Способ завесного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя и устройство для его реализации (варианты)

 

Способ предназначен для использования в системах охлаждения стенок камеры двигателя. Способ осуществляют следующим образом: из пристеночной части пограничного слоя с помощью газодинамического редана образуют в зареданном пространстве зону свободных газовых течений относительно малых скоростей, в пределах протяженности которой формируют и выводят на стенку камеры тонкую сплошную пленку жидкого охладителя. Предлагаемые четыре варианта пояса завесы позволяют реализовать указанный способ в жидкостном ракетном двигателе с различными параметрами. Все эти пояса содержат такие основные элементы, как кольцевой коллектор с распределяющими и закручивающими поток жидкого охладителя входными отверстиями, переходящий в выходную щель, газодинамический редан и профилированную стенку зареданного пространства. Два варианта имеют гладкую щель разной ширины, в двух других вариантах в выходной щели имеются наклонные - в одном закрытые, а в другом открытые - мелкие лопатки. Предлагаемый способ позволяет сосредоточить подаваемый на завесу жидкий охладитель в предельно тонком пристеночном слое газов, что обеспечивает достижение высокой эффективности газовой завесы по снижению теплоотдачи от газового потока и минимальные, в том числе и нулевые при определенных условиях, потери удельного импульса тяги двигателя. Варианты устройства обеспечивают создание на стенке камеры тонкой сплошной пленки жидкого охладителя, необходимого для достижения высокой эффективности завесного охлаждения и минимальных, в том числе и нулевых при определенных условиях потерь удельного импульса. 5 с.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к ЖРД, а именно к системе охлаждения стенок камеры двигателя, т.е. стенок камеры сгорания и сопла.

Как известно, в тех случаях, когда возможностей наружного, проточного охлаждения недостаточно для надежного охлаждения стенки камеры сгорания или стенки сопла, в дополнение к наружному вводят так называемое внутреннее охлаждение, т. е. в пристеночный слой газов тем или иным способом вводят дополнительный расход горючего, но возможно и другого охладителя, снижая температуру газов в этом слое и создавая таким образом слой газовой завесы, отделяющий стенку от основного высокоэнтальпийного потока продуктов сгорания топлива.

Этот дополнительный расход горючего подают либо через смесительные элементы - форсунки, расположенные на смесительной головке, либо через пояса завесы, расположенные в стенке в соответствующих сечениях камеры сгорания и сопла. В случае подачи дополнительного, завесного горючего через пояса завесы возможно охлаждение этим горючим более тонкого пристеночного слоя газов, чем в случае подачи его через форсунки смесительной головки, т.е. соответственно возможно более рациональное использование этого горючего.

Известен способ завесного охлаждения камеры ЖРД путем подачи горючего в пристеночный слой газового потока через расположенные в несколько рядов отверстия в стенке камеры, отстоящие в каждом ряду на значительном расстоянии друг от друга (фиг. 1).

Основными недостатками такого способа дискретно-струйной подачи завесного охладителя являются: - значительная неравномерность заполнения завесным охладителем периметра камеры и в сечении подачи, и ниже по потоку с масштабом неравномерности, превышающим толщину огневой стенки камеры, что ведет к наличию значительных по протяженности участков стенки, не прикрытых охладителем, и может рассматриваться уже как неравномерность распределения расхода охладителя, - унос завесного охладителя до момента его полного дробления и испарения на значительное расстояние от стенки камеры в процессе движения жидкого охладителя в виде струи и в виде относительно крупных фрагментов разрушения этих струй.

Оба эти недостатка снижают эффективность завесного охлаждения, т.к. до заданного уровня температуры приходится охлаждать пристеночный слой завышенной толщины, для чего требуется соответственно увеличенный расход охладителя.

Указанный дискретно-струйный способ подачи завесного горючего (70%-ного спирта) использовался, в частности в камере двигателя немецкой ракеты Фау-2. (см., например, [1], [2]).

Этот же способ подачи завесного горючего изложен в описании к патенту США N 3267664 [3].

Известен также способ подачи завесного охладителя на стенку камеры через щелевой пояс завесы с козырьком, компланарным огневой поверхности камеры, имеющим под этим козырьком ребра закручивания потока охладителя (фиг. 2). При большом числе ребер закручивания и большом угле закрутки потока охладителя этот способ позволяет добиваться высокой степени равномерности распределения охладителя по периметру камеры. Большое число ребер и большой угол закрутки потока охладителя при его малом расходе необходимы в таком поясе завесы для обеспечения охлаждения козырька, который охлаждается только расходом охладителя, подаваемым на стенку из под козырька, практически без отвода сколь-нибудь значительной части теплового потока в основной тракт охлаждения стенки камеры.

