RU2555419C1

RU2555419C1 - Liquid propellant rocket engine circular chamber

Info

Publication number: RU2555419C1
Application number: RU2014100261/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Черниченко; Виталий Борисович Шепеленко
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-07-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: chamber comprises circular mixing head, circular regenerative cooling combustion chamber with dish-like nozzle of external divergence and shaped central body. Shaped inner and outer shells are interconnected over cooling path ribs. Hollow webs connecting ribs crests are arranged between cooling path ribs. Outer shape of said webs corresponds to shape of cooling path. Said webs connect the sets of ribs. Channel is arranged between said sets of ribs, on their every side, set width being equal to cooling channel width at location of said web. Note here that adjacent webs are shifted relative to each other by cooling channel width at their location. Width of said webs equals that of cooling channel at the location of webs. Sets of ribs includes three ribs.

EFFECT: higher reliability.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, преимущественно кислороде и водороде.The invention relates to the field of rocket propulsion and can be used to create liquid rocket engines operating on cryogenic components, mainly oxygen and hydrogen.

В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых сопел. Отличие между соплом Лаваля и кольцевым состоит в том, что кольцевое сопло имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую. Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что приводит к уменьшению линейных размеров двигателя.Currently, one of the main problems in creating liquid-propellant rocket engines is to obtain a high specific thrust impulse while reducing the overall dimensions of the chamber, in particular the nozzle. One of the ways to ensure a sufficiently high specific thrust impulse while reducing the overall dimensions of the chamber is to use ring nozzles instead of ordinary round Laval nozzles. The difference between the Laval nozzle and the annular one is that the annular nozzle has a critical cross-sectional shape not circular, but circular. Annular nozzles allow you to increase the area of the outlet section of the nozzle and place part of the units in the Central part, which leads to a decrease in the linear dimensions of the engine.

Известна принципиальная схема кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, реализующая данный принцип (А.П. Васильев и др. "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей", Москва, "Высшая школа", 1967 г., рис. X. 186).A well-known schematic diagram of the annular chamber of a liquid propellant rocket engine that implements this principle (A.P. Vasiliev et al. "Fundamentals of the theory and calculation of liquid propellant rocket engines", Moscow, "Higher School", 1967, Fig. X. 186).

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела (М.В. Добровольский и др. "Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", Москва, "Высшая школа", 1968 г., рис. 2.32, стр. 59).A liquid-propellant rocket engine is known, comprising an annular chamber with a mixing head, an external expansion disk nozzle, a profiled central body and an annular critical section, control units and power units, including a turbopump unit with a turbine, located in the cavity of the profiled central body (M.V.Dobrovolsky and etc. "Liquid rocket engines. Fundamentals of design", Moscow, "Higher school", 1968, Fig. 2.32, p. 59).

Указанный двигатель работает следующим образом. Компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и истекают через кольцевое критическое сечение. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела. Продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла. Для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора.The specified engine operates as follows. The fuel components are fed into the mixing head, ignited and expire through the annular critical section. In a disk-shaped nozzle of external expansion, the combustion products expand, the external boundary of expansion being determined by atmospheric pressure, and the internal boundary by the contour of the profiled central body. The products of combustion with supersonic speed go to the cutting nozzle plate. To supply fuel components to the mixing head, a turbopump unit is used, the turbine of which is driven by a stream of gases flowing from the gas generator.

В данной кольцевой камере охладитель подается в тракты охлаждения тарельчатого сопла и профилированного центрального тела, образованные соответствующими внутренними оболочками, на внешней поверхности которых выполнены ребра, совместно с наружными оболочками образующие каналы тракта охлаждения, движется по пазам между ребрами и охлаждает, таким образом, рабочие поверхности профилированных оболочек. За счет соединения оболочек между собой только по вершинам ребер, при увеличении давления в тракте охлаждения выше заданного предела не обеспечивается прочность и устойчивость внутренних оболочек, что ведет к потере работоспособности кольцевой камеры.In this annular chamber, the cooler is fed into the cooling paths of the disk nozzle and the profiled central body, formed by the corresponding inner shells, on the outer surface of which there are ribs, which together with the outer shells form the channels of the cooling path, moves along the grooves between the ribs and thus cools the working surfaces profiled shells. Due to the connection of the shells with each other only along the tops of the ribs, with increasing pressure in the cooling path above a predetermined limit, the strength and stability of the inner shells are not ensured, which leads to a loss of operability of the annular chamber.

Известна кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения, при этом между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, при этом наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения (патент РФ №2392477 - прототип).Known annular chamber of a liquid propellant rocket engine containing an annular mixing head, regeneratively cooled annular combustion chamber with a disk nozzle of external expansion and a profiled central body formed by profiled inner and outer shells fastened together along the edges of the cooling path, while hollow between the edges of the cooling path are made hollow jumpers connecting the tops of the ribs with each other, while the outer profile of these jumpers corresponds to the profile of the path hlazhdeniya (RF patent №2392477 - prototype).

