложенном тракте регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащем наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, образованными двутавровыми проставками, на которых размещены турбулизаторы потока, согласно изобретению, полки двутавровых проставок выполнены переменной ширины за счет выполнения на них чередующихся выборок, при этом турбулизаторы потока образованы указанными чередующимися выборками.The solution to this problem is achieved due to the fact that in the proposed path of regenerative cooling of the chamber of a liquid propellant rocket engine containing an outer and fire shell with cooling channels between them formed by I-beams, on which flow turbulators are placed, according to the invention, the shelves of I-beams are made of variable width for the expense of performing alternating samples on them, while the flow turbulators are formed by the indicated alternating samples.

В варианте исполнения, выборки на каждой полке двутавровой проставки выполнены в шахматном порядке.In an embodiment, the samples on each shelf of the I-beam are made in a checkerboard pattern.

В варианте исполнения, выборки на верхней и нижней полках двутавровой проставки выполнены в шахматном порядке.In an embodiment, the samples on the upper and lower shelves of the I-beam are made in a checkerboard pattern.

В варианте исполнения, выборки смежных проставок расположены таким образом, что выборки на полках одной проставки располагаются напротив выступов смежной с ним проставки.In an embodiment, the samples of adjacent spacers are arranged in such a way that the samples on the shelves of one spacer are located opposite the protrusions of the adjacent spacer.

В варианте исполнения, глубина выборки составляет 25-75% ширины полки.In an embodiment, the sampling depth is 25-75% of the width of the shelf.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит ухудшение условий турбулизации и наличие выборки практически не сказывается на интенсификации теплообмена.The lower value of the indicated ratio was chosen on the basis that, with its further decrease, the turbulization conditions deteriorate and the presence of the sample has practically no effect on the intensification of heat transfer.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит ухудшение прочностных характеристик соединения проставки и оболочки.The upper value of the specified ratio is selected based on the fact that with a further increase in it, the strength characteristics of the joint of the spacer and the shell deteriorate.

В варианте исполнения, в вертикальных стенках двутавровых проставок выполнены сквозные каналы.In an embodiment, through channels are made in the vertical walls of the I-beams.

Положительными техническими результатами предлагаемого технического решения являются в области конструкции обеспечение высокой эффективности теплообмена в каналах за счет применения заданной величины локальных сужений охлаждающих каналов с расчетным шагом и каналов перетока охладителя из одного канала в другой, что значительно позволяет улучшить условия теплообмена.Positive technical results of the proposed technical solution are in the field of design ensuring high efficiency of heat transfer in the channels due to the use of a given value of local narrowing of cooling channels with a design pitch and channels for the flow of cooler from one channel to another, which significantly improves the heat transfer conditions.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан поперечный разрез тракта регенеративного охлаждения камеры при выполнении выборок на каждой полке, на фиг. 2 - вид сверху в варианте выполнения выборок на каждой полке, на фиг. 3 - поперечный разрез тракта регенеративного охлаждения камеры при выполнении выборок на полках тавровой проставки в шахматном порядке, на фиг. 4 - вид сверху в варианте выполнения выборок на полках тавровой проставки в шахматном порядке, на фиг. 5 - поперечный разрез тракта регенеративного охлаждения камеры в варианте выполнения выборок смежных проставок таким образом, что выборки одной проставки располагаются напротив выступов смежной с ним проставки, на фиг. 6 - вид сверху в варианте выполнения выборок смежных проставок таким образом, что выборки одной проставки располагаются напротив выступов смежной с ним проставки.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a cross section of the regenerative cooling path of the chamber during sampling on each shelf, FIG. 2 is a plan view of an embodiment of samples on each shelf, FIG. 3 is a cross-sectional view of the regenerative cooling path of the chamber when making selections on the shelves of the T-spacer in a checkerboard pattern; 4 is a top view of an embodiment of samples on the shelves of a T-spacer in a checkerboard pattern, FIG. 5 is a cross-sectional view of the regenerative cooling path of the chamber in an embodiment of the samples of adjacent spacers so that the samples of one spacer are located opposite the protrusions of the adjacent spacer, FIG. 6 is a plan view of an embodiment of samples of adjacent spacers in such a way that samples of one spacer are located opposite the protrusions of an adjacent spacer.

Предложенный тракт регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя содержит наружную 1 и огневую 2 оболочки с каналами охлаждения 3 между ними, образованными двутавровыми проставками 4. Полки двутавровых проставок 4 выполнены переменной ширины за счет выполнения на них чередующихся выборок 5, при этом турбулизаторы потока образованы указанными чередующимися выборками 5. В вертикальных стенках двутавровых проставок 4 выполнены сквозные каналы 6.The proposed path of regenerative cooling of the chamber of a liquid-propellant rocket engine contains an outer 1 and a fire 2 shell with cooling channels 3 between them formed by I-beam spacers 4. The shelves of the I-beam spacers 4 are made of variable width by performing alternating samples 5 on them, while the flow turbulators are formed by the indicated alternating selections 5. In the vertical walls of the I-beams 4 made through channels 6.

Предложенный тракт регенеративного охлаждения камеры работает следующим образом.The proposed path of regenerative cooling of the chamber operates as follows.

Охладитель подается по каналам охлаждения 3 и нагревается за счет теплообмена с огневой оболочкой 2. При обтекании горизонтальных полок двутавровых проставок 4, на которых выполнены выборки 5, происходит турбулизация потока за счет его попеременного расширения-сжатия. Выполнение сквозных каналов 6 в вертикальных стенках двутавровых проставок 4 позволяет обеспечить перетекание охладителя из одного канала охлаждения 3 в другой, что дополнительно турбулизирует поток и улучшает условия теплообмена.The cooler is supplied through cooling channels 3 and is heated by heat exchange with the fire shell 2. When flowing around the horizontal shelves of I-beams 4, on which samples 5 are made, the flow is turbulized due to its alternating expansion-contraction. The implementation of the through channels 6 in the vertical walls of the I-beams 4 allows for the flow of the cooler from one cooling channel 3 to another, which additionally turbulizes the flow and improves the heat transfer conditions.

Использование предложенного технического решения позволит создать тракт регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, применение которого позволит интенсифицировать процесс теплопередачи между поверхностью огневой стенки и охладителем.Using the proposed technical solution will allow you to create a path of regenerative cooling of the chamber of a liquid rocket engine, the use of which will intensify the heat transfer process between the surface of the fire wall and the cooler.

Claims

1. The path of regenerative cooling of the chamber of a liquid propellant rocket engine containing the outer and fire shells with cooling channels between them formed by I-beam spacers, on which flow turbulators are placed, characterized in that the shelves of the I-beam spacers are made of variable width by performing alternating samples on them, with the flow turbulators are constituted by said alternating samples.

2. The regenerative cooling path according to claim 1, characterized in that the samples on each shelf of the I-beam are made in a checkerboard pattern.

3. The regenerative cooling path according to claim 1, characterized in that the samples on the upper and lower shelves of the I-beam are made in a checkerboard pattern.

4. The regenerative cooling path according to claim 1, characterized in that the samples of adjacent spacers are arranged in such a way that the samples on the shelves of one spacer are located opposite the protrusions of the adjacent spacer.

5. The regenerative cooling path according to claim 1, characterized in that the sampling depth is 25-75% of the width of the shelf.

6. The regenerative cooling duct according to claim 1, characterized in that through channels are made in the vertical walls of the I-beams.