Основными недостатками этого способа завесного охлаждения, резко снижающими его эффективность, в случае подачи на завесу жидкого охладителя являются: - хотя и мелкомасштабная, но существенная неравномерность заполнения жидким охладителем периметра камеры в сечении выхода охладителя из-под козырька, - большая толщина слоя жидкой пелены в сечении выхода ее из-под козырька и волнообразная поверхность этой пелены, разрезанной на отдельные струи следами от ребер закручивания, что способствует разбрызгиванию жидкого охладителя газовым потоком первоначально на сравнительно крупные фрагменты, успевающие до их полного дробления и испарения отойти в поток газа на значительное расстояние. Эти недостатки, как и в упомянутом выше дискретно-струйном способе, означают увеличение толщины пристеночного слоя газового потока, к которому с самого начала развития слоя завесы подмешивается завесный охладитель, что ведет соответственно к завышенному расходу охладителя, требуемого для достижения заданного уровня температуры в слое газовой завесы, - в результате быстрого увеличения скорости течения жидкого охладителя, вызванного интенсивным аэродинамическим воздействием газового потока на волнообразную поверхность жидкой пелены, и интенсивного размывания следов от ребер закручивания, обусловленного большой окружной составляющей и малой продольной составляющей скоростей течения жидкой пелены, происходит резкое уменьшение толщины этой пелены по выходе ее из под козырька пояса завесы. Это вызывает поворот вектора скорости пристеночной части газового потока в сторону стенки и, как следствие, образование у стенки зоны с положительным градиентом давления и соответствующим барьером давления, высота которого может оказаться достаточной для создания возвратного вихревого течения, отрывающего пелену охладителя от стенки, с выходом при этом на стенку высокоскоростной и высокоэнтальпийной струи газового потока.

В случае указанного отрыва пелены охладителя от стенки плотность теплового потока за поясом завесы в сечении выхода на стенку высокоэнтальпийных струй газового потока может быть значительно выше, чем перед поясом завесы, до ввода завесного охладителя.

Указанный способ подачи охладителя на огневую поверхность стенки камеры из-под козырька, компланарного этой поверхности, предлагается в описаниях к патентам ФРГ N 1626048 [4] и США N 3605412 [5].

Для того, чтобы кратко сформулировать сущность предлагаемого способа завесного охлаждения, необходимо рассмотреть основные свойства завесного охлаждения в случае подачи на завесу жидкого охладителя.

Важно отметить, что качество подачи жидкого охладителя на завесу, обеспечиваемое тем или иным способом его подачи и особенностями устройств, реализующих этот способ, влияет на эффективность завесного охлаждения как на участке стенки камеры, прикрытом пеленой жидкого охладителя, т. е. на участке, где жидкий охладитель существует либо в виде жидкой пленки на стенке, либо в виде капель в слое газа, близкого к стенке, так и на основном для ЖРД участке завесного охлаждения стенки камеры, где защита стенки от теплового контакта с высокоэнтальпийной частью газового потока осуществляется слоем газовой завесы, не содержащим капли жидкого охладителя, но имеющим пониженную температуру, обусловленную наличием в газе соответствующей концентрации поданного на завесу охладителя.

Очевидно, что температура газов в слое газовой завесы на этом последнем участке тем ниже, чем выше концентрация в нем поданного на завесу охладителя, т.е. чем в более тонком слое газового потока удалось сосредоточить этот охладитель при его подаче и сохранить при течении до данного потенциально опасного в отношении надежности охлаждения сечения камеры сгорания или сопла.

На участке стенки, прикрытом пеленой жидкого охладителя, обычно горючего, тепловой поток в стенку камеры столь мал, что проблемы охлаждения стенки на этом участке не существует, и эффективность завесного охлаждения стенки на этом участке определяется по сути дела только величиной длины этого участка. Длина же этого участка тем больше, чем в более тонком слое газового потока удается сосредоточить жидкий завесный охладитель при его подаче через пояс завесы.

Из приведенного выше анализа недостатков способа-аналога и способа - прототипа видно, что для сосредоточения расхода жидкого охладителя к концу процесса его дробления и испарения в возможно более тонком слое газов, необходимо чтобы подача этого охладителя обеспечивала: - равномерное распределение расхода охладителя по периметру сечения камеры; - плотное заполнение этим расходом всего периметра стенки непосредственно за поясом завесы; - отсутствие струйного выхода жидкого охладителя в газовый поток; - отсутствие создаваемых элементами пояса завесы крупных волн на поверхности жидкой пелены, выходящей из пояса завесы;
- создание на огневой поверхности стенки камеры возможно более тонкой жидкой пленки еще до сечения интенсивного воздействия газового потока на эту пленку;
- предотвращение отклонения вектора скорости высокоскоростных слоев газового потока в сторону стенки во избежание возникновения обратного течения и отрыва от стенки пелены жидкого охладителя.

Таким образом, основной технический результат, предлагаемого способа завесного охлаждения, заключается в достижении максимально возможной эффективности завесного охлаждения как на участке существования пелены жидкого охладителя, так и на участке чисто газовой завесы благодаря такой форме подачи жидкого охладителя на стенку камеры, которая обеспечивает сосредоточение расхода этого охладителя в предельно тонком пристеночном слое газового потока.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что, в каждом поясе завесы из пристеночной части пограничного слоя газового потока с помощью газодинамического редана образуют в зареданном пространстве зону свободных газовых течений относительно малых скоростей, в пределах протяженности которой формируют и выводят на огневую поверхность стенки камеры тонкую сплошную пленку жидкого охладителя. При этом переходным участком огневой поверхности стенки камеры, примыкающим к задней кромке пояса, разворачивают эту пленку в направлении сближения ее с газовым потоком, компенсируя тем самым уменьшение толщины пленки, обусловленное увеличением скорости ее течения.

