КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 1995 года по МПК F02K9/52 F02K9/62 

Изобретение относится к устройствам для распыливания и сжигания самовоспламеняющихся компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРДМТ).

Известна камера сгорания с форсуночной головкой, состоящей из центробежной форсунки, установленной в корпус головки, и струйных форсунок, направленных на стенку камеры [2]
Недостатками схемы смесеобразования данной конструкции являются невозможность обеспечения высокой степени полноты сгорания компонентов топлива при небольшой приведенной длине камеры (L_пр) из-за невозможности добиться организации удовлетворительных подготовительных процессов (смещение, испарение, воспламенение), особенно смешения в жидкой фазе; сложность обеспечения удовлетворительного теплового состояния камеры сгорания и сопла при высокой полноте сгорания из-за отсутствия специальных мер по охлаждению их.

Наиболее близкой к предлагаемой является камера ЖРДМТ, состоящая из камеры и смесительной головки с двумя соосными центробежными форсунками окислителя и горючего. Охлаждение камеры регенеративное.

Недостатками данной конструкции являются потребность в большой величине приведенной длины камеры сгорания (L_пр), так как горение в основном происходит на стенке камеры, а не в ядре потока (как, например, в схемах смесеобразования со сталкивающимися струями);
затянутый во времени запуск (τ_0,9) до 250 мс за счет того, что столкновение окислителя и горючего происходит на стенке камеры сгорания на большом удалении от днища головки и за счет большого времени, необходимого для завершения подготовительных процессов (смешение, испарение, воспламенение, сгорание);
затянутый по времени останов (τ_0,1) до 200 мс за счет времени, необходимого для опорожнения камеры с большой приведенной длиной от продуктов сгорания;
потребность в больших значениях входных давлений в двигатель, особенно по полости окислителя из-за значительных потерь на трение при течении его по конической и цилиндрической поверхностям камеры до встречи с горючим, а также отсутствие внутреннего охлаждения стенок камеры сгорания (кроме начального участка, омываемого окислителя) и сопла вынуждает прибегнуть к регенеративному охлаждению камеры, что, кроме технологических сложностей по изготовлению, обслуживанию и ремонту двигателя, приводит к перегреву мягких уплотнений в клапанных парах электроклапанов и электроклапанов в целом, к которым подводится нагретый в рубашке охлаждения компонент топлива. Кроме того, необходимо отмерить недостаток регенеративного охлаждения, заключающегося в том, что оно не эффективно (и даже опасно) в ЖРДМТ при работе на малых командах включения, когда скорость движения охлаждающего компонента по рубашке настолько мала, что компонент перегревается до состояния кипения и испарения. Пар, поступая в камеру, резко меняет режим горения топлива. При этом нарушается соотношение компонентов топлива, что может привести к перегреву стенок камеры, возможно и к прогару, в итоге выход двигателя из строя. Поэтому приходится программу работы ЖРДМТ по возможным временам включения (τ_вкл) ограничивать (т. е. исключать отдельные режимы работы по τ_вкл), что крайне нежелательно для объекта, на который устанавливается ЖРДМТ.

Целью изобретения является улучшение смесеобразования за счет применения струйных форсунок в сочетании с двухкомпонентной соосной центробежной форсункой и обеспечение удовлетворительной тепловой защиты стенок камеры сгорания и сопла при высокой степени полноты сгорания компонентов топлива.

Это достигается применением камеры сгорания, в смесительной головке которой выполнены две центробежные соосно установленные одна в другую форсунки окислителя и горючего и серия струйных форсунок, равномерно расположенных на периферии, запитанных от коллектора наружной центробежной форсунки и направленных в сторону сопла, причем проекции осей струйных форсунок на плоскость днища смесительной головки перпендикулярны радиусу, на котором расположены выходы этих форсунок.

На фиг. 1 показана камера сгорания, разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1.

Камера сгорания состоит из корпуса смесительной головки 1, подводящего канала 2 окислителя, подводящего канала 3 горючего, коллектора 4 окислителя, коллектора 5 горючего, втулки 6 с камерой закручивания 7, соплом 8 и тангенциальными отверстиями 9, шнекового завихрителя 10, камеры закручивания 11, сопла 12, струйных форсунок 13, камеры 14.

Предлагаемая камера сгорания работает следующим образом.

