Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя
Владельцы патента RU 2410558:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), в частности, для безгенераторных ЖРД, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде. Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя содержит внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения. На внутреннюю профилированную оболочку установлена профилированная наружная оболочка и скреплена с ней. На внутренней поверхности внутренней оболочки, со стороны камеры сгорания, выполнены дополнительные ребра. Высота и толщина дополнительных ребер не превышает толщины стенки донной части канала. Изобретение обеспечивает улучшение условий теплообмена между продуктами сгорания и охладителем. 2 ил.
Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), в частности, для безгенераторных ЖРД, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.
Известен тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, имеющими трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами, примыкающими к внутренней поверхности оболочки, профилированную наружную оболочку, установленную на внутренней и скрепленную с ней (М.В.Добровольский и др. "Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", Москва, "Высшая школа", 1968, рис.4.26.г., стр.166-167 - прототип).
В указанном тракте охлаждения охладитель подается между ребрами, выполненными на тыльной стороне оболочки. Рабочая поверхность, обращенная к источнику тепла, в данном случае взаимодействующая с продуктами сгорания, выполнена гладкой цилиндрической. Продукты сгорания, контактируя с рабочей поверхностью, отдают ей тепло. За счет теплопроводности металла тепло от оболочки передается на ребра тракта охлаждения, которые омываются охладителем. Охладитель, проходя через каналы охлаждения, контактирует с поверхностями ребер и тыльной стороной оболочки и при этом, нагреваясь сам, охлаждает ребра и внутреннюю рабочую поверхность внутренней оболочки.
При такой конструкции тракта охлаждения необходимо подобрать оптимальную толщину рабочей огневой стенки, ребер и площадь поверхности теплообмена. С одной стороны, с утонением огневой рабочей стенки улучшаются условия теплообмена, с другой - толщина стенки ограничена условиями прочности и изготовления. Увеличение количества ребер ведет к улучшению условий теплопередачи, но, в то же время, приводит к загромождению тракта, что увеличивает гидравлическое сопротивление тракта охлаждения и ведет к увеличению мощности насоса для подачи охладителя в тракт охлаждения.
При использовании данного тракта охлаждения в двигателях, работающих по безгенераторной схеме, не обеспечивается требуемый теплосъем с поверхности камеры сгорания. Охладитель, который затем используется для привода турбины ТНА, не нагревается до заданной температуры, что приводит к снижению эффективности работы турбины и всего турбонасосного агрегата в целом.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание тракта охлаждения, конструкция которого позволит улучшить условия теплообмена между продуктами сгорания и охладителем.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном тракте охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащем внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, профилированную наружную оболочку, установленную на внутреннюю и скрепленную с ней, согласно изобретению на внутренней поверхности внутренней оболочки, со стороны камеры сгорания, выполнены дополнительные радиальные ребра.
Наиболее оптимальные условия по теплопередаче и охлаждению достигаются в случае, когда высота и толщина дополнительных радиальных ребер не превышает толщины стенки донной части канала. Дальнейшее увеличение геометрических размеров выше указанных пределов ведет к ухудшению условий теплосъема, обгоранию и оплавлению дополнительных ребер.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный осевой разрез камеры сгорания, на фиг.2 - поперечное сечение тракта охлаждения.
Во внутренней профилированной оболочке 1 выполнены основные ребра 2 постоянной толщины, образующие каналы 3 тракта охлаждения. Каналы 3 имеют трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами 4, примыкающими к внутренней поверхности оболочки. На внутренней поверхности внутренней оболочки 1 выполнены дополнительные радиальные ребра 5. На внутреннюю профилированную оболочку 1 установлена и скреплена с ней наружная профилированная оболочка 6.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При работе камеры ЖРД продукты сгорания компонентов топлива движутся вдоль стенки внутренней оболочки 1 и передают ей тепло. За счет теплопроводности прогревается вся стенка, включая ребра 2. По каналам 3 тракта охлаждения поступает охладитель, который омывает ребра 2 и дно канала 3. Охладитель, имея температуру ниже температуры ребер и дна канала, отбирает у них тепло и нагревается сам.
Для улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к поверхности внутренней оболочки 1 и ребрам тракта охлаждения 2, на внутренней поверхности внутренней оболочки, выполнены радиальные ребра 5. В этом случае, за счет разрушения пограничного слоя и интенсификации теплообмена, часть тепла будет отбираться у продуктов сгорания при помощи указанных радиальных ребер, установленных в потоке.
Проведенные авторами теоретические и экспериментальные работы показали, что выполнение тракта охлаждения камеры ЖРД указанным образом позволит увеличить теплосъем с поверхности ориентировочно на 5-15%, в зависимости от конструкции камеры и условий ее работы.
Тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, профилированную наружную оболочку, установленную на внутреннюю и скрепленную с ней, при этом на внутренней поверхности внутренней оболочки, со стороны камеры сгорания, выполнены дополнительные ребра, отличающийся тем, что высота и толщина дополнительных ребер не превышает толщины стенки донной части канала.