Скоростной напор у газового потока в камере настолько велик, что даже очень тонкие пленки на стенке интенсивно разбрызгиваются, но чем меньше толщина жидкой пленки, тем меньше масштаб волн, возникающих на ее поверхности, и тем меньше размеры жидких фрагментов, на которые газ разбивает эти волны, и, соответственно, тем меньше расстояние, на которое забрасываются эти фрагменты жидкого охладителя до их полного дробления и испарения, т.е., чем тоньше начальная толщина пленки жидкого охладителя, тем более полноценно используется этот охладитель для целей завесного охлаждения.

Необходимо отметить, что и при достаточно совершенном способе подачи жидкого охладителя возможно дополнительное уменьшение толщины жидкой пленки, достигаемое путем уменьшения расхода охладителя, подаваемого через единичный пояс, т.е. соответственно путем увеличения числа последовательно расположенных поясов завесы.

Важно отметить, что высокой эффективности завесного охлаждения в отношении снижения величины теплоотдачи от газа, достигаемой при предлагаемом способе завесного охлаждения, сопутствует и высокая экономичность этого способа завесного охлаждения, т.е. обеспечение минимальных потерь удельного импульса при заданном снижении уровня теплоотдачи от газа.

Более того, при небольших значениях расхода завесного охладителя, подаваемого в докритическую часть сопла, предлагаемый способ позволяет сосредоточить весь его расход в пристеночном слое, не выходящем за пределы пограничного слоя трения, вырабатывающегося на стенке к выходному сечению сопла, и в этом случае потери удельного импульса при неизменном соотношении компонентов топлива, подаваемого через смесительную головку, оказываются близкими к нулю, так как уменьшение трения в сопле вследствие эффекта газодинамической смазки, создаваемого тонким слоем газовой завесы, практически полностью компенсирует уменьшение удельного импульса, связанное с пониженной энтальпией слоя газовой завесы.

Предельный расход охладителя, при котором еще происходит такая компенсация энтальпийных потерь удельного импульса снижением потерь на трение в сопле, который можно назвать оптимальным -m_{охл.опт.}, при предлагаемом способе завесного охлаждения, создаваемом с помощью соответствующих поясов завесы, располагаемых в докритической части сопла, может составлять значительную величину, вполне достаточную для снижения плотности теплового потока в критическом сечении сопла в 2-3 раза.

Так, например, в экспериментальных исследованиях, проведенных в Центре Келдыша на специальном модельном кислородно-спиртовом ЖРД с тягой 200 кг, значения величины m_{охл.опт.}, полученные при подаче в качестве охладителя спирта и даже воды через последовательно расположенные в камере сгорания пояса завесы составили примерно 5-6% от расхода топлива, подаваемого через смесительную головку (фиг. 3).

Известно устройство завесного охлаждения, применявшееся в камере ЖРД немецкой ракеты ФАУ-2. Это устройство представляло собой расположенные в нескольких сечениях камеры сгорания и сопла ряды отверстий в огневой стенке камеры, перпендикулярных этой стенке, через которые из коллекторов, соответствующих каждому ряду отверстий, в пристеночный слой газового потока подавался дозированный расход завесного горючего (70% спирта) (см. [2]). Это устройство было относительно простым по конструкции, но подача через указанные отверстия завесного горючего была мало эффективной в отношении снижения теплоотдачи от газов к стенке, но в то же время существенно снижала удельный импульс двигателя.

Известно устройство завесного охлаждения, представляющее собой щелевой, козырьковый пояс подачи завесного охладителя на огневую поверхность камеры, общие черты конструкции которого ясны из описаний к патентам ФРГ N 1626048 и США N 3605412 [4] [5].

В этом поясе завесы либо непосредственно под выходной частью козырька (патент США N 3605412), либо несколько не доходя до выходного сечения подкозырьковой щели (патент ФРГ N 1626048) имеются наклонные ребра, обеспечивающие равномерное распределение расхода завесного охладителя по периметру пояса завесы и закрутку этого расхода вокруг оси камеры.

Щелевой козырьковый пояс завесы по совокупности основных признаков может рассматриваться как прототип для предлагаемых данным изобретением вариантов устройства завесного охлаждения.

Функциональные недостатки этого прототипа, обусловливающие его относительно невысокую эффективность, ясны из рассмотренных выше недостатков способа завесного охлаждения, реализуемого устройствами подобного козырькового типа.

