Изобретение относится к форсунке с концентрическими щелями, а также к элементу вспрыска, причем эта форсунка предназначена для применения в системе сгорания ракетного двигателя, а именно как в движущих (пропульсивных) камерах или камерах сгорания газогенераторов.
Форсунка включает один или несколько элементов вспрыска, обеспечивающих питание органа сгорания одними или несколькими эрголями (ракетными топливами), необходимыми для его работы, таким образом, чтобы смесь, образованная этими эрголями, реализовывалась полностью и быстро, чтобы обеспечить однородное и стабильное сгорание.
В рамках двигателей с эрголями, содержащими криоген, обычно отталкиваются от форсунок, применяющих элементы вспрыска с коаксиальными (соосными) струями. Однако такая система вспрыска не приспособлена для всех условий работы, и в частности, она быстро демонстрирует свои пределы, не обеспечивая удовлетворительные результаты, когда искали высоких результатов при инжекции очень большого количества эрголя. Таким образом с такой системой нельзя рассчитывать на значительный выигрыш в стоимости.
Наоборот, геометрия форсунки, описанной в отчете НАСА "Некольцевые дросселирующие отверстия (щели) и передовая технология производства для форсунок жидкостных ракетных двигателей", опубликованная в журнале (НАСА СР 134315, май 1974), позволяет предусмотреть работу с высокими расходами топлива, причем различные элементы вспрыска в самом деле имеют конструкцию с прямоугольными щелями, результаты и характеристика которой не зависят от вспрыскиваемого расхода топлива. Однако эта геометрия не является полностью удовлетворительной, т.к. не может быть выполнена просто, при этом введение, интеграция этих элементов в форсунку является особенно сложной, и, кроме того, результаты, которые при этом получают, значительно ухудшены из-за неполного смешивания, происходящего на концах этой щели, в связи с избыточным присутствием в этом месте водорода по отношению к кислороду.
Патент US-A-3 446024 описывает способ, как уничтожить этот эффект на концах, при изготовлении кольцеобразного элемента вспрыска, а не прямоугольного. Однако геометрия, раскрываемая этим документом, ограничивает возможности располагать несколько элементов вспрыска на уровне одной и той же форсунки (инжектора), а питание эрголем различных слоев не позволяет гарантировать идентичные дебиты для этих эрголей, т.е. в конечном счете качественное поступление, а следовательно, хорошее сгорание.
Настоящее изобретение имеет целью - устранить эти недостатки известного уровня техники, применяя новую конструкцию форсунки с параллельными уровнями, обеспечивающими высокие результаты даже при очень высоких расходах. Другой целью изобретения является простая форсунка с весьма ограниченным количеством деталей, обеспечивающих, следовательно, более низкую стоимость производства по отношению к стоимости форсунок известного уровня техники. Еще другой целью изобретения является получение надежной форсунки без риска образования утечек, которые являются источниками нежелательного смешивания эрголей или образовании горячих, опасных точек, которые являются причиной износа, появления дефектов в органах сгорания.
Эти цели достигаются с помощью форсунки (инжектора) с параллельными уровнями, снабженной корпусом, поворачивающимся вокруг оси симметрии, в который вставлен соосно, по меньшей мере, один кольцевой элемент инжекции (вспрыска), включающий центральную кольцевую щель вспрыска, окруженную двумя другими кольцами щелями вспрыска, причем эта форсунка отличается тем, что указанная центральная кольцевая щель питается вторым эрголем, попадающем на верх элемента вспрыска справа от этой центральной щели, а указанные другие кольцевые щели питаются первым эрголем, попадающим на основание элемента вспрыска с обоих сторон от центральной щели и пересекая кольцевую полость усреднения, гомогенизации, на которую он вытекает, и кольцевым щелям, окружающим центральную щель вспрыска.
Питание элемента вспрыска первым эрголем осуществляется из центральной полости и, по меньшей мере, одной другой кольцевой полости, расположенных на входе и на основании этого элемента вспрыска и питаемых их стволов, расположенных параллельно оси симметрии и вытянутых, простирающихся от полости питания эрголем соответственно по одному или нескольким концентрическим ободам (венцам). Кроме того, питание этого элемента вспрыска вторым эрголем осуществляется из, по меньшей мере, одной кольцевой полости, расположенной на входе и на верху этого элемента вспрыска и питаемой из каналов, расположенных перпендикулярно оси симметрии и вытянутых радиально от торца питания эрголем. Предпочтительно, чтобы тор насаживался коаксиально на корпус форсунки. Каналы и стволы (трубки) имеют определенные размеры и число, так чтобы скорость циркуляции эрголей в щелях вспрыска различных инжекторов была одинакова.