Указанная камера работает следующим образом.The specified camera operates as follows.

Компоненты топлива подаются в смесительную головку и из нее, через форсунки, в кольцевую камеру сгорания, где происходит их воспламенение. Компоненты топлива истекают через кольцевое критическое сечение и поступают во входную часть тарельчатого сопла. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела, и со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла.The fuel components are fed into and out of the mixing head, through nozzles, into the annular combustion chamber, where they ignite. The fuel components expire through the annular critical section and enter the inlet of the disk nozzle. In the disk-shaped nozzle of the external expansion, the combustion products expand, the external boundary of expansion being determined by atmospheric pressure, and the internal boundary by the contour of the profiled central body, and with supersonic speed enter the section of the disk nozzle.

Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам между ребрами и охлаждает огневую поверхность внутренней профилированной оболочки тарельчатого сопла. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек, происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки.The cooler is fed into the cooling path, moves along the channels between the ribs and cools the firing surface of the inner shaped shell of the disk nozzle. Due to the connection of the shells with each other, not only along the tops of the ribs, but also along the additional surfaces of the hollow bridges, there is an increase in the stability and strength of the inner shell.

Основными недостатками является недостаточно высокая устойчивость внутренней оболочки, обусловленная достаточно большими неподкрепленными участками тракта охлаждения, повышение сопротивления тракта за счет образования местных гидравлических сопротивлений в виде полых перемычек.The main disadvantages are the insufficiently high stability of the inner shell, caused by sufficiently large unreinforced sections of the cooling path, an increase in the resistance of the tract due to the formation of local hydraulic resistances in the form of hollow jumpers.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание кольцевой камеры ЖРД, конструкция которой позволяет повысить устойчивость внутренней оболочки и реализовать значительно большее давление в камере при минимальных габаритных размерах.The objective of the invention is to remedy these disadvantages and create an annular chamber of the rocket engine, the design of which allows to increase the stability of the inner shell and realize significantly greater pressure in the chamber with a minimum overall dimensions.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной кольцевой камере жидкостного ракетного двигателя, содержащей кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения, при этом между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, причем наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения, согласно изобретению, указанные перемычки соединяют между собой группы ребер с выполненными, между упомянутыми группами ребер с каждой стороны каналами охлаждения в месте расположения перемычек, при этом соседние перемычки расположены со смещением друг относительно друга на величину, равную ширине канала охлаждения в месте их расположения, при этом ширина перемычек равна ширине канала охлаждения в месте расположения перемычек.The problem is achieved in that in the proposed annular chamber of a liquid propellant rocket engine containing an annular mixing head, regeneratively cooled annular combustion chamber with a disk nozzle of external expansion and a profiled central body formed by profiled inner and outer shells fastened together along the edges of the cooling path, this between the ribs of the cooling path made hollow jumpers connecting the tops of the ribs with each other, and the outer profile of the decree of these jumpers corresponds to the profile of the cooling path, according to the invention, said jumpers interconnect groups of ribs with cooling channels made between said groups of ribs on each side at the location of the jumpers, while adjacent jumpers are offset from each other by an amount equal to the channel width cooling at their location, while the width of the jumpers is equal to the width of the cooling channel at the location of the jumpers.

В варианте исполнения группы ребер содержат по три ребра.In an embodiment, the groups of ribs contain three ribs.

За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки. Размещение полых перемычек со смещением друг относительно друга позволяет уменьшить длину неподкрепленных участков тракта охлаждения, и тем самым, увеличить его устойчивость, а выполнение каналов, ширина которых равна ширине канала охлаждения в месте расположения перемычек, с каждой стороны группы ребер, позволит уменьшить гидравлическое сопротивление тракта. Кроме того, повышенная устойчивость и прочность внутренней оболочки позволяет увеличить давление в тракте охлаждения камеры и в самой камере, что, в конечном итоге, позволит повысить эффективность рабочего процесса.Due to the connection of the shells with each other, not only along the tops of the ribs, but also along the additional surfaces of the hollow bridges, there is an increase in the stability and strength of the inner shell. The placement of hollow jumpers with offset from each other allows to reduce the length of the non-supported sections of the cooling path, and thereby increase its stability, and the implementation of channels, the width of which is equal to the width of the cooling channel at the location of the jumpers, on each side of the group of ribs, will reduce the hydraulic resistance of the path . In addition, the increased stability and strength of the inner shell allows you to increase the pressure in the cooling path of the chamber and in the chamber itself, which, ultimately, will improve the efficiency of the working process.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный осевой разрез кольцевой камеры ЖРД, на фиг. 2 - поперечное сечение тракта охлаждения, на фиг. 3 - часть тракта охлаждения с перемычками в аксонометрии.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a longitudinal axial section through an annular LRE chamber; FIG. 2 is a cross section of a cooling duct, in FIG. 3 - part of the cooling path with jumpers in a perspective view.