Кроме того, необходимо отметить следующие принципиальные недостатки указанного прототипа, влекущие за собой соответствующие конструктивные и технологические трудности его создания и надежной работы:
- сложность обеспечения надежного охлаждения козырька, обусловленная тем, что почти весь тепловой поток высокой плотности, падающий на козырек, должен быть снят тем небольшим расходом охладителя, который подается из-под козырька на завесное охлаждение стенки камеры, поскольку лишь небольшая часть этого теплового потока может пройти по подкозырьковым ребрам в основной тракт охлаждения стенки камеры;
- сложности обеспечения стабильности размеров подкозырькового тракта и стойкости конструкции козырька, обусловленные большими термическими напряжениями в местах крепления подкозырьковых ребер и большими термическими деформациями неподкрепленных участков козырька.

В предлагаемых данным изобретением вариантах устройства завесного охлаждения указанных проблем с охлаждением конструктивных элементов, а также с термическими напряжениями и с термическими деформациями практически не возникает, так как в этих вариантах устройства выходная щель подачи завесного охладителя направлена не перпендикулярно, как в указанном прототипе, а в основном параллельно направлению течения теплового потока, поступающего от газа в стенку камеры, что позволяет почти весь этот тепловой поток пропускать через стенку в основной тракт охлаждения стенки камеры и лишь небольшую его часть снимать охладителем, подаваемым на завесу.

Предлагаемые данным изобретением четыре варианта устройства реализуют изложенный выше способ завесного охлаждения ЖРД и обеспечивают получение основного технического результата, заключающегося в создании на стенке тонкой сплошной пленки жидкого охладителя, являющегося необходимым условием достижения высокой эффективности завесного охлаждения и минимальных, в том числе и нулевых при определенных условиях, потерь удельного импульса.

При этом каждый вариант завесного устройства имеет свои специфические функциональные и технологические особенности, определяющие тот вид ЖРД, для которого применение данного варианта завесного устройства является наиболее целесообразным.

Первый вариант предлагаемого устройства (пункт 2 формулы изобретения) представляет собой щелевой пояс завесы, позволяющий при малых значениях расхода охладителя формировать сплошную жидкую пленку, толщина которой может быть в несколько раз меньше размеров конструктивных элементов, формирующих эту пленку. Соответственно этот вариант предлагаемого устройства предназначен в основном для двигателей небольшой и средней тяги со сравнительно невысокими значениями давления в камере сгорания.

Этот вариант устройства содержит кольцевой коллектор с наклонными входными распределяющими и закручивающими поток жидкого охладителя отверстиями или каналами. Коллектор переходит в выходную щель, перпендикулярную огневой поверхности стенки камеры или наклоненную по потоку газа, имеющую либо на передней, либо на задней стенке наклонные лопатки, высота которых меньше ширины выходной щели в месте расположения этих лопаток. При этом передняя кромка пояса, образуемая пересечением передней стенки выходной щели с огневой поверхностью камеры, выступает над задней кромкой пояса, представляющей собой линию пересечения поверхности задней стенки выходной щели с переходным участком огневой поверхности стенки камеры, в направлении, перпендикулярном огневой поверхности стенки камеры в сечении передней кромки пояса, на высоту h_р газодинамического редана, образованного прикромочной частью выходной щели, рассчитываемую по формуле:
h_p= δ_ж.пл.+δ_в.з.+Δ_к.р.,
где δ_ж.пл. - толщина формируемой поясом завесы жидкой пленки;
δ_в.з. - толщина зареданной вихревой зоны;
Δ_к.р. - увеличение высоты зареданного пространства, компенсирующее отклонение газового потока, вызванное распылом жидкого охладителя в пределах протяженности зоны малых скоростей.

Контур указанного переходного участка огневой поверхности стенки от задней кромки пояса до исходного контура огневой поверхности камеры, выполнен в виде плавной поверхности, например, конической поверхности с углом пересечения огневой поверхности исходного контура камеры, выбираемом в зависимости от давления в камере сгорания и места расположения пояса завесы в пределах 3-30^o.

Второй вариант предлагаемого устройства (пункт 3 формулы) предназначен для двигателей большой тяги и высокого давления в камере сгорания, в которых удельный, приходящийся на единицу длины периметра пояса, расход завесного охладителя М_охл настолько велик, что формирование жидкой пленки приемлемой толщины может быть осуществлено без применения используемого в 1-ом варианте устройства эффекта динамического расплющивания на наклонных лопатках дискретных струй жидкого охладителя в тонкие лепестки с последующим слиянием их в единую тонкую пленку, выходящую на огневую поверхность стенки камеры. Соответственно этот вариант пояса завесы отличается от первого тем, что выходная щель пояса завесы имеет гладкие стенки, расстояние между которыми равно заданной толщине жидкой пленки, калибруемой этой щелью.

Высота редана для второго варианта пояса завесы определяется по той же формуле, что и для первого варианта.

Толщина жидкой пленки для второго варианта задается, а для первого варианта рассчитывается по следующей формуле:

где М_охл - удельный расход жидкого охладителя, приходящийся на единицу периметра пояса завесы;
K_Σ - расчетно-экспериментальный коэффициент, зависящий от формы и параметров элементов конструкции пояса завесы;
ΔP_отв.к. - перепад давления на входных отверстиях или каналах кольцевого коллектора пояса;
ρ_ж - плотность жидкого охладителя, поступающего в коллектор.