Преимуществом является то, что форсунка отделена от органа сгорания, с которым она соединена через центральную стенку, и, по меньшей мере, одну другую стенку, неподвижно удерживаемых, закрепленных между элементами вспрыска и корпусом форсунки. Центральная стенка может быть привинчена к концу элемента вспрыска или только образовывать одну деталь (отливку) с элементом вспрыска.
В предпочтительной реализации изобретения форсунка содержит два концентрических кольцевых элемента вспрыска. При такой конфигурации удерживание промежуточной разделительной стенки может быть усилено присутствием колонн, жестко соединенных с корпусом форсунки и равномерно распределенных на ее нижнем конце.
С помощью такого строения эрголи подаются к щелям вспрыскивания со скоростью небольшой и одинаковой для каждой щели, чтобы не образовывать различных потерь напоров для разных точек вспрыска и таким образом гарантировать постоянный расход эрголя в каждой точке щели вспрыскивания. Кроме того, циркуляция эрголи вдоль разделительных стенок камеры позволяет избежать чрезмерного перегрева стенок.
Предпочтительно, чтобы корпус форсунки включал, кроме того, кольцевое пространство, выходящее на уровне разделительных стенок в камеру органа сгорания, чтобы создать интегрированную зону резонанса, позволяющую гарантировать стабильность сгорания.
Каждый из элементов вспрыска, предназначенный для применения в форсунке, согласно изобретения включает внешнее концентрическое кольцо и внутреннее концентрическое кольцо, между которыми располагается внешне сходящаяся кольцевая часть, жестко соединенная с верхней деталью, образующей крышку и закрывающей эти два кольца, внутреннее пространство, расположенное между этими кольцами и верхней частью с обоих сторон кольцевой части, обеспечивающей усреднение, однородность первого эрголя. Это внутреннее пространство перегорожено стенками определенных размеров, позволяющими обеспечить потери напора, необходимые для контроля расхода этого эрголя.
Эти внешние и внутренние кольца имеют каждая сходящуюся, конвергирующую стенку, расположенную против внешне сходящейся кольцевой части, причем два пространства постоянного размера поддерживаются между этими стенками и кольцевой частью, чтобы образовать кольцевые щели вспрыска первого эрголя. Кроме того, сходящиеся стенки внутренних и внешних колец продлены каждая расходящимися стенками, чтобы образовать зону замкнутости, в которой производится смешивание эрголей. В этой замкнутой зоне водород (в случае смеси LH2/LOX) может сохранить всю свою скорость так, чтобы благоприятствовать распылению эрголей и обеспечить таким образом хорошее сгорание. Кроме того, пламя диффузора, образованное таким образом, будет подобным образом распространяться для каждого элемента инжекции, в частности с той же длиной пламени, обеспечивая таким образом наилучшую однородность газа сгорания.
Связь между кольцевыми щелями вспрыска и полостями обеспечивается калиброванными отверстиями, просверленными во внешних и внутренних ободах, образующих стенки элемента вспрыска. Кроме того, соединение между центральной щелью вспрыскивания и кольцевыми полостями обеспечивается калиброванными отверстиями, преимущественно продолговатой формы, просверленными в верхней детали этого элемента вспрыска.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 система вспрыскивания согласно изобретению соответственно разрезу II-II фиг. 2.
На фиг. 2 - вид согласно разрезу I-I фиг. 1.
На фиг. 3 элемент вспрыска с концентрическими щелями согласно изобретению.
На фиг. 4 и 5 вариантами деталей конструкции фиг. 1.
На фиг. 6 - внешний вид в двух вариантах камеры сгорания, снабженной конструкцией согласно изобретению.