Окислитель по подводящему каналу 2 поступает в кольцевой коллектор 4, образованный втулкой 6 и корпусом головки 1, где распределяется часть окислителя (≈37% ) идет через струйные форсунки 13 на охлаждение стенок камеры и сопла, остальной окислитель через тангенциальные отверстия 9 в камеру закручивания 7, где выравнивается по толщине пелены и через сопло 8 выходит в полость камеры 14 в виде полого конуса до встречи с горючим. Горючее по подводящему каналу 3 поступает в коллектор 5 (образованный завихрителем 10 и корпусом головки 1) и далее через винтовые канавки шнекового завихрителя 10 в камеру закручивания 11, где выравнивается по толщине пелены, и через сопло 12 в полость камеры 14 в виде полого конуса до встречи с таким же конусом окислителя. При одновременном истечении окислителя и горючего в полость камеры 14 из пространства, заключенного между конусами распыла этих компонентов, эжектируется газ и за счет давления в камере на наружную поверхность конуса окислителя и внутреннюю поверхность конуса горючего указанные конуса схлопываются (сливаются) в непосредственной близости от днища смесительной головки начинается перемешивание компонентов в жидкой фазе. После схлопывания суммарный конус окислителя и горючего начинает рваться и дробиться на капли, летящие к стенке камеры. При этом капли образуют как бы поверхность в виде полого конуса, капли по пути к стенке камеры, преодолевая плотную среду горячих газов, теряют часть своей массы из-за уноса и испарения, а мелкие капли успевают испариться. В итоге уносится часть окислителя и горючего, участвующая в горении в ядре потока, вызывая увеличение полноты сгорания, остальная же часть окислителя и горючего падает в виде капель на стенку камеры, где продолжается перемешивание, испарение и на некотором удалении от места падения начинается воспламенение.

Струйные форсунки, сталкиваясь с суммарным конусом окислителя и горючего после разрыва его на капли, пронизывают его, летят на стенку камеры, на которой, растекшись, образуют пелену окислителя в виде чередующихся широких полос. Широкие полосы следствие закрученности струй из-за падения на вогнутую поверхность камеры (см. "плечо закрутки" на фиг. 2). Так создается завеса, охлаждающая камеру, докритическую, критическую и частично закритическую часть сопла. Остальная часть камеры (участок между днищем головки и фронтом встречи струй с камерой см. фиг. 1) охлаждается жидким топливом, а также продуктами разложения и испарения его.

Необходимо отметить то обстоятельство, что струи, пронизывая суммарный конус окислителя и горючего, увлекают за собой в зону ядра потока часть компонентов топлива (в виде капель, образующихся от дробления схлопнувшихся конусов распыла), которая сгорает в ядре потока, вызывая повышение полноты сгорания топлива. Кроме того, струи по пути к стенке камеры частично распадаются от воздействия на нее плотной среды горячих продуктов сгорания (мелкодисперсная фракция спутных капель отрывается от струй), частично испаряются. Оторвавшиеся спутные капли и испарившийся окислитель остаются в ядре потока и участвуют в горении, что также вызывает повышение полноты сгорания в камере.

Подбором доли окислителя, направляемого для охлаждения камеры, и количеством струйных форсунок можно регулировать степень полноты сгорания компонентов топлива (ϕ_β) и тепловое состояние камеры и сопла. Увеличение доли завесы (>37%) от суммарного расхода окислителя) приводит к лучшему охлаждению, но одновременно снижает полноту сгорания. Уменьшение доли завесы (<37%) приводит к ухудшению охлаждения, одновременно увеличивая полноту сгорания.

В отличие от прототипа изобретение позволяет улучшить смесеобразование за счет эффектов, связанных с переносом части компонентов топлива из суммарного конуса распыла и струй, и сгорания этой части в ядре потока, а не на стенке, а также обеспечить удовлетворительное тепловое состояние камеры, докритической, критической и частично-закритической части сопла при высокой степени полноты сгорания компонентов топлива без применения регенеративного охлаждения.

Изобретение относится к устройствам для распыливания и сжигания самовоспламеняющихся компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРД МТ). Целью изобретения является улучшение смесеобразования и охлаждения камеры. В камере сгорания ЖРД МТ, содержащей корпус 14 и смесительную головку 1 с двухкомпонентной центробежной форсункой 8, в которой наружная 7 и внутренняя 11 полости соединены соответственно с коллекторами 4 и 5 компонентов топлива, выполнен ряд струйных форсунок, вход в каждую из которых соединен с коллектором 4, при этом проекция оси каждой струйной форсунки на плоскость головки перпендикулярна радиусу, на котором расположен ее выход. 3 ил.

КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ, содержащая корпус и смесительную головку с размещенной по оси двухкомпонентной центробежной форсункой, наружная и внутренняя полости которой соединены с коллекторами соответствующих компонентов, отличающаяся тем, что, с целью улучшения смесеобразования и охлаждения камеры, в смесительной головке выполнен ряд равномерно расположенных по окружности струйных форсунок, вход в каждую из которых сообщен с наружным коллектором центробежной форсунки, причем проекция оси каждой струйной форсунки на плоскость смесительной головки перпендикулярна радиусу, на котором расположен ее выход.