КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02K9/62 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при конструировании форсуночных головок камер сгорания ЖРД, а также в тех отраслях техники, где используются различного рода топочные устройства.

Известно, что форсуночная головка, подающая компоненты топлива в камеру сгорания, должна обеспечить эффективное, устойчивое горение и защитить стенку камеры сгорания от прогара. Для этого используется, например, форсуночная головка с тремя концентрическими зонами [1]. Пристеночная зона содержит струйные форсунки, которые подают горючее вдоль стенки и защищают ее от прогаров. В двух других зонах обеспечивается различное по длине камеры сгорания место встречи струй окислителя и горючего, в результате чего достигается устойчивое и эффективное сжигание расхода компонентов топлива.

Во многих случаях для обеспечения устойчивого горения, например, в маршевых ЖРД с достаточно высокой плотностью выделения тепловой энергии в единице объема камеры сгорания, как правило, требуются дополнительные устройства, увеличивающие скорость затухания высокочастотных (ВЧ) колебаний и тем самым расширяющие область устойчивой работы камеры сгорания. Существенное влияние на характеристики ВЧ устойчивости в конструкциях камер сгорания ЖРД оказывает место соединения стенки камеры с "огневым" днищем форсуночной головки. В этом месте образуется отрывная рециркуляционная пристеночная зона, небольшие изменения локального соотношения компонентов в которой существенно сказываются на скорости затухания колебаний [2], поскольку именно здесь расположены пучности давления тангенциальных, радиальных и продольных мод колебаний, влияющие на физико-химические процессы горения.

Наличие равномерно захоложенной развитой пристеночной рециркуляционной зоны, как показывает практика двигателестроения, положительно сказывается на характеристиках ВЧ устойчивости и при определенных условиях расширяет область устойчивой работы камеры сгорания.

Для защиты стенки камеры сгорания от прогара при наличии такой пристеночной рециркуляционной зоны используется ряд однокомпонентных форсунок, подающих балластирующий компонент топлива (горючее), и примыкающий не к стенке, а к границе зоны, например для камеры сгорания НПО Энергомаш ракеты-носителя "Союз" [3]. Количество компонентов топлива (горючего), подаваемого через эти форсунки, определяется, в первую очередь, из условия обеспечения работоспособности стенки камеры сгорания и ее высокой экономичности.

Однако в тех случаях, когда для устранения ВЧ колебаний требуется большая степень подачи балластирующего компонента, чем для защиты стенки от прогара, появляются "лишние", дополнительные потери удельной тяги двигателя. Внесение дополнительных потерь удельной тяги является недостатком такого способа подачи горючего в пристеночную зону.

Известно также устройство для подачи компонентов топлива в основной камере сгорания жидкостного двухкомпонентного ракетного двигателя [4]. В центре камеры сгорания располагается одна форсунка (смеситель) для подачи окислителя и выхлопного генераторного газа, поступающего из предкамеры (турбины ТНА). Форсунка снабжена рассекателем в виде плохо обтекаемого тела (стабилизатора) для создания развитой рециркуляционной зоны в центре камеры сгорания, обеспечивающей интенсивное перемешивание компонентов топлива для достижения высоких показателей экономичности рабочего процесса. Горючее подается в камеру сгорания через кольцевой ресивер, окружающий центральную форсунку. Внутри камеры сгорания горючее частично попадает в центральную рециркуляционную зону для обеспечения высокой экономичности процесса горения и частично направляется вдоль боковой стенки основной камеры сгорания, таким образом обеспечивая охлаждение этой стенки. Предлагаемая организация смесеобразования включает большое количество общих конструктивных элементов, таких как, струйные форсунки, вихревой смеситель и т.п., присущих различным классам ЖРД. Вместе с тем, использование такой схемы смесеобразования в камерах маршевых ЖРД затруднительно для получения высокоэкономичного и устойчивого горения, что связно с необходимостью экспериментально оптимизировать большое число конструктивных параметров.

Задачей изобретения является расширение областей устойчивой работы камеры сгорания при сохранении экономичности камеры сгорания, определяемой только потерями удельной тяги на охлаждение стенки и полнотой сгорания компонентов топлив в ядре потока. Данная задача решается следующим образом. Смесительная головка камеры сгорания имеет центральные форсунки, формирующие ядро потока, и периферийные однокомпонентные форсунки, окружающие центральные. При этом периферийные однокомпонентные форсунки, расположенные по крайней мере на одной из окружностей смесительной головки, диаметр которой равен 0,8-1 диаметра камеры сгорания, и с шагом 0,15-0,40 от диаметра камеры сгорания, имеют пропускную способность 5-50% от суммарного расхода через все однокомпонентные периферийные форсунки.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется фиг. 1, 2.

На фиг.1 представлена схема смесительной головки заявляемой камеры сгорания, где 1 - полость окислителя, 2 - "огневое" днище смесительной головки, 3 - стенка камеры сгорания с внутреннем диаметром d_кс, 4 - ряд однокомпонентных форсунок горючего, защищающих стенку камеры от прогаров, 5 - форсунки, формирующие ядро потока, 6 - однокомпонентные форсунки, расположенные в камере сгорания на диаметре d₁.

На фиг. 2 представлены результаты экспериментального определения на огневой установке в Центре Келдыша влияния на характеристики ВЧ устойчивости подачи в рециркуляционную зону двух сверхзвуковых горячих струй воздуха.