Фиг. 1 представляет в разрезе систему вспрыска согласно изобретения. Эта система включает корпус 10, поворачивающийся вокруг оси симметрии 11, которая является также осью вращения органа сгорания, на котором установлена система вспрыска. Этот корпус предназначен иметь, по меньшей мере, один кольцевой элемент инжекции с параллельными слоями, который в него вставлен соосно и который состоит из трех кольцевых щелей впрыска: одна щель питается первым эрголем, а две другие щели, окружающие первую, питаемые вторым эрголем. В предпочтительном примере реализации корпус 10 формирован из трех отливок и включает два концентрических кольцевых элемента вспрыскивания 12, 14. Корпус 10 включает первую полость 100, предназначенную для обеспечения гемогенизации первого эрголя, который попадает в эту полость через отверстие 105, выполненное на верхнем конце этого корпуса на уровне его оси симметрии, и уходит через центральный ствол 110 и вспомогательные стволы 120, 130, просверленные на уровне кольцеобразных ободов 125, 135, расположенных между и вокруг кольцевых элементов вспрыска 12, 14. Центральный ствол 110 выполнен в центре корпуса 10, внутри кольца меньшего диаметра, образованного первым элементом вспрыска 12. Первая серия вспомогательных стволов 120 расположена на уровне первого обода 125, расположенного между двух кольцевых элементов вспрыска, тогда как вторая серия вспомогательных стволов 130 расположена на втором ободе 135 с диаметром больше первого обода и находящегося снаружи кольца, образованного вторым элементом вспрыска 14. Центральный ствол 110 выходит на круговое пространство 112, закрытое центральной стенкой 114 и вспомогательными стволами 120, 130, выходящими на кольцевые пространства 122, 132, закрытые кольцевыми стенками 124, 134 (комплекс, образующий торические, кольцеобразные полости), в которых производится по всей окружности форсунки усреднение эрголя перед его вводом в элементы вспрыска, откуда он выйдет, смешанный со вторым эрголем в направлении камеры сгорания 20.
Этот второй эрголь, доставляемый через тор 140 (питаемый эрголем через не представленный питающий трубопровод), насаженный на корпус 10 и выходящий в два горизонтальных канала одного и того же диаметра 150, которые пересекают вертикальные стволы 120, 130, питающие элементы вспрыска первым эрголем. Эти каналы, просверленные в корпусе 10 перпендикулярно его оси симметрии и вытянутые радиально, в первую очередь, выходят в кольцевую полость 160, предназначенную для усреднения по скорости эрголя перед его инжекцией во второй элемент вспрыска 14, затем некоторые из этих каналов продлены к другой кольцевой концентрической полости 170 от предыдущей, но меньшего диаметра и также предназначенной для усреднения скорости эрголя перед его вводом в первый элемент вспрыска 12.
Соединение форсунки с органом сгорания производится с помощью фланца 180, находящегося на нижнем конце корпуса 10, причем герметичность между этими двумя элементами обеспечивается, например, уплотнением 182, расположенным на этом фланце. Важно отметить, что это соединение должно оставлять кольцевое пространство 190, выходящее на уровне разделительных стенок на верх камеры сгорания 20, которая образует зону интегрированного резонатора для стабилизации сгорания. Кроме того, поддерживание промежуточной разделительной стенки 124 усиливается присутствием колонн 185, жестко соединенных с корпусом форсунки и равномерно распределенных на его нижнем конце (это усиление, конечно, бесполезно с единственным элементом вспрыска).
Фиг. 2 показывает более точно переплетение вертикальных стволов и горизонтальных каналов, позволяющих обеспечить доставку эрголей в элементы вспрыскивания. В представленном примере реализации доставка первого эрголя обеспечивается посредством, кроме центрального ствола 110, восемью стволами удлиненного сечения 120, равномерно распределенными на уровне первого обода 125, и восемьюдесятью стволами круглого сечения 130, равномерно распределенными на уровне второго обода 135. Важно отметить, что, чтобы обеспечить циркулирование эрголей с одной и той же скоростью в каждом из этих стволов, сечение центрального ствола должно быть больше, чем сечение ствола первого обода, который должен быть даже больше сечения стволов второго обода. Питание элементов вспрыскивания вторым эрголем производится, что касается его, через восемьдесят горизонтальных каналов 150, равномерно распределенных вокруг центрального ствола и выходящих в кольцевую полость 160, обеспечивающую питание второго элемента вспрыска, причем восемь из них продлены к кольцевой полости 170, питающей первый элемент вспрыскивания. Здесь, кроме того, должен быть определен диаметр различных каналов, чтобы обеспечить питание элементов вспрыска с одной и той же скоростью.
