RU2581310C2

RU2581310C2 - Liquid rocket engine

Info

Publication number: RU2581310C2
Application number: RU2014128841/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Черниченко; Виталий Борисович Шепеленко
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-04-20
Also published as: RU2014128841A

Abstract

FIELD: engines; rocket science.

SUBSTANCE: invention relates to rocket engineering, namely to the liquid chambers of rocket engines. Liquid-propellant rocket engine comprises a turbopump unit, a gas generator units supply and control chamber with the mixing head comprising an outer, middle and bottom of the fire, the nozzles are fastened together, pins, soldering and welding. Fuel and oxidant nozzles are located in the combustion bottom with the transition in the peripheral portion of the head to circumferentially spaced. Pins are arranged on the circumference in the peripheral zone of the mixing head. Located on the sides of the square in the central part of the mixing head nozzles and injectors, which are for each of the sides of the square in two rays extending from the periphery of the square, are made prominent in the firing chamber cavity of the bottom of the fire, forming anti-pulse partitions. Each nozzle peripheral to firing bottom is a fuel nozzle and located at the intersection of the circle with the specified location pins protruding rays location nozzles. Rays are an extension of the sides of the square and connect it to the top of the peripheral zone of the mixing head. Each pin holds at least three channels connecting the combustion chamber cavity with the cavity formed by the middle and fired bottoms, wherein the output portion of said channel is parallel to the axis of the combustion chamber.

EFFECT: invention provides increase of specific impulse and high quality mixing.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к камерам жидкостных ракетных двигателей и входящим в них устройствам и деталям, и может быть использовано при создании высокоэкономичных ЖРД для перспективных средств выведения.The invention relates to the field of rocket technology, namely, to the chambers of liquid rocket engines and their devices and parts, and can be used to create highly economical rocket engines for promising launch vehicles.

Известна смесительная головка камеры ЖРД SSME, содержащая корпус, в котором установлено 600 форсунок, расположенных 13-ю концентрическими рядами. Форсунки выполнены в виде двойных коаксиальных трубок и являются двухкомпонентными. Смесительная головка также содержит форсунки, которые выступают из огневого днища, образуя антипульсационные перегородки в виде кольца с 5 расходящимися лучами от центра к периферии лучами. (Энциклопедия "Космонавтика", гл. ред. В.П. Глушко, М., 1985, стр. 382).Known mixing head of the SSME LPRE chamber, comprising a housing in which there are 600 nozzles arranged in 13 concentric rows. The nozzles are made in the form of double coaxial tubes and are two-component. The mixing head also contains nozzles that protrude from the firing base, forming anti-pulsation partitions in the form of a ring with 5 diverging rays from the center to the periphery of the rays. (Encyclopedia "Cosmonautics", Ch. Ed. V.P. Glushko, M., 1985, p. 382).

Недостатком указанной головки является то, что конструкция антипульсационных перегородок применима для смесительных головок с расположением форсунок по концентрическим окружностям. Данная конструкция неприемлема для шахматного расположения форсунок, которое имеет место в ряде смесительных головок современных ЖРД ("Конструирование и проектирование жидкостных ракетных двигателей"/ Под общей редакцией Г.Г. Гахуна. М.: Машиностроение, 1989 г., стр. 130, рис. 7, 5).The disadvantage of this head is that the design of the anti-pulsation partitions is applicable for mixing heads with the location of the nozzles on concentric circles. This design is unacceptable for the staggered arrangement of nozzles, which takes place in a number of mixing heads of modern liquid propellant rocket engines ("Design and Design of Liquid Rocket Engines" / Under the General Edition of GG Gakhun. M: Engineering, 1989, p. 130, fig. . 7, 5).

Известна камера ЖРД РД-107, работающая на жидком кислороде и керосине. В смесительной головке камеры ЖРД РД-107 по концентрическим окружностям установлены двухкомпонентные форсунки. На периферии смесительной головки равномерно по двум концентрическим окружностям установлены штифты (Альбом конструкций ЖРД, часть 3, составленный под руководством В.П. Глушко, Военное издательство Минобороны СССР. М., 1969, стр. 36, фиг. 52). Смесительная головка имеет огневое, среднее и наружное днища.Known chamber RD-107 liquid propellant rocket engine operating on liquid oxygen and kerosene. Two-component nozzles are installed in the mixing head of the RD-107 LPRE chamber along concentric circles. On the periphery of the mixing head, pins are installed evenly along two concentric circles (LRE Design Album, part 3, compiled under the direction of V.P. Glushko, Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR. M., 1969, p. 36, Fig. 52). The mixing head has a firing, middle and outer bottom.