Результаты представлены в виде следующих зависимостей:
1 - коэффициент избытка окислителя от времени испытания,
2 - температура среды в точке, расположенной на расстоянии 25 мм от днища смесительной головки и на расстоянии 15-20 мм от оси струи от времени испытания,
3 - амплитуда колебаний на частоте первой тангенциальной моды от времени испытания,
4 - время "открытия" и "закрытия" крана подачи горячего воздуха в рециркуляционную зону.

Использование конструкции камеры сгорания, представленной на фиг.1 предполагает следующую схему организации сжигания исходных жидких компонентов топлива.

Двухкомпонентные форсунки 5, формирующие ядро потока, обеспечивают высокую эффективность сжигания основной массы топлива. Горючее, поступающее через ряд однокомпонентных форсунок 4, смешивается с ядром потока, образуя пристеночный слой с пониженной температурой, защищающий стенку камеры сгорания от прогаров. Наличие пристеночного слоя приводит к потере удельной тяги. В месте соединения стенки 3 и днища 2 образуется отрывная рециркуляционная зона. Скорость движения и состав газов в рециркуляционной зоне определяются процессами истечения и турбулентного смешения компонентов топлива из форсунок 4 и 5. Расход газа через зону определяется характерным ее размером, равным расстоянию между стенкой камеры сгорания и осью форсунок 4. Температура и состав газов в рециркуляционной зоне примерно совпадают с температурой и составом газа в пристеночной зоне. Как показывают эксперименты, при наличии такой зоны снижение в ней температуры расширяет область устойчивой работы камеры сгорания. С целью более эффективного использования рециркуляционной зоны для устранения ВЧ колебаний предлагается часть горючего, поступающего через форсунки 4, подать непосредственно в рециркуляционную периферийную зону через форсунки 6, расположенные по крайней мере на одной окружности с диаметром d₁, величина которого составляет 0,8-1 от d_кс. Эти форсунки располагаются на окружности с диаметром d₁ и с шагом h = (0,15-0,4) d_rc. Пропускная способность этих форсунок составляет 5-50% от суммарного расхода через все однокомпонентные периферийные форсунки.

Предлагаемая организация подачи балластирующего компонента (горючего), с одной стороны, сохраняет необходимый для охлаждения стенки камеры сгорания суммарный расход горючего и, с другой стороны, обеспечивает более эффективное подавление ВЧ колебаний путем создания локальных объемов в рециркуляционной зоне с местным существенно пониженным в сравнении со средним значением величины соотношения компонентов топлива.

Эффективность подавления ВЧ колебаний введением в пристеночную рециркуляционную зону локальных объемов, отличающихся от среднего по зоне составом газов, проверялась в Центре Келдыша на специальной установке. Через две практически диаметрально противоположные форсунки 6 (фиг. 1) подавались сверхзвуковые струи горячего воздуха, которые в локальных объемах рециркуляционной зоны срывали горение. В момент подачи этих струй (4 на фиг.2) термопары фиксировали падение температуры (2 фиг.2), а датчики пульсаций давления фиксировали полное устранение амплитуд ВЧ колебаний в объеме камеры сгорания (3 фиг.2). Режим работы установки при этом не изменился (1 фиг.2).

После закрытия крана подачи воздуха (4 фиг.2) ВЧ колебания и температура восстанавливали свои значения. Устранения ВЧ колебаний при локальном температурном воздействии на рециркуляционную зону связано с внесением фазового рассогласования процессов выделения колебательной энергии в объеме камеры сгорания, вызванное существенным изменением условий сжигания компонентов топлива в ядре потока и рециркуляционной зоне или ее локальных объемах.

Литература
1. Патент США N 3334490, кл. 60-258, 1967.

2. Crocco L, Harrje D.T., Sirignano W.A. et al., Nonlinear Aspects of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors - Fifth Yearly Progress Report, Princeton Univ., Dept. of Aerospace and Mechanical Sciences Rept. 553e, June 1965.

3. Под редакцией В.П.Глушко "Космонавтика. Энциклопедия". М. Советская Энциклопедия, 1985 г.

4. Патент США N 4894986 кл. 60-258, 1990 г.

Камера сгорания относится к ракетной технике и может быть использована при конструировании форсуночных головок камер сгорания ЖРД, а также в тех отраслях техники, где используются различного рода топочные устройства. Смесительная головка камеры сгорания имеет центральные форсунки, формирующие ядро потока, и периферийные однокомпонентные форсунки, окружающий центральные. При этом периферийные однокомпонентные форсунки, расположенные по крайней мере на одной из окружностей смесительной головки, диаметр которой равен 0,8-1 диаметра камеры сгорания, и с шагом 0,15 - 0,40 от диаметра камеры сгорания, имеют пропускную способность 5 - 50% от суммарного расхода через все однокомпонентные периферийные форсунки. Такое выполнение камеры сгорания позволяет расширить область устойчивой работы камеры сгорания при сохранении ее экономичности, определяемой только потерями удельной тяги на охлаждение стенки и полнотой сгорания компонентов топлива в ядре потока. 2 ил.

Камера сгорания, содержащая смесительную головку с центральными форсунками, формирующими ядро потока, и периферийными однокомпонентными форсунками, окружающими центральные, отличающаяся тем, что расположенные по крайней мере на одной окружности смесительной головки с диаметром, равным 0,8 - 1 диаметра камеры сгорания, и с шагом 0,15 - 0,40 от диаметра камеры сгорания периферийные однокомпонентные форсунки имеют пропускную способность 5 - 50% от суммарного расхода через все однокомпонентные периферийные форсунки.