СПОСОБ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОГО ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/52 F02K9/60 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при организации смесеобразования в пристеночной зоне камеры кислородно-водородного ЖРД.

В камерах кислородно-водородных ЖРД широко применяется организация смесеобразования, основанная на соосно-струйной подаче водорода (либо восстановительного генераторного газа) вокруг струи жидкого кислорода.

По данному принципу организованно смесеоборазование в камерах сгорания килородно-водородного ЖРД США (например, М-1, J-2, SSME и др.), т.е. применяются соосно-струйные коаксиальные двухкомпонентные форсунки.

Специальными исследованиями получено, что соотношение компонентов продуктов сгорания у стенки камер в зонах, расположенных полосами, напротив каждой периферийной форсунки, на 30-35% превышает его среднее значение, т.е. соотношение компонентов, на котором работает форсунка. А соотношение компонентов продуктов сгорания между форсунками значительно меньше среднего значения. Наличием такой неравномерности объясняется изменение цвета огневой стенки после испытаний, а в некоторых случаях появление пролизов, расположенных напротив периферийных соосно-струйных коаксиальных форсунок. Это подтверждает то, что у стенки камеры существует окружная и продольная неравномерность продуктов сгорания.

В пристеночной зоне камеры смесеобразование организуют таким образом, чтобы у стенки камеры состав продуктов сгорания не превышал его расчетное значение (Kpпс

). Это связано с требованиями к обеспечению надежного охлаждения. При наличии неравномерности продуктов сгорания одним из способов, обеспечивающих соотношение компонентов продуктов сгорания у стенки камеры, не превышающее его расчетное значение (Khпс), является снижение соотношение компонентов на периферийных форсунках (данный способ реализован, например, в устройстве, описанным в книге "Жидкостные ракетные двигатели" М.В.Добровольского, М. Машиностроение, 1984). Но данный способ приводит к снижению экономичности двигателя. Так, например, для О₂ + H₂ - ЖРД типа SSME снижение компонентов на периферийных форсунках с Kaм= 6 до Kaм = Kchпс = 4,5 (что обеспечивает максимальное значение соотношения компонентов продуктов сгорания в пристеночном слое напротив форсунки K'&y&пс приблизительно 6) приведет к снижению удельного импульса на приблизительно 15 м/с.

Следует отметить, что наличие окружной неравномерности само по себе приводит к снижению экономичности.

Известен способ организации смесеобразования в пристеночной зоне камеры, основанный на снижении среднего соотношения компонентов в пристеночной зоне (Алемасов В. Е. и др. Теория ракетных двигателей. М. 1980, с.285 прототип). Реализация такого способа находит отражение в различных устройствах жидкостных и газовых завес, устанавливаемых в одних случаях в охлаждающем тракте камеры, в других на смесительной головке в виде равномерно расположенных отверстий либо щели.

Данный способ имеет следующие недостатки.

Не устраняет неравномерность соотношения компонентов продуктов сгорания у стенки камеры, значение которого может превышать среднее значение в 1,3-1,35 раза.

Приводит к значительному снижению экономичности работы камеры. Так, для камеры сгорания типа камеры двигателя США SSME потери удельного импульса тяги составляет величину ΔIgуд

7-15 м/с.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение экономичности камеры.

Данная цель достигается тем, что при организации смесеобразования в пристеночной зоне камеры, основного на совместной подаче от головки у стеки камеры компонентов топлива в виде кольцевых струй восстановительного газа вокруг струй жидкого кислорода, у стенки камеры напротив каждой струи кислорода и параллельно ей подается водород с расходом 1,6-3,8% от суммарного расхода струи генераторного газа, струи кислорода и расхода водорода у стенки, причем скорость подачи водорода выше скорости подачи генераторного газа.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в устранении превышения над средним расчетным значением соотношения компонентов продуктов сгорания у стенки камеры, это повышает экономичность работы камеры за счет улучшения процесса смесеобрзования. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность предложенного способа реализована в устройстве камеры сгорания, форсуночная голова которой содержит двухкомпонентные соосно-струйные коаксиальные форсунки.

На фиг. 1 изображен вид смесительной головки со стороны критического сечения; на фиг. 2 продольный размер по диаметральной оси камеры; на фиг. 3 расчетные зависимости удельного пустотного импульса тяги от отношения компонентов на периферийных форсунках; на фиг. 4 экспериментальная зависимость коэффициента камеры от относительной величины расхода водорода через каналы у стенки камеры; на фиг. 5 экспериментальные зависимости относительных значений соотношения компонентов продуктов сгорания у стенки камеры от относительной продольной координаты; на фиг. 6 то же, напротив форсунки у стенки от относительной величины расхода водорода у стенки; на фиг. 7 то же, напротив форсунки от относительной ширины струи водорода у стенки.