Фиг. 3 представляет радиальный разрез кольцевого элемента вспрыска, содержащего, с одной стороны, первое внешнее кольцо 201, окружающее второе внутреннее кольцо 202 с диаметром более малым, а с другой стороны, верхнюю кольцевую деталь 200, образующую крышку и располагающуюся на этих двух кольцах, образуя между ними и верхней деталью внутреннее кольцевое пространство 203. Верхняя кольцевая деталь 200 просверлена вдоль своего среднего диаметра параллельно оси симметрии, причем калиброванные щели 210 заканчиваются в центральной кольцевой щели вспрыска второго эрголя 212. Эта щель вспрыскивания образована в сходящейся наружу кольцевой части 214 этой верхней детали, располагаясь сквозь пространство 203 и попадая частично в сходящуюся часть, образованную внутренней стенкой 216 первого кольца и внешней стенкой 217 второго кольца, причем пространства постоянного диаметра 218, 219 для впрыскивания первого эрголя просто поддерживаются между этой частью 214 и стенками 216 и 217, находясь напротив нее. Кроме того, кольца 201 и 202 снабжены в продолжении этих сходящихся стенок сужающимися придатками 220 и 221, создающими между ними кольцевую зону замкнутости 228, в которой смешивание и впрыскивание эрголей производится в камере сгорания 20. С каждой стороны этих придатков в кольцах 201 и 202 просверлены калиброванные отверстия 222, 223, обеспечивающие доступ к внутреннему пространству 203, чтобы подвести первый эрголь к щелям вспрыскивания 218, 219. Кроме того, чтобы создать необходимые падения напора при контроле расхода эрголя, пространство 203 перегорожено стенками 234 и 225, соединенными соответственно с деталями 201 и 202, расположенными по обе стороны от сходящихся частей 216, 217 и образуя внутри пространства 203 четыре кольцевых камеры 230, 232, 234, 236.
Можно следующим образом проанализировать работу системы впрыскивания согласно изобретения. Чтобы сделать ясным изложение, допустим, что первый эрголь - это жидкий водород (LH2), а второй эрголь - жидкий кислород (LOX). Совершенно очевидно, что предусматриваются также другие эрголи. Кроме того, описанная конструкция может прекрасно и более просто применяться с газообразным водородом.
Жидкий водород вводится в корпус 10 из питающего трубопровода (не представленного) через центральное отверстие 105 и попадает через полость 100, предназначенную для усреднения скоростей эрголя, и из которой он уходит через различные стволы, начинающиеся от этой полости. Размеры каждой серии стволов 110, 120, 130, определены таким образом, чтобы циркулирование водорода в каждом из них осуществлялось с одной и той же скоростью. Водород течет вдоль этих стволов к пространствам 112, 122, 123, образованным на дне стволов и ограниченных стенками 114, 124, 134, отделяющих системы вспрыскивания от камеры сгорания 20. В этих пространствах (зонах) жидкий водород выравнивается, усредняется по всей окружности форсунки, прежде чем попасть в элементы вспрыскивания через калиброванные отверстия 222, 223, расположенные на основании этих элементов на кольцевых ободах 201, 202, их составляющих. Эти калиброванные отверстия определены по количеству и размеру так, чтобы осуществить необходимые падения напора для обеспечения желаемого расхода эрголя. После прохода через эти отверстия водород поступает в пространство 203 и снова усредняется в кольцевых камерах 232-236, которые он пересекает (стенки 224, 225, обеспечивающие определенные, установленные падения напора), чтобы попасть в зоны постоянного размера 218, 219, окружающие кольцевую щель вспрыскивания 212, из которой выходит слой жидкого кислорода, происхождение которого будет сейчас уточнено.
Жидкий кислород прибывает через питающий трубопровод в торе 140 и выходит из него через радиальные каналы 150, которые выходят на самую внешнюю полость 160, в которой кислород выравнивается в скорости по всей окружности форсунки перед тем, как попасть во внешний элемент вспрыска 14 через калиброванные щели 210, выполненные на верху верхней детали 200, и число и размеры которых определены, чтобы обеспечить падение напора, соответствующее заданному расходу эрголя. С другой стороны, некоторые радиальные каналы продлены к самой центральной кольцевой полости 170 (диаметр которой, следовательно, меньше), в которой кислород также выравнивается по всей окружности перед тем, как попасть в центральный элемент вспрыскивания 12 через калиброванные щели, выполненные на его верху в верхней детали этого элемента, и число и размеры которых как для другого элемента вспрыскивания определены таким образом, чтобы получить заданный расход эрголя, подобный предыдущему. Важно напомнить, что число и размер каналов, продленных до центрального элемента, определены таким образом, чтобы скорость кислорода, циркулирующего в этих каналах, была такой же, как скорость кислорода, циркулирующего в предыдущих. Жидкий кислород, подведенный в элементы вспрыскивания через калиброванные щели, затем попадает в кольцевую щель вспрыскивания 212 - каждую из этих элементов, откуда он выходит концентрическими слоями (уровнями), на которые попадает жидкий водород, выходящий из щелей или пространства с постоянным диаметром 218, 219, окружающих каждую из кольцевых щелей вспрыскивания.