Величина толщины вихревой зоны δ_в.з. для первого и второго вариантов определяется по формуле
δ_в.з.= K_в.з.·L_з.м.с.
где К_в.з. - эмпирический коэффициент;
L_з.м.с. - протяженность зоны малых скоростей, состоящей в этих вариантах из газов пристеночной части пограничного слоя и газов вихревого течения в зареданном пространстве, определяемая по формуле:
L_з.м.с.= K_з.м.с.·δ_п.с.
где K_з.м.с. - эмпирический коэффициент с близкими для обоих случаев значениями;
δ_п.с. - толщина пограничного слоя газового потока в сечении передней кромки пояса завесы, рассчитываемая по формулам теории пограничного слоя.

Величина дополнительного увеличения высоты редана Δ_к.р. определяется по формуле

K_р - эмпирический коэффициент с близкими для обоих случаев значениями;
ρ_г., U_г.- плотность и скорость газового потока на границе пограничного слоя в сечении передней кромки пояса завесы;
δ_ж.пл. - толщина жидкой пленки, формируемой поясом завесы;
σ_ж.- поверхностное натяжение жидкого охладителя при температуре этого охладителя в выходной щели пояса завесы.

Третий вариант предлагаемого устройства (пункт 4 формулы) является упрощенной формой первого варианта и отличается от него тем, что высота наклонных лопаток, имеющихся в выходной щели, равна ширине этой щели, а высота газодинамического редана определяется не трехчленной, а двухчленной формулой, описываемой ниже при рассмотрении четвертого варианта устройства.

Технологически этот вариант пояса завесы является более простым, но такая важная функция как создание тонкой трудно разбрызгиваемой пленки жидкого охладителя осуществляется в нем с существенными издержками в виде значительно большего, чем в первом варианте устройства, разбрызгивания жидкого охладителя еще в пределах протяженности зоны малых скоростей газа, состоящей в этом случае из газов ближайшей к стенке части пограничного слоя.

Третий вариант устройства позволяет обеспечить равномерное распределение охладителя по периметру пояса при небольших значениях удельного его расхода М_охл. Соответственно этот вариант, как и первый вариант устройства, пригоден для двигателей небольшой и средней тяги, имеющих сравнительно небольшое давление в камере сгорания.

Четвертый вариант устройства, как и второй вариант, имеет гладкую входную щель и отличается от него тем, что расстояние между этими гладкими стенками выходной щели в несколько раз больше высоты газодинамического редана и, соответственно, в несколько раз больше толщины жидкой пленки, формируемой поясом завесы, а также тем, что высота редана определяется не по трехчленной, а по следующей двухчленной, как и для третьего варианта, формуле:
h_p.= δ_ж.пл.+Δ_к.р.,
в которой толщина жидкой пленки определяется по формуле:

где М_охл. - удельный расход жидкого охладителя;
K_δ - эмпирический коэффициент,
C_f - коэффициент трения газового потока в сечении передней кромки пояса завесы;
δ_п.с. - толщина пограничного слоя газового потока в этом же сечении;
ρ_г., U_г.- плотность и скорость газа на границе пограничного слоя в том же сечении камеры.

Необходимо отметить, что ширина выходной щели, отсчитываемая как расстояние от поперечного сечения камеры, проходящего через переднюю кромку, до сечения, проходящего через заднюю кромку, во всех четырех рассмотренных вариантах пояса завесы меньше протяженности зоны малых скоростей L_з.м.с.
Наличие в четвертом варианте относительно широкой гладкой выходной щели позволяет выполнять этот пояс завесы без разрезки стенки камеры, а путем расточки щели и коллектора в утолщенной части стенки единого блока внутренней оболочки теплонапряженного участка камеры.

Главной функциональной особенностью первых двух предлагаемых вариантов устройства (пункты 2, 3 формулы изобретения), а в ряде случаев (при малых углах наклона щели) и третьего его варианта (пункт 4 формулы изобретения) является то, что в них жидкий охладитель в момент встречи с газовым потоком, происходящей еще в пределах протяженности зоны малых скоростей газа имеет скоростной напор расходной составляющей скорости, примерно равный скоростному напору тех струек газа, с которыми жидкий охладитель вступает в непосредственный контакт, а в ряде случаев и существенно превосходящий величину скоростного напора этих струек газа. Поэтому в этих вариантах устройства распределение жидкого охладителя по периметру сечения камеры за пределами пояса завесы сравнительно слабо зависит от влияния неоднородностей в распределении по периметру камеры скоростного напора пристеночного слоя газового потока, набегающего на пояс завесы.

В четвертом варианте устройства завесного охлаждения (пункт 5 формулы изобретения), напротив, распределение расхода жидкого охладителя по периметру камеры за поясом завесы, оказывается существенно зависящим от распределения скоростного напора в пристеночной части газового потока перед поясом завесы.