Кольцевая камера ЖРД содержит регенеративно охлаждаемую кольцевую камеру сгорания 1 со смесительной головкой 2 и тарельчатым соплом 3 внешнего расширения с кольцевым критическим сечением 4. Тракт охлаждения охлаждаемых частей тарельчатого сопла 3 образован внутренней оболочкой 5, на внешней поверхности которой профрезерованы ребра 6, образующие совместно с соответствующей наружной оболочкой 7 каналы охлаждения 8. Между ребрами 6 тракта охлаждения выполнены полые перемычки 9, соединяющие вершины трех ребер 6 между собой. Внутренняя оболочка 5 скреплена с наружной профилированной оболочкой 7 при помощи пайки по вершинам ребер 6 и полым перемычкам 9. Между группами ребер 3 выполнены каналы 10.The annular LPRE chamber contains a regeneratively cooled annular combustion chamber 1 with a mixing head 2 and a disk nozzle 3 of external expansion with an annular critical section 4. The cooling path of the cooled parts of the disk nozzle 3 is formed by an inner shell 5, on the outer surface of which the ribs 6 are formed, forming together with the corresponding outer shell 7 cooling channels 8. Between the ribs 6 of the cooling path made hollow jumpers 9 connecting the tops of the three ribs 6 with each other. The inner shell 5 is bonded to the outer profiled shell 7 by soldering along the tops of the ribs 6 and the hollow jumpers 9. Between the groups of ribs 3 there are channels 10.

Предложенная кольцевая камера ЖРД работает следующим образом.The proposed annular chamber LRE works as follows.

Компоненты топлива подаются в смесительную головку 2 и из нее через форсунки в кольцевую камеру сгорания 1, где происходит их воспламенение. Компоненты топлива истекают через кольцевое критическое сечение и поступают во входную часть тарельчатого сопла 3. В тарельчатом сопле 3 внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела, и со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла. Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам 8 между ребрами 6 и охлаждает огневую поверхность внутренней оболочки 5 тарельчатого сопла 4. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер 6, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек 9 происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки 5. Повышенная устойчивость и прочность внутренней оболочки 5 позволяет увеличить давление в тракте охлаждения камеры и в самой камере, что, в конечном итоге, позволяет повысить эффективность рабочего процесса. Наличие с обеих сторон полых перемычек 9 каналов 10 позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление тракта и улучшить условия работы перемычек за счет их более интенсивного охлаждения.The components of the fuel are fed into and out of the mixing head 2 through nozzles into an annular combustion chamber 1, where they ignite. The components of the fuel flow out through the critical annular cross section and enter the inlet of the poppet nozzle 3. In the poppet nozzle 3 of the external expansion, the combustion products expand, the external expansion boundary being determined by atmospheric pressure, and the internal boundary by the contour of the profiled central body, and arriving at a supersonic velocity to the disk section nozzles. The cooler is fed into the cooling path, moves along the channels 8 between the ribs 6 and cools the firing surface of the inner shell 5 of the disk nozzle 4. By connecting the shells to each other, not only along the tops of the ribs 6, but also along the additional surfaces of the hollow jumpers 9 inner shell 5. The increased stability and strength of the inner shell 5 allows you to increase the pressure in the cooling path of the chamber and in the chamber itself, which, ultimately, improves the efficiency of the worker process. The presence on both sides of the hollow jumpers 9 channels 10 can reduce the hydraulic resistance of the tract and improve the working conditions of the jumpers due to their more intensive cooling.

Использование предложенного технического решения позволит повысить устойчивость внутренней оболочки и повысить прочность кольцевой камеры ЖРД в целом.Using the proposed technical solution will improve the stability of the inner shell and increase the strength of the annular chamber of the rocket engine as a whole.

Claims

1. An annular chamber of a liquid-propellant rocket engine comprising an annular mixing head, regeneratively cooled annular combustion chamber with a disk nozzle of external expansion and a profiled central body formed by profiled inner and outer shells fastened together along the edges of the cooling path, while between the ribs of the cooling path are made hollow jumpers connecting the tops of the ribs with each other, and the outer profile of these jumpers corresponds to the profile of the cooling path i, characterized in that the said jumpers connect the groups of ribs with the made, between the said groups of ribs on each side cooling channels at the location of the jumpers, while the adjacent jumpers are offset from each other by an amount equal to the width of the cooling channel in their place location, the width of the jumpers is equal to the width of the cooling channel at the location of the jumpers.

2. The chamber of a liquid rocket engine according to claim 1, characterized in that the groups of ribs contain three ribs.