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

Описание патента на изобретение RU2041375C1

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 (Lпр) 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 (Lпр), 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 (τ0,9) 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 (τ0,1) 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 (τвкл) ограничивать (т. е. исключать отдельные режимы работы по τвкл), 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 (ϕβ) 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.

Похожие патенты RU2041375C1

название год авторы номер документа
КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ 1999
  • Иванов В.Н.
RU2217620C2
СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА 1999
  • Иванов В.Н.
RU2191913C2
КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ 2000
  • Казанкин Ф.А.
  • Кутуев Р.Х.
  • Ларин Е.Г.
  • Мезенин П.Б.
RU2192555C2
КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ 2013
  • Андреев Юрий Захарович
RU2572261C2
КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ 2004
  • Андреев Юрий Захарович
RU2288370C2
КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ 2012
  • Андреев Юрий Захарович
RU2558489C2
СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ 2000
  • Казанкин Ф.А.
  • Кутуев Р.Х.
  • Ларин Е.Г.
  • Мезенин П.Б.
RU2192556C2
СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА 1998
  • Иванов В.Н.
RU2191914C2
СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ 2013
  • Агеенко Юрий Иванович
  • Панин Игорь Геннадьевич
  • Пегин Иван Вячеславович
  • Смирнов Игорь Александрович
RU2535596C1
Способ организации рабочего процесса в жидкостном газогенераторе 2018
  • Кутуев Рашит Хурматович
  • Салич Леонид Васильевич
RU2724067C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 041 375 C1

Реферат патента 1995 года КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ

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.

Формула изобретения RU 2 041 375 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1995 года RU2041375C1

Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Состояние и развитие иностранных ЖРД МТ и ДУ космических летательных аппаратов под ред
Е.Г.Любарского и В.А.шерстянникова, 1978, с.33.

RU 2 041 375 C1

Авторы

Андреев Ю.З.

Ермолович Е.И.

Ларин Е.Г.

Даты

1995-08-09Публикация

1990-02-28Подача