Такая зависимость равномерности распределения расхода охладителя от равномерности распределения скоростного напора в пристеночном слое газового потока в общем случае нежелательна, т.к. затрудняет отработку системы охлаждения камеры в случае, когда параллельно с этим идет отработка конструкции смесительной головки.

Однако в камерах с дожиганием окислительного генераторного газа указанная зависимость играет весьма положительную роль, т.к. в таких камерах увеличенный скоростной напор имеют струи с увеличенным соотношением компонентов топлива, а часто и с избытком окислителя, и именно эти струи газа пристеночного слоя эжектируют под себя повышенный удельный расход завесного горючего из коллектора пояса завесы, уменьшая соответственно удельный расход завесного горючего на соседних образующих камеры.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими схемами и чертежами.

На фиг. 1, 2 показаны схемы, поясняющие сущность рассмотренных выше известных способов (аналога и прототипа) завесного охлаждения в случае подачи на завесу жидкого охладителя.

На фиг. 3 приведены результаты экспериментальных исследований, иллюстрирующих высокую экономичность предлагаемого данным изобретением способа завесного охлаждения.

На этой фигуре:
I_уд./I_уд.о - отношение удельного импульса камеры при данной величине m_охл. расхода охладителя, подаваемого на завесу, к удельному камеры при m_охл. = 0;
-1, 2 - зависимости I_уд./I_уд.о от величины , полученные при подаче на завесу воды: 1 - через два пояса завесы, 2 - через три пояса завесы;
- 3,4 - зависимость I_уд./I_уд.о от g_охл., полученные при подаче на завесу спирта: 3- через один пояс завесы, 4 - через два пояса завесы.

На фиг. 4, 5, 6, 7 показаны характерные особенности конструкций и работы поясов завесы четырех типов, реализующих предлагаемый способ завесного охлаждения.

На фиг. 4 показаны конструкция первого варианта предлагаемого устройства и схема процесса формирования жидкой пленки в этом поясе завесы.

На этой фигуре показаны: кольцевой коллектор 1, наклонные распределяющие и закручивающие поток охладителя входные отверстия или каналы 2, выходная щель 3, наклонные лопатки 4 на стенке выходной щели, передняя 5 и задняя 6 кромки пояса завесы, газодинамический редан 7 и переходной участок 8 огневой поверхности стенки камеры.

На фиг. 5 показаны конструкция второго варианта устройства и схема процесса формирования в нем жидкой пленки.

Обозначения элементов на этой и на последующих фигурах те же, что и на фиг. 4.

На фиг. 6 показаны конструкция третьего варианта устройства и схема процесса формирования в нем жидкой пленки.

На фиг. 7 показаны конструкция четвертого варианта устройства и схема процесса формирования в нем жидкой пленки.

Пояс завесы (первый вариант устройства), показанный на фиг. 4, является мелкоструйным со струйно-динамическим формированием жидкой пленки. Формирование жидкой пленки в этом поясе происходит следующим образом. С помощью наклонных отверстий или каналов 2 в кольцевом коллекторе 1 создается вращающееся с большой скоростью U_ж. кольцо жидкости, набегающее на наклонные лопатки 4. Входными кромками этих лопаток жидкость разрезается на мелкие струйки. На боковой стенке лопаток эти струйки расплющиваются в тонкие лепестки, которые в свободной части выходной щели 3 сливаются в единую, но не однородную еще тонкую вращающуюся пелену жидкости. Эта пелена под действием центробежных сил и разряжения, создаваемого ею самой и газовым потоком, разворачивается вокруг задней кромки 6 пояса и ложится на переходной участок 8 огневой поверхности стенки камеры в виде уже однородной сплошной тонкой пленки, которая продвигаясь по стенке входит в зону активного воздействия газового потока, где и происходит ее интенсивное разбрызгивание и испарение.

Пояс завесы (второй вариант устройства), показанный на фиг. 5, по принципу формирования жидкой пленки является центробежным с механической калибровкой толщины жидкой пленки гладкими стенками выходной щели. Происходящие в нем процессы ясны из фиг. 5. Как и в поясе завесы, показанной на фиг. 4, в кольцевом коллекторе 1 с помощью отверстий или каналов 2 создается вращающееся с большой окружной скоростью U_ж. кольцо жидкости, имеющей сравнительно небольшую радиальную составляющую скорости. При входе жидкости в тонкую выходную щель 3 радиальная составляющая ее скорости соответственно увеличивается. В пространстве за реданом 7 сформированная в тонкой щели жидкая пленка под действием центробежных сил и разряжения, создаваемого и ею самой и газовым потоком, разворачивается вокруг задней 6 кромки пояса и ложатся на переходной участок 8 огневой поверхности стенки камеры, продвигаясь по которому входит в зону интенсивного воздействия газового потока.