Недостаток этой головки в том, что в камерах с такой смесительной головкой возможна высокочастотная неустойчивость рабочего процесса.The disadvantage of this head is that in chambers with such a mixing head, high-frequency instability of the working process is possible.

Известна смесительная головка камеры ЖРД РД-111 (см. вышеуказанный «Альбом конструкций ЖРД», стр. 155, фиг. 379), содержащая форсунки для подачи компонентов топлива, установленные в наружном, среднем и огневом днищах. Днища скреплены между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой. Форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям. На периферии смесительной головки расположены равномерно по окружностям штифты.Known for the mixing chamber head of the RD-111 rocket engine (see the above “Album of rocket engine designs”, p. 155, Fig. 379), containing nozzles for supplying fuel components installed in the outer, middle and fire bottoms. The bottoms are fastened together by nozzles, pins, soldering and welding. The fuel and oxidizer nozzles are single-component and are staggered in the firing bottom with a transition in the peripheral zone of the head to a circumferential arrangement. On the periphery of the mixing head, pins are arranged evenly around the circumferences.

Недостатком указанной головки является то, что в нем возможна в отдельных экземплярах камер высокочастотная неустойчивость рабочего процесса, особенно в условиях форсированных режимов.The disadvantage of this head is that it is possible in individual copies of the cameras high-frequency instability of the working process, especially in conditions of forced modes.

Известна смесительная головка камеры ЖРД, содержащая наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от стороны квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная выступающая относительно огневого днища форсунка является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок (патент РФ №2205973, МПК:F02K 9/52, F02K 9/62).Known for the mixing head of the LRE chamber, containing the outer, middle and firing bottoms, fastened together by nozzles, pins, soldering and welding, the fuel and oxidizer nozzles are made single-component and are staggered in the firing bottom with the transition in the peripheral zone of the head to the circumference, the pins are located on a circle in the peripheral zone of the mixing head, while the nozzles located on the sides of the square in the central part of the mixing head, as well as the nozzles located for each the second of the sides of the square on two beams extending from the side of the square to the periphery is made protruding into the chamber of the chamber behind the fire bottom, forming anti-pulsation partitions, each peripheral nozzle protruding relative to the fire bottom is a fuel nozzle and is located at the intersection of the circumference of the pins with the indicated rays of the location of the protruding nozzles (RF patent No. 2205973, IPC: F02K 9/52, F02K 9/62).

Основными недостатками данной смесительной головки является недостаточно высокая экономичность рабочего процесса, связанная со следующими факторами.The main disadvantages of this mixing head is the insufficiently high efficiency of the workflow associated with the following factors.

Достаточно большая часть форсунок, используемых для образования антипульсационных перегородок, работает в нерасчетном режиме из-за того, что указанные форсунки имеют длину больше, чем остальные, и их зона смесеобразования и горения отнесена дальше в камеру сгорания. Это приводит к неравномерности распределения компонентов по сечению головки, различной расходонапряженности, и, как следствие, потерям удельного импульса тяги.A sufficiently large part of the nozzles used to form the anti-pulsation partitions operates in off-design mode due to the fact that these nozzles are longer than the others, and their mixture formation and combustion zone is carried further into the combustion chamber. This leads to uneven distribution of components over the cross section of the head, different flow rates, and, as a result, loss of specific thrust impulse.

Имеют место потери, связанные с неравномерностью, вызванной различием шагов между форсунками при переходе от шахматного расположения форсунок к их расположению по концентрическим окружностям.There are losses associated with the unevenness caused by the difference in steps between the nozzles during the transition from a checkerboard arrangement of nozzles to their location along concentric circles.

Расположение штифтов в смесительной головке между форсунками и стенкой камеры ведет к росту диаметральных размеров камеры, ее массы и массы двигателя в целом.The location of the pins in the mixing head between the nozzles and the chamber wall leads to an increase in the diametrical dimensions of the chamber, its mass and the mass of the engine as a whole.

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру со смесительной головкой, включающей корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, огневое днище, коаксиальные соосно-струйные форсунки, расположенные в смесительной головке по концентрическим окружностям и образующие центральную и периферийную зоны, и включающие полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, как минимум один газогенератор, как минимум один турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989 г., 420 стр. ЖРД SSME, стр. 93-94 - прототип)Known liquid rocket engine containing a chamber with a mixing head, comprising a housing, an oxidizer supply unit, a fuel supply unit, a fire plate, coaxial coaxial-jet nozzles located in the mixing head along concentric circles and forming a central and peripheral zone, and including a hollow tip, connecting the oxidizer cavity with the combustion zone, a sleeve covering the tip with a gap and connecting the fuel cavity with the combustion zone, at least one gas generator, at least one turbo on-pump unit, power supply and control units (Gakhun G.G. et al. Design and design of liquid-propellant rocket engines. M: Mechanical Engineering, 1989, 420 pp. SSME LRE, pp. 93-94 - prototype)

Указанный двигатель работает следующим образом.The specified engine operates as follows.

Окислитель из полости блока подачи окислителя по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.The oxidizing agent from the cavity of the oxidizer supply unit through the channels inside the nozzles enters the combustion chamber for further use.

Горючее из полости блока охлаждения огневого днища по втулкам форсунок подается в камеру сгорания. Генераторный газ из полости блока генераторного газа по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания.Fuel from the cavity of the firing base cooling unit is supplied to the combustion chamber via nozzle bushings. The generator gas from the cavity of the generator gas block through the channels inside the nozzles enters the combustion chamber.

Основными недостатками данного ЖРД является недостаточно высокое значение полноты рабочего процесса, обусловленное несовершенством принятой системы смесеобразования.The main disadvantages of this rocket engine is the insufficiently high value of the completeness of the working process, due to the imperfection of the adopted mixture formation system.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание ЖРД с высоким качеством смесеобразования, которое бы обеспечивало высокий удельный импульс ЖРД.The objective of the invention is to remedy these disadvantages and create a rocket engine with high quality mixture formation, which would provide a high specific impulse rocket engine.

Решение указанной задачи достигается тем, что предложенный жидкостный ракетный двигатель, согласно изобретению, содержит как минимум один турбонасосный агрегат, как минимум один газогенератор, агрегаты питания и регулирования, камеру со смесительной головкой, содержащей наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, при этом форсунки горючего и окислителя расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, а штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная выступающая относительно огневого днища форсунка является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок, при этом лучи являются продолжением сторон квадрата и соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки, а в каждом штифте выполнено, как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним и огневым днищами, причем выходная часть указанных каналов расположена параллельно оси камеры сгорания.The solution to this problem is achieved by the fact that the proposed liquid rocket engine, according to the invention, contains at least one turbopump unit, at least one gas generator, power and control units, a chamber with a mixing head containing external, medium and fire bottoms, fastened together by nozzles, pins, soldering and welding, while the nozzles of the fuel and oxidizer are staggered in the fire bottom with the transition in the peripheral zone of the head to the location on the circles, and the pins placed on a circle in the peripheral zone of the mixing head, while the nozzles located on the sides of the square in the central part of the mixing head, as well as the nozzles located on each side of the square on two beams extended from the square to the periphery, are protruding into the firing chamber of the chamber beyond the firing the bottom, forming anti-pulsation partitions, while each peripheral nozzle protruding relative to the firing bottom is a fuel nozzle and is located at the intersection of the circle the pins with the indicated rays of the location of the protruding nozzles, while the rays are a continuation of the sides of the square and connect its vertices to the peripheral zone of the mixing head, and at least three channels are made in each pin connecting the cavity of the combustion chamber with the cavity formed by the middle and firing bottoms, moreover, the output of these channels is parallel to the axis of the combustion chamber.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на на фиг. 1 - показан общий вид предложенного ЖРД, на фиг. 2 - выносной элемент А продольный разрез смесительной головки, на фиг. 3 - вид Б - вид смесительной головки спереди, на фиг. 4 - продольный разрез двухкомпонентной форсунки, образующей антипульсационные перегородки.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 - shows a General view of the proposed LRE, in FIG. 2 - remote element A is a longitudinal section of the mixing head, in FIG. 3 - view B - front view of the mixing head, in FIG. 4 is a longitudinal section of a two-component nozzle forming anti-pulsation partitions.

Смесительная головка камеры предложенного ЖРД содержит наружное 1, среднее 2 и огневое 3 днища, скрепленные между собой форсунками 4 горючего и форсунками 5 окислителя, штифтами 6. Расстояние между днищами и объемы межфорсуночных полостей определяются размерами форсунок 4 и 5.The mixing head of the chamber of the proposed LRE contains an outer 1, middle 2 and fire 3 bottoms, fastened together by nozzles 4 of the fuel and nozzles 5 of the oxidizer, pins 6. The distance between the bottoms and the volumes of the inter-nozzle cavities are determined by the sizes of the nozzles 4 and 5.

Форсунки горючего 4 и окислителя 5 выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище 3 с переходом в периферийной зоне головки 7 к расположению по окружностям. Штифты 6 расположены на окружности в периферийной зоне 7 смесительной головки. Форсунки 8, расположенные на сторонах квадрата 9 в центральной части 10 смесительной головки, а также форсунки 11, находящиеся для каждой из сторон квадрата 9 на двух лучах 12, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище 3, образуя антипульсационные перегородки 13. Каждая периферийная выступающая относительно огневого днища 3 форсунка 8 является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок. Указанные лучи 12 являются продолжением сторон квадрата 9 и соединяют его вершины с периферийной зоной 7 смесительной головки. В каждом штифте 6 выполнено как минимум три канала 14, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним 2 и огневым 3 днищами, причем выходная часть указанных каналов 15 расположена параллельно оси камеры сгорания.The nozzles of the fuel 4 and the oxidizing agent 5 are single-component and are staggered in the firing base 3 with a transition in the peripheral zone of the head 7 to the circumferential arrangement. The pins 6 are located on a circle in the peripheral zone 7 of the mixing head. The nozzles 8 located on the sides of the square 9 in the central part 10 of the mixing head, as well as the nozzles 11 located on each of the sides of the square 9 on two beams 12 extended from the square to the periphery, are protruding into the firing chamber of the chamber beyond the firing bottom 3, forming anti-pulsation partitions 13. Each peripheral nozzle 8 protruding relative to the firing bottom 3 is a fuel nozzle and is located at the intersection of the circumference of the pins with the indicated rays of the protruding nozzles. These rays 12 are a continuation of the sides of the square 9 and connect its vertices with the peripheral zone 7 of the mixing head. At least three channels 14 are made in each pin 6, connecting the cavity of the combustion chamber with the cavity formed by the middle 2 and firing 3 bottoms, and the output part of these channels 15 is parallel to the axis of the combustion chamber.

Камера предложенного ЖРД включает в себя регенеративно охлаждаемую профилированную цилиндрическую часть 16 с критическим сечением 17 и соплом 18.The chamber of the proposed LRE includes a regeneratively cooled shaped cylindrical part 16 with a critical section 17 and a nozzle 18.

В состав предложенного ЖРД также входят один турбонасосный агрегат 19, один газогенератор 20, агрегаты питания и регулирования 21.The composition of the proposed LRE also includes one turbopump assembly 19, one gas generator 20, power supply and regulation units 21.

Предложенный ЖРД работает следующим образом.The proposed LRE works as follows.

Турбонасосный агрегат 19 приводится в действие продуктами сгорания компонентов топлива, получаемыми в газогенераторе 20. При помощи турбонасосного агрегата компоненты топлива подаются в соответствующие полости смесительной головки. Управление работой агрегатов ЖРД, в частности, турбонасосного агрегата 19 и газогенератора 20, осуществляется при помощи агрегатов питания и регулирования 21.The turbopump assembly 19 is driven by the combustion products of the fuel components obtained in the gas generator 20. Using the turbopump assembly, the fuel components are supplied to the respective cavities of the mixing head. The operation of the LPRE units, in particular, the turbopump unit 19 and the gas generator 20, is carried out using power and regulation units 21.