На фиг. 7 приняты следующие образцы:
Igуд

удельный пустотный импульс тяги;
Φ_к коэффициент камеры;
Kaпс соотношение компонентов на периферийных форсунках;
Khпс расчетное соотношение компонентов продуктов сгорания у стенки камеры;
K'пс экспериментальное (измеренное) значение соотношения компонентов продуктов сгорания;
K'yпс экспериментальное значение соотношения компонентов продуктов сгорания напротив форсунок;
K'vпс экспериментальное значение соотношения компонентов сгорания между форсунками;
относительное значение соотношения компонентов;
δ ширина струи водорода;
d_o диаметр струи кислорода;
относительная ширина струи водорода;
l_i расстояние от смесительной головки до рассматриваемого сечения камеры;
t_ф шаг между периферийными форсунками;
продольная относительная координата;
относительный расход водорода, подаваемого у стенки, напротив окислительной струи, на участке с относительной шириной .

Величина определяется как отношение

где расход водорода, подаваемый у стенки напротив струи окислителя (через каналы 5);
суммарный расход компонентов топлива из расчета на одну форсунку, определяемый как

где расход компонентов топлива через форсунку.

Предлагаемый способ организации смесеобразования реализован в устройстве камеры сгорания (к.с.), содержащей смесительную головку с установленными на периферийном ряду у стенки 1 двухкомпонентными соосно-струйными форсунками, каждая из которых состоит из струйной форсунки окислителя 2, соосно входящей в форсунку горючего 3. Между стенкой 1 и каждой периферийной форсункой на участке, ширина которого не превышает диаметр окислительной струи (d₀), в огневом днище 4 симметрично диаметральной оси камеры, проходящей через продольную ось периферийной форсунки, выполнены каналы 5 (на фиг. 1 показаны три варианта выполнения этих каналов, отверстия которых не выходят за пределы участка шириной d₀).

При работе кислородно-водородного ЖРД через форсунку окислителя 2 в камеру сгорания подается жидкий кислород и по кольцевому каналу, образованному форсункой окислителя 2 и форсункой горючего 3, восстановительный генераторный газ. Через каналы 5 в полость камеры подается водород.

На фиг. 3 даны расчетные зависимости Igуд

= f(Kpпс) для камеры с геометричной степенью расширения сопла 89, работающей на среднем соотношении компонентов 6. Приведены две зависимости:
зависимость а) дана для камер, в которых через периферийные форсунки подается 10% от суммарного расхода топлива;
зависимость б) 20% от суммарного расхода топлива.

На фиг. 5 показаны экспериментальные зависимости продольного распределения относительного соотношения компонентов продуктов сгорания у стенки камеры сгорания 1 при подаче водорода через каналы 5 по предлагаемому способу (зависимости ∂ и k) и без подачи (зависимости b и k). Как видно из этого рисунка, имеет различные по характеру зависимости для образующих к.с. расположенных напротив периферийных форсунок (, зависимости b и ∂) и между ними ( зависимость k). Без подачи водорода по изобретению на расстоянии 7-9 от смесительной головки значения (зависимость b) в 1,3-1,35 раза превышают 1. Это связано с особенностью смесеобразования соосно-струйной форсунки у стенки камеры сгорания. При подаче водорода по предлагаемому способу через каналы 5 с расходом более > 0,016 значения (зависимость ∂) становятся меньшими либо близкими к Kpпс

.

Как видно из фиг. 5, например, при соотношении компонентов на периферийных форсунках Kaпс

=Khпс= 4,5 (если не подавать водород через каналы 5, см. фиг. 1, 2), экспериментальные значения соотношения компонентов напротив форсунок достигнут величины 1,33•4,5 6. Причем для конкретного случая 6 и 85,7 удельный пустотный импульс тяги снизится соответственно на 7 и 15 м/с (см. фиг. 3, зависимости а и б).

На фиг. 6 показано влияние относительного расхода водорода на величину значений Для величин расхода 0,016-0,038 при подаче водорода на участке ≅ 1 значения становится близкими 1.

На фиг. 7 показано влияние на ширины участка, на котором располагаются каналы 5. Так, при минимальном значении расхода водорода 0,016-0,018 значения становятся близкими либо меньшие при , т. е. когда ширина участка δ< d_o.

