СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА Российский патент 2002 года по МПК F02K9/52 

Изобретение относится к устройствам для распыливания и сжигания самовоспламеняющихся компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД).

Известна камера сгорания с форсуночной головкой (см. патент США 3546383 [1] ), состоящей из центробежной форсунки, установленной в корпус головки, и струйных форсунок, направленных на стенку камеры. Недостатками схемы смесеобразования данной конструкции являются невысокое качество подготовительных процессов (смешение, испарение, воспламенение) и сложность организации тепловой защиты камеры.

Наиболее близким по сущности является изобретение по патенту РФ 2041375 [2] "Камера ЖРДМТ", состоящая из камеры и смесительной головки с двумя соосными центробежными форсунками окислителя и горючего и серии 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.

Недостатками данной конструкции являются довольно большая приведенная длина камеры сгорания из-за того, что горение в основном происходит на стенке камеры, а не в ядре потока, что связано с физико-химическими свойствами компонентов топлива, а именно их температурой кипения (окислитель, мгновенно испаряясь, устремляется в центр камеры сгорания), и неустойчивость в работе камеры сгорания, вызванная нарушением заданного распределения компонентов топлива по поперечному сечению камеры за счет неравномерного прогрева головки при ее работе и, соответственно, такому же неравномерному прогреву компонентов топлива перед их истечением из смесительной головки.

Предлагаемое изобретение решает следующие задачи:
а) улучшает смесеобразование;
б) обеспечивает удовлетворительную тепловую защиту стенки камеры сгорания и сопла при высокой степени полноты сгорания компонентов топлива;
в) снижает импульс последействия.

Поставленные задачи решаются с помощью смесительной головки, состоящей из корпуса с установленными в нем двумя соосными центробежными форсунками, сообщенными с соответствующими коллекторами компонентов топлива. Каждая из форсунок имеет камеру закручивания с каналами подачи компонентов топлива и сопла. Отличие предлагаемой смесительной головки заключается в том, что часть камеры закручивания внутренней форсунки выполнена проницаемой со стороны наружной форсунки, а полость, охватывающая проницаемую часть каморы закручивания, сообщена с коллектором наружной форсунки.

Предлагаемое решение поясняется чертежами: на фиг.1 показана смесительная головке в разрезе, на фиг.2 показан поперечный разрез смесительной головки в зоне установки проницаемой мембраны.

Смесительная головка состоит из корпуса форсунки 1, подводящих каналов 2 окислителя и 3 горючего, коллекторов 4 окислителя и 5 горючего, втулки 6 окислителя с винтовыми пазами 7, камерой закручивания 8 и соплом 9, шнекового завихрителя 10, камеры закручивания 11 с соплом 12, каналов перетекания 13, мембраны 14 и коллектора между ними 15.

Предлагаемая смесительная головка работает следующим образом:
Окислитель по подводящему каналу 2 поступает в кольцевой коллектор 4, образованный втулкой 6 и корпусом головки 1, через винтовые пазы 7 - в камеру закручивания 8, где выравнивается по толщине пелены и через сопло 9 выходит из форсунки в виде полого капельного конуса до встречи с каплями горючего. Часть окислителя через каналы перетекания 13 и проницаемую мембрану 14 поступает в камеру закручивания 11.

Горючее по подводящему каналу 3 поступает в коллектор 5 (образованный эавихрителем 10 и корпусом головки 1) и далее - через винтовые канавки шнекового завихрителя 10 - в камеру закручивания 11, где выравнивается по толщине пелены и подогревается за счет тепла, выделяемого от взаимодействия на поверхности мембраны горючего с окислителем, и через сопло 12 - выходит из форсунки в виде полого капельного конуса - до встречи с таким же конусом окислителя, причем при встрече с другим компонентом в зоне проницаемой мембраны возникает эффект поверхностного скольжения по образующейся газовой прослойке.

При одновременном истечении окислителя и горючего в виде капель в пространство происходит их перемешивание, качество которого зависит от степени распыления компонентов в конусах распыла и зависящего, в срою очередь, от качества подготовки компонентов перед их распыливанием. Зa счет предварительного подогрева высококипящего компонента топлива до его истечения из форсунки обеспечивается значительное снижение вязкости, влияющей на качество распыла и увеличение скорости истечения из центрально форсунки. Дополнительно увеличение скорости истечения, влияющей положительно на качество распыла, происходит за счет поверхностного скольжения по образующейся газовой прослойке.

При использовании данной смесительной головки в составе камеры ЖРД обеспечивается постоянство процессов и удовлетворительное стабильное тепловое состояние камеры без применения других типов охлаждения, постоянство характеристик истечения в процессе работы двигателя, что связано с постоянством теплового баланса между смесительной головкой, зоной сгорания и окружающей средой. Дополнительно, за счет принудительного подогрева высококипящего компонента, снижается время опорожнения заклапанных полостей и, прежде всего, заклапанной полости и высококипящего компонента.

Источники информации
1. Патент США 3546883, кл.60-258,1970 г.

2. Патент РФ 2041375, МПК F 02 К 9/52, 28.02.90г.

Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя состоит из корпуса и двух установленных в нем соосных центробежных форсунок. Каждая форсунка сообщена с коллектором соответствующего компонента топлива и имеет камеру закручивания с каналами подачи компонентов и соплами. Часть камеры закручивания внутренней форсунки выполнена проницаемой. Полость, охватывающая проницаемую часть камеры закручивания, сообщена с коллектором наружной форсунки. Изобретение позволяