СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2001 года по МПК F02K9/52 F23D11/10 

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей.

Одной из основных проблем при создании устройств для перемешивания и распыливания компонентов является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов, что обеспечивается увеличением площади поверхности соприкоснования компонентов и уменьшением характерного поперечного размера струи одного из компонентов. В известных форсунках выполнение указанных условий приводит к значительному усложнению конструкции.

Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения (полостью камеры сгорания), втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е. Алемасов и др. "Теория ракетных двигателей": Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. М., Машиностроение, 1980, рис. 18.2, стр. 225-226 - прототип).

В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего - форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива и, соответственно, к потерям удельного импульса тяги.

Задачей изобретения является повышение полноты сгорания компонентов топлива путем увеличения площади соприкосновения компонентов топлива за счет выполнения на выходном участке наконечника радиально расположенных пазов.

Поставленная задача достигается тем, что в соосно-струйной форсунке, содержащей полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы.

Кроме того, выходной участок внутренней поверхности втулки выполнен эквидистантно наружной поверхности пазов наконечника.

Площадь сечения на выходе между эквидистантной поверхностью втулки и пазами наконечника составляет F_г = (0,6 - 2,2)·F_o, где F_о - площадь сечения пазов на выходе наконечника.

Выполнение пазов позволит при неизменной площади проходного сечения наконечника изменить форму струи одного из компонентов с круглой на звездообразную с несколькими радиальными лучами, что увеличит поверхность соприкосновения компонентов топлива за счет дополнительного соприкосновения по поверхностям лучей, уменьшит характерный поперечный размер струи одного из компонентов и повысит тем самым полноту сгорания.

На фиг. 1 показан осевой разрез предложенной форсунки; на фиг. 2 - поперечный разрез выходной части указанной соосно-струйной форсунки с втулкой с цилиндрической внутренней поверхностью; на фиг. 3 - поперечный разрез выходной части указанной соосно-струйной форсунки с втулкой, внутренняя поверхность которой выполнена эквидистантно поверхности пазов наконечника.

Основными элементами предложенной соосно-струйной форсунки являются: 1 - наконечник; 2 - осевой канал; 3 - радиальные пазы; 4 - кольцевой зазор; 5 - втулка.

Предложенная коаксиальная соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник 1 с осевым каналом 2 внутри него, соединяющим полость окислителя с полостью камеры сгорания. В выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы 3. На наконечник 1 с кольцевым зазором 4 установлена втулка 5, соединяющая полость горючего с полостью камеры сгорания. В основном варианте исполнения выходной участок внутренней поверхности втулки 5 выполнен цилиндрическим. В варианте исполнения - выходной участок внутренней поверхности втулки выполнен эквидистантно наружной поверхности пазов наконечника, при этом площадь сечения на выходе между эквидистантной поверхностью втулки и пазами наконечника составляет F_г (0,6 - 2,2) · F_о, где F_о - площадь сечения пазов на выходе наконечника.

Увеличение площади контакта компонентов топлива на выходе из форсунки обеспечивается за счет изменения формы струи с круглой на звездообразную с несколькими радиальными лучами. По результатам испытаний данных форсунок в модельной кислородно-водородной камере, работающей по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа, получена полнота сгорания ϕ = 0,996 - 0,999, что превышает значение данного коэффициента для обычных форсунок.

Следует отметить, что высокая полнота смесеобразования может быть получена в данной конструкции при условии сохранения значений скорости генераторного газа по сравнению с обычным коаксиальным смесительным элементом (W_гг = 300-350 м/с). Это условие реализуется, когда выходное сечение по горючему равно F_г = (1,2 - 2,2) · F_о, где F_о - выходное сечение по окислителю.

Однако для двигателей, работающих по безгенераторной схеме (к форсункам подводится жидкий окислитель, например кислород, и газообразное горючее, например водород), справедливо следующее выражение F_г = (0/6 - 1/0) · F_о. Из сравнительного анализа видно, что площадь проходного сечения по газообразному компоненту в данном варианте уменьшается на ≈ 50%. Применение в безгенераторном двигателе форсунок с соотношением F_г = (1,2- 2,2) · F_о снижает скорость газа на 50%, что приводит к уменьшению полноты сгорания компонентов топлива. Это подтверждается огневыми испытаниями данной конструкции форсунок в составе модельной кислородно-водородной камеры, работающей по безгенераторной схеме, где получена полнота сгорания ϕ_к = 0,9902 (вместо ϕ_к = 0,996-0,999).

Следует отметить, что снижение скорости по газу на выходе из форсунки и соответственно снижение значения отношения скоростей компонентов топлива (W_г / W_о) может привести к неустойчивости процесса горения.

Выполнение выходного участка внутренней поверхности втулки эквидистантно наружной поверхности пазов наконечника с площадью сечения на выходе между эвидистантной поверхностью втулки и пазами наконечника F_г = (0,6 - 2,2) · F_о, где F_о - площадь сечения пазов на выходе наконечника, позволит обеспечить требуемую скорость газообразного компонента при малых расходах горючего.

Нижнее значение указанного соотношения выбирается исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит увеличение скорости газообразного компонента, что приводит к существенному увеличению перепада давления и к повышению напряженности работы двигателя.

Верхнее значение указанного соотношения выбирается исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит уменьшение скорости газообразного компонента ниже указанного предела, что приводит к резкому ухудшению условий смесеобразования и к возможности появления неустойчивого процесса горения.

Предложенная коаксиальная двухкомпонентная форсунка работает следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по каналу 2 внутри наконечника 1 подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов 3 струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов 3, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения. Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную улучшает условия разрушения струи и позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Горючее из полости горючего по зазору 4 между наконечником 1 и втулкой 5 подается в зону горения. В основном варианте исполнения внутренняя поверхность втулки и наружная поверхность струи имеют цилиндрическую форму. При варианте исполнения в месте расположения каналов 5, струя горючего принимает форму профилированной кольцевой щели между наконечником 1 и втулкой 5, т.е. становится эквидистантной струе окислителя.

Использование предложенного технического решения позволит повысить полноту сгорания компонентов топлива и увеличить тем самым удельный импульс тяги.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива. Изобретение позволяет повысить полноту сгорания компонентов топлива путем увеличения площади поверхности соприкосновения. В соосно-струйной форсунке, содержащей полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы. Выходной участок внутренней поверхности втулки выполнен эквидистантно наружной поверхности пазов наконечника, при этом площадь сечения на выходе между эквидистантной поверхностью втулки и пазами наконечника составляет F_г = (0,6 - 2,2)·F_о, где F_o - площадь сечения пазов на выходе наконечника. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, отличающаяся тем, что в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы. 2. Соосно-струйная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что выходной участок внутренней поверхности втулки выполнен эквидистантно наружной поверхности пазов наконечника. 3. Соосно-струйная форсунка по п.2, отличающаяся тем, что площадь сечения на выходе между эквидистантной поверхностью втулки и пазами наконечника составляет F_г = (0,6 - 2,2)F_о, где F_о - площадь сечения пазов на выходе наконечника.