Однако при увеличении >0,04, как видно из экспериментальной зависимости , приведенной на фиг. 4, экономичность камеры значительно уменьшается.

Таким образом, для достижения положительного эффекта, заключающегося в получении значений соотношения компонентов продуктов сгорания у стенки камеры (K'пс

) со значениями, не превышающими Khпс (т.е. ), достаточно подать расход водорода от суммарного расхода компонентов топлива через периферию камеры, который включает расход компонентов топлива через периферийный ряд форсунок и расход водорода через каналы.

При таком расходе водорода не происходит снижения экономичности работы камеры, так как данное количество водорода успевает полностью перемещаться с массой продуктов сгорания, поступившей через периферийный ряд форсунок. Причем для минимального расхода водорода необходимо выдержать соотношение 0,3-0,7, а в целом .

На значение Kэпс

оказывает влияние скорость подачи через каналы 5. Данный вопрос исследовался на модельной камере кислородно-водородного стендового ЖРД. Скорость подачи водорода изменялась от =140 м/с до =1100 м/с. Скорость поступления генераторного газа из периферийной форсунки составляла W_гг=300-400 м/с. Положительный эффект, заключающийся в устранении превышения значений Kэнпс над Kpпс для малых расходов водорода начинает проявляться с 250-300 м/c. Существование "порога" скорости , ниже которой не достигается положительный эффект, можно объяснить существованием у огневого днища рециркуляционной зоны, в которой скорость обратных токов приближается к скоростям подачи генераторного газа.

Для того, чтобы преодолеть рециркуляционную зону, струя водорода должна подаваться спутно струе генераторного газа и должна обладать достаточным запасом количества движения, что в данном случае выражено в назначении минимальной скорости подачи водорода =300-400 м/c (так как значения плотности водорода и генераторного газа близки между собой). Таким образом, водород через каналы 5 необходимо подавать со скоростью, большей скорости генераторного газа из периферийных форсунок
Для использования рассматриваемого предложения на устройствах, работающих на других компонентах, целесообразно применять вместо скорости количество движения, т.е. ρW_зав≥ ρW_гг где ρ плотность.

Расположение каналов 5 у стенки 1 напротив окислительной форсунки 2 в дополнение к тому, что позволяет направить водород по кратчайшему расстоянию в зону с завышенным значением , находится в месте с минимальной интенсивностью обратных токов.

Практически при использовании изобретения расход водорода и соотношение компонентов на периферийных форсунках определяется следующим образом.

1. Задаются расчетным значением Kpпс

и суммарный расход компонентов из расчета на одну форсунку
2. Определяется расход водорода через каналы 5
.

3. Определяется суммарный расход водорода
.

4. Определяется расход кислорода через форсунку
.

5. Определяется расход водорода через форсунку
.

6. Определяется соотношением компонентов на периферийных форсунках
.

Организация смесеобразования в пристеночной зоне камеры с использованием изобретения позволит для камер типа камеры двигателя США SSME уменьшить потери удельного импульса тяги на 7-15 м/с (фиг. 3).

На фиг. 4-7 приведены зависимости, построенные на экспериментальном материале, полученном при испытании к₀с. стендового кислородно-водородного ЖРД тягой приблизительно 30 Кн, приведенная длина которой составляла величину l_пр=100 см и время прибывания τ = 0,001 сек.

В соответствии с долговременностью об изменении объекта изобретении на экспертном совете от 23.01.86. с участием экспертов С.Л.Бермана и Е.С.Завидоновой просим сохранить по первоначально поданной заявке.

Использование: в ракетной технике. Сущность изобретения: способ смесеобразования в камере сгорания кислородноводородного жидкостного ракетного двигателя основан на совместной подаче водорода и компонентов топлива в виде кольцевых струй восстановительного генераторного газа вокруг струй кислорода в пристеночную зону камеры. Водород подают напротив каждой струи кислорода параллельно ей со скоростью, большей либо равной скорости кольцевой струи генераторного газа, и расходом, равным 0,016-0,038 от суммарного расхода кольцевой струи генераторного газа, струи кислорода и расхода водорода. 7 ил.

Способ смесеобразования в камере сгорания кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя, основанный на совместной подаче в пристеночную зону камеры водорода и компонентов топлива в виде кольцевых струй восстановительного генераторного газа вокруг струй кислорода, отличающийся тем, что водород подают напротив каждой струи кислорода, параллельно ей со скоростью, большей либо равной скорости кольцевой струи генераторного газа и с расходом, равным 0,016 0,038 от суммарного расхода кольцевой струи генераторного газа, струи кислорода и расхода водорода.