Фиг. 4 - это вариант реализации центральной стенки 114, в которой стенка является неотъемлемой частью кольцеобразного обода 201 центрального элемента вспрыскивания 12. При такой конфигурации возможно уменьшить число сварных швов, необходимых для удерживания между ними различных элементов, образующих эту форсунку. Действительно, соединение между измененным кольцеобразным ободом 301 и корпусом 10 осуществляется в этом случае с помощью сварного шва 305, сделанного на верху в центральном стволе 110. При реализации, представленной на фиг. 1, необходимы два сварочных шва, чтобы обеспечить эти соединения, один между кольцеообразным ободом и центральной стенкой, а один между кольцеобразным ободом и корпусом.
Фиг. 5 - это другой вариант реализации соединения между центральной стенкой 114 и кольцеобразным ободом 201. При такой конфигурации соединение просто производится привинчиванием, причем головка винта 310, предварительно закрепленная с центральной стенкой, чтобы облегчить его установку, затем выравнивается. Соединение между корпусом и кольцевой деталью остается таким же, как в конструкции фиг. 1, осуществленной привариванием к нижнему концу центрального ствола 110.
Фиг. 6 - это внешний вид органа сгорания, снабженного форсункой согласно изобретения в двух вариантах соединения этих элементов. Вариант А соответствует чертежу фиг. 1, на которой соединение между форсункой и органом сгорания осуществляется с помощью фланца 180, который соединен с фланцем 250 органа сгорания. В варианте B тор 140 помещен немного в стороне по отношению к верхнему концу форсунки и соединение между этой форсункой и органом сгорания производится внизу этой форсунки. Можно заметить, что в варианте A, так как соединение расположено на уровне форсунки, она не подвергается в противоположность выполнения варианта B высоким температурам, царящим в камере сгорания.
При предложенной конструкции работа форсунки согласно изобретению является надежной. Устраняется риск внутренних утечек при присутствии двух эрголей и в случае применения LH2/LOX то, что кислород полностью окружен водородом, устраняет любую опасность контакта горячего кислорода с разделительными стенками камеры. Кроме того, речь идет о существенном элементе - полученная форсунка требует для своего изготовления очень ограниченное количество деталей, десяток, что значительно меньше, чем количество любой из форсунок, которые могут быть изготовлены в настоящее время при классической технологии и количество деталей которых порядка сотни. Важно также отметить, что, так как большая часть изготавливаемых деталей является вращающейся, их изготовление - упрощено, а следовательно, отсюда происходят и меньшие цены.
Изобретение предназначено для использования в двигателях. Форсунка с параллельными слоями (уровнями) снабжена корпусом, вращающимся вокруг оси симметрии, в который введен соосно по меньшей мере один кольцевой элемент вспрыска, включающий центральную щель вспрыскивания, окруженную двумя другими кольцевыми щелями вспрыска. Центральная кольцевая щель питается вторым эрголем, попадающим на верх элемента вспрыска справа от этой центральной щели, а другие кольцевые щели питаются первым эрголем, попадающим на основание элемента вспрыскивания с обеих сторон от центральной щели и пересекающим кольцевую полость усреднения, из которой он вытекает к кольцевым щелям, окружающим центральную щель вспрыскивания. Изобретение также относится к элементам вспрыскивания, которые могут применяться в рамках этой форсунки. Изобретение позволяет получить простую форсунку с весьма ограниченным количеством деталей, обеспечивающих, следовательно, более низкую стоимость производства по отношению к стоимости форсунок известного уровня техники. 2 с. и 16 з.п.ф-лы, 6 ил.
| US, 3446024 A, 27.05.69 | |||
| FR, 2570129 A, 14.03.86 | |||
| US, 4722181 A, 02.02.86 | |||
| SU, 560105 A, 25.07.77 | |||
| SU, 164512 A, 24.09.64. |
