RU2392477C1

RU2392477C1 - Liquid-propellant engine annular chamber

Info

Publication number: RU2392477C1
Application number: RU2008149561/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Дмитриевич Горохов (RU); Виктор Дмитриевич Горохов; Владимир Викторович Черниченко (RU); Владимир Викторович Черниченко; Владимир Григорьевич Стогней (RU); Владимир Григорьевич Стогней
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-06-20

Abstract

FIELD: engines and pumps. ^ SUBSTANCE: invention refers to rocket engine building industry and can be used during development of alternator-free liquid propellant engines operating on cryogenic components, e.g. oxygen and hydrogen. Annular chamber of liquid-propellant engine includes annular mixing head, regeneratively cooled annular combustion chamber with plate nozzle of external expansion, and shaped central body, which are formed with shaped internal and external covers attached to each other along cooling circuit ribs. Between ribs of cooling circuit there are hollow connection straps attaching tops of ribs to each other; at that, external profile of the above connection straps corresponds to profile of cooling circuit. In order to increase the cover stability, connection straps attach the tops of two adjacent ribs to each other, connection straps attach the tops of all ribs to each other so that common annular surface is formed, and the external profile of which is equally spaced relative to internal profile of external cover at point of contact with external surface of internal cover. ^ EFFECT: increasing stability of internal cover. ^ 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.The invention relates to the field of rocket propulsion and can be used to create generatorless liquid rocket engines running on cryogenic components, such as 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 the usual 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 circuit diagram of the annular chamber of a liquid-propellant rocket engine that implements this principle (A.P. Vasiliev and others. "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 - прототип).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 - prototype).

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 cools, thus, the working surfaces profiled shells. Due to the connection of the shells with each other only along the tops of the ribs, when the pressure in the cooling path increases 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.

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, согласно изобретению, между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, при этом наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения.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, according to the invention, between the ribs of the cooling path made hollow jumpers connecting the tops of the ribs with each other, while the outer The th profile of these jumpers corresponds to the profile of the cooling path.

Для оптимизации условий работы внутренней оболочки перемычки выполнены таким образом, что они соединяют вершины двух смежных ребер между собой. Такое расположение перемычек позволяет получить дополнительные места контакта между внутренней и наружной оболочками, что приводит к уменьшению длины неподкрепленных участков тракта.To optimize the operating conditions of the inner shell, the jumpers are made in such a way that they connect the vertices of two adjacent ribs to each other. This arrangement of jumpers allows you to get additional contact points between the inner and outer shells, which leads to a decrease in the length of non-supported sections of the tract.

Наиболее оптимальные условия для работы камеры достигаются в случае, когда перемычки соединяют вершины всех ребер между собой с образованием единой кольцевой поверхности, наружный профиль которой эквидистантен внутреннему профилю наружной оболочки в месте контакта с наружной поверхностью внутренней оболочки.The most optimal conditions for the operation of the chamber are achieved when the jumpers connect the vertices of all the ribs together to form a single annular surface, the outer profile of which is equidistant to the inner profile of the outer shell at the point of contact with the outer surface of the inner shell.

В этом случае кольцевые поверхности перемычек образуют дополнительные бандажи жесткости, которые увеличивают устойчивость оболочки при воздействии на нее давления охладителя в пазах тракта охлаждения. Кроме этого, кольцевая поверхность перемычки позволяет увеличить площадь поверхности под пайку без увеличения толщины ребра и увеличения перепада давления в тракте, уменьшить в несколько раз длину неподкрепленной части ребра за счет образования дополнительных опор.In this case, the annular surfaces of the lintels form additional stiffeners, which increase the stability of the shell when exposed to pressure of the cooler in the grooves of the cooling path. In addition, the annular surface of the jumper allows you to increase the surface area for soldering without increasing the thickness of the ribs and increasing the pressure drop in the path, reduce several times the length of the unsupported part of the ribs due to the formation of additional supports.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный осевой разрез кольцевой камеры ЖРД, на фиг.2 - часть тракта охлаждения с перемычками в аксонометрии.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a longitudinal axial section of the annular chamber of the rocket engine, figure 2 - 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, например тарельчатого сопла 3, образован внутренней оболочкой 5, на внешней поверхности которой профрезерованы ребра 6, образующие совместно с соответствующей наружной оболочкой 7 каналы охлаждения 8. Вершины ребер 6 соединяются между собой при помощи полых перемычек 9.The annular chamber of the liquid propellant rocket engine 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, for example, a disk nozzle 3, is formed by an inner shell 5, on the outer surface of which ribs 6 are formed, forming together with the corresponding outer shell 7 cooling channels 8. The tops of the ribs 6 are interconnected using hollow jumpers 9.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates 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.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 with supersonic speed they arrive at the disk section nozzles.

Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам 8 между ребрами 6 и охлаждает, например, огневую поверхность внутренней профилированной 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.The cooler is fed into the cooling path, moves along the channels 8 between the ribs 6 and cools, for example, the firing surface of the inner profiled 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, there is an increase in the stability and strength of the 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 allows to increase it workflow efficiency.

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, characterized in that between the edges of the path cooling, hollow jumpers are made connecting the tops of the ribs with each other, while the outer profile of these jumpers corresponds to the profile of cooling act.

2. The annular chamber of a liquid propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that the jumpers connect the vertices of two adjacent ribs to each other.

3. The annular chamber of a liquid propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that the jumpers connect the vertices of all the ribs together to form a single annular surface, the outer profile of which is equidistant to the inner profile of the outer shell at the point of contact with the outer surface of the inner shell.