Пояс завесы (третий вариант устройства), показанный на фиг. 6, по конструкции является упрощенным вариантом первого варианта пояса завесы, показанного на фиг. 4. Принцип его работы фактически тоже является упрощенным: из-за отсутствия свободной части выходной щели в пространство за реданом 7 из полостей между наклонными лопатками 4 жидкость выходит в виде не сплошной пелены, а в виде движущихся в основном тангенциально отдельных струек. Эти струйки уже под действием силы трения со стороны газового потока разворачиваются в тонкие лепестки, выбрасываемые газовым потоком на переходной участок 8 огневой поверхности стенки камеры, где окончательно сливаются в единую жидкую пленку. По принципу действия этот пояс является мелкоструйным с газодинамическим формированием жидкой пленки.

Пояс завесы (четвертый вариант устройства), показанный на фиг. 7, по принципу формирования жидкой пленки подобен поясу завесы, показанному на фиг. 6, но в этом поясе в контакт с газовым потоком входят не отдельные струйки, а созданное с помощью наклонных отверстий или каналов 2 в кольцевом коллекторе 1 сплошное вращающееся кольцо жидкости. Под действием силы трения со стороны газового потока поверхностный слой жидкости с этого вращающегося кольца стаскивается и сбрасывается на переходной участок 8 огневой поверхности камеры, где и образуется сплошная тонкая жидкая пленка. По принципу действия этот пояс завесы является центробежным с газодинамическим формированием жидкой пленки.

Описанные выше конструкции пояса завесы, представляющие собой четыре варианта устройства, предлагаемого данным изобретением, прошли экспериментальную проверку и отработку на лабораторных установках и модельных камерах ЖРД в Центре Келдыша, которые показали возможность реализации этими поясами предлагаемого способа завесного охлаждения и подтвердили высокую эффективность и экономичность этого способа.

Источники информации.

1. "Ракетные двигатели". Д. Саттон, изд. "Иностранная литература". - М.: 1952, с. 154 - 155.

2. "Ракетные двигатели", К.А. Гильзин, изд. "Оборонгиз". -М.: 1950, с. 59.

3. Патент США N 3267664, кл. 60-35.3, 1966.

4. Патент ФРГ N 16266048, МКИ F 02 K 11/02 1971 г.

5. Патент США N 3605412, кл. 60-260, 1971.

Формула изобретения

1. Способ завесного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, включающий подачу жидкого охладителя через пояса завесы на огневую поверхность стенки камеры, отличающийся тем, что в каждом поясе завесы из пристеночной части пограничного слоя газового потока с помощью газодинамического редана образуют в зареданном пространстве зону свободных газовых течений относительно малых скоростей, в пределах протяженности которой формируют и выводят на огневую поверхность стенки камеры тонкую сплошную пленку жидкого охладителя, при этом переходным участком огневой поверхности стенки камеры, примыкающим к задней кромке пояса, разворачивают эту пленку в направлении сближения ее с газовым потоком.

2. Устройство завесного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, выполненное в виде щелевого пояса завесы, подающего жидкий охладитель на огневую поверхность стенки камеры, содержащего элементы равномерного распределения расхода охладителя по периметру пояса и его закрутки вокруг оси камеры, отличающееся тем, что в этом поясе завесы имеется кольцевой коллектор с наклонными входными распределяющими и закручивающими поток жидкого охладителя отверстиями или каналами, переходящий в выходную щель, перпендикулярную огневой поверхности стенки камеры или наклоненную по потоку газа, имеющую либо на передней, либо на задней стенке наклонные лопатки, высота которых меньше ширины выходной щели в месте расположения этих лопаток, при этом передняя кромка пояса, образуемая пересечением передней стенки выходной щели с огневой поверхностью камеры, выступает над задней кромкой пояса, представляющей собой линию пересечения поверхности задней стенки выходной щели с огневой поверхностью переходного участка стенки камеры, в направлении, перпендикулярном огневой поверхности стенки камеры в сечении передней кромки пояса, на высоту h_р газодинамического редана, образуемого прикромочной частью передней стенки выходной щели, рассчитываемую по формуле
h_p= δ_ж.пл+δ_в.з+Δ_к.р,
где δ_ж.пл - толщина формируемой поясом завесы жидкой пленки;
δ_в.з - толщина зареданной вихревой зоны;
Δ_к.р - увеличение высоты зареданного пространства,
компенсирующее отклонение газового потока, вызванное распылом жидкого охладителя в пределах протяженности зоны малых скоростей, а контур переходного участка огневой поверхности стенки от задней кромки пояса до исходного контура огневой поверхности камеры выполнен в виде плавной поверхности, например конической поверхности с углом пересечения огневой поверхности исходного контура камеры, выбираемым в зависимости от давления в камере сгорания и места расположения пояса завесы, в пределах 3 - 30^o.