Поступившие в смесительную головку компоненты топлива далее распределяются следующим образом. Окислитель из полости окислителя по форсункам окислителя 5 поступает в камеру сгорания. Горючее из полости горючего по форсункам горючего 4 поступает в камеру сгорания, где перемешивается с окислителем, воспламеняется и сгорает.The fuel components received by the mixing head are further distributed as follows. The oxidizing agent from the cavity of the oxidizing agent through the nozzles of the oxidizing agent 5 enters the combustion chamber. The fuel from the fuel cavity through the nozzles of the fuel 4 enters the combustion chamber, where it is mixed with an oxidizing agent, ignited and burned.

При горении, на режиме запуска, могут возникать высокочастотные колебания, ведущие к неустойчивости процесса горения, связанные с нестационарностью переходных режимов запуска. Для предотвращения возможности появления таких процессов, поверхность огневого днища 3, при помощи квадрата 9 и лучей 12, состоящих из выступающих форсунок 8 и 11, и образующих антипульсационные перегородки 13, разделена на несколько изолированных друг от друга зон, что препятствует распространению колебаний из одной зоны в другую. В этом случае, при возникновении колебаний в одной зоне они не распространяются далее по всему огневому днищу и затухают.During combustion, in the start-up mode, high-frequency oscillations can occur, leading to instability of the combustion process associated with the unsteadiness of the transitional start-up modes. To prevent the possibility of such processes, the surface of the firing bottom 3, using square 9 and rays 12, consisting of protruding nozzles 8 and 11, and forming anti-pulsation partitions 13, is divided into several zones isolated from each other, which prevents the propagation of vibrations from one zone to another. In this case, when oscillations occur in one zone, they do not propagate further along the entire fire bottom and die out.

Для обеспечения требуемого качества смесеобразования и защиты огневых стенок камеры от прогаров часть расхода горючего подается через каналы 14 штифтов 6, которые в этом случае играют роль однокомпонентных форсунок.To ensure the required quality of mixture formation and to protect the fire walls of the chamber from burnouts, part of the fuel flow is fed through channels 14 of pins 6, which in this case play the role of single-component nozzles.

Компоненты топлива из форсунок поступают в полость профилированной цилиндрической части 16, воспламеняются и сгорают. Продукты сгорания компонентов топлива поступают к критическому сечению 17, проходят через него и расширяются в сопле 18, создавая при этом тягу. Выполнение форсунок, образующих антипульсационные перегородки, двухкомпонентными, позволит улучшить качество смесеобразования, за счет обеспечения подачи горючего и окислителя в одной плоскости.The components of the fuel from the nozzles enter the cavity of the profiled cylindrical part 16, ignite and burn. The combustion products of the fuel components enter the critical section 17, pass through it and expand in the nozzle 18, creating a thrust. The execution of the nozzles forming the anti-pulsation partitions, two-component, will improve the quality of mixture formation, by ensuring the supply of fuel and oxidizer in the same plane.

Использование предложенного технического решения позволит создать надежную и устойчиво работающую смесительную головку ЖРД при высоком качестве смесеобразования, которое обеспечит высокий удельный импульс ЖРД.Using the proposed technical solution will allow you to create a reliable and stably working mixing head LRE with high quality mixture formation, which will provide a high specific impulse LRE.

Claims

A liquid rocket engine, characterized in that it contains at least one turbopump unit, at least one gas generator, power and control units, a chamber with a mixing head containing external, medium and fire bottoms, fastened together by nozzles, pins, soldering and welding, while the fuel and oxidizer nozzles are staggered in the firing plate with the transition in the peripheral zone of the head to the circumference, and the pins are located on the circumference in the peripheral zone of the mixer nozzles, while the nozzles located on the sides of the square in the central part of the mixing head, as well as nozzles located on each of the sides of the square on two beams extended from the square to the periphery, are protruding into the fire chamber of the chamber behind the fire bottom, forming anti-pulsation partitions, each peripheral nozzle protruding relative to the firing bottom is a fuel nozzle and is located at the intersection of the circumference of the pins with the indicated beams nozzles, while the rays are a continuation of the sides of the square and connect its vertices to the peripheral zone of the mixing head, and at least three channels are made in each pin connecting the cavity of the combustion chamber with the cavity formed by the middle and fire bottoms, and the output part of these channels is parallel axis of the combustion chamber.