3. Устройство завесного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, выполненное в виде щелевого пояса завесы, подающего жидкий охладитель на огневую поверхность стенки камеры, содержащего элементы равномерного распределения расхода охладителя по периметру пояса и его закрутки вокруг оси камеры, отличающееся тем, что в этом поясе завесы имеется кольцевой коллектор с наклонными входными распределяющими и закручивающими поток жидкого охладителя отверстиями или каналами, переходящий в выходную щель, перпендикулярную огневой поверхности стенки камеры или наклоненную по потоку газа, имеющую гладкие переднюю и заднюю стенки, расстояние между которыми равно заданной толщине жидкой пленки, калибруемой этой щелью, при этом передняя кромка пояса, образуемая пересечением передней стенки выходной щели с огневой поверхностью камеры, выступает над задней кромкой пояса, представляющей собой линию пересечения поверхности задней стенки выходной щели с огневой поверхностью переходного участка стенки камеры, в направлении, перпендикулярном огневой поверхности стенки камеры в сечении передней кромки пояса, на высоту h_р газодинамического редана, образуемого прикромочной частью передней стенки выходной щели, рассчитываемую по формуле
h_p= δ_ж.пл+δ_в.з+Δ_к.р,
где δ_ж.пл - толщина формируемой поясом завесы жидкой пленки;
δ_в.з - толщина зареданной вихревой зоны;
Δ_к.р - увеличение высоты зареданного пространства, компенсирующее отклонение газового потока, вызванное распылом жидкого охладителя в пределах протяженности зоны малых скоростей,
а контур переходного участка огневой поверхности стенки от задней кромки пояса до исходного контура огневой поверхности камеры выполнен в виде плавной поверхности, например конической поверхности с углом пересечения огневой поверхности исходного контура камеры, выбираемым в зависимости от давления в камере сгорания и места расположения пояса завесы, в пределах 3 - 30^o.

4. Устройство завесного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, выполненное в виде щелевого пояса завесы, подающего жидкий охладитель на огневую поверхность стенки камеры, содержащего элементы равномерного распределения расхода охладителя по периметру пояса и его закрутки вокруг оси камеры, отличающееся тем, что в этом поясе завесы имеется кольцевой коллектор с наклонными входными распределяющими и закручивающими поток жидкого охладителя отверстиями или каналами, переходящий в выходную щель, перпендикулярную огневой поверхности стенки камеры или наклоненную по потоку газа, имеющую либо на передней, либо на задней стенке наклонные лопатки, высота которых равна ширине выходной щели в месте расположения этих лопаток, при этом передняя кромка пояса, образуемая пересечением передней стенки выходной щели с огневой поверхностью камеры, выступает над задней кромкой пояса, представляющей собой линию пересечения поверхности задней стенки выходной щели с огневой поверхностью переходного участка стенки камеры, в направлении, перпендикулярном огневой поверхности стенки камеры в сечении передней кромки пояса, на высоту h_р газодинамического редана, образуемого прикромочной частью передней стенки выходной щели, рассчитываемую по формуле
h_p= δ_ж.пл+Δ_к.р,
где δ_ж.пл - толщина формируемой поясом завесы жидкой пленки;
Δ_к.р - увеличение высоты зареданного пространства, компенсирующее отклонение газового потока, вызванное распылом жидкого охладителя в пределах протяженности зоны малых скоростей,
а контур переходного участка огневой поверхности стенки от задней кромки пояса до исходного контура огневой поверхности камеры выполнен в виде плавной поверхности, например конической поверхности с углом пересечения огневой поверхности исходного контура камеры, выбираемым в зависимости от давления в камере сгорания и места расположения пояса завесы, в пределах 3 - 30^o.

5. Устройство завесного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, выполненное в виде щелевого пояса завесы, подающего жидкий охладитель на огневую поверхность стенки камеры, содержащего элементы равномерного распределения расхода охладителя по периметру пояса и его закрутки вокруг оси камеры, отличающееся тем, что в этом поясе завесы имеется кольцевой коллектор с наклонными входными распределяющими и закручивающими поток жидкого охладителя отверстиями или каналами, переходящий в выходную щель, перпендикулярную огневой поверхности стенки камеры или наклоненную по потоку газа, имеющую гладкие переднюю и заднюю стенки, расстояние между которыми в несколько раз больше, чем высота h_р газодинамического редана, образуемого прикромочной частью передней стенки выходной щели, определяемая как расстояние от передней кромки пояса, являющейся линией пересечения огневой поверхности стенки камеры с передней стенкой выходной щели, до задней кромки пояса, являющейся линией пересечения задней стенки этой щели с огневой поверхностью переходного участка стенки камеры, в направлении, перпендикулярном огневой поверхности стенки камеры в сечении передней кромки пояса, и рассчитываемая по формуле
h_p= δ_ж.пл+Δ_к.р,
где δ_ж.пл - толщина формируемой поясом завесы жидкой пленки;
Δ_к.р - увеличение высоты зареданного пространства, компенсирующее отклонение газового потока, вызванное распылом жидкого охладителя в пределах протяженности зоны малых скоростей,
а контур переходного участка огневой поверхности стенки от задней кромки пояса до исходного контура огневой поверхности камеры выполнен в виде плавной поверхности, например конической поверхности с углом пересечения огневой поверхности исходного контура камеры, выбираемым в зависимости от давления в камере сгорания и места расположения пояса завесы, в пределах 3 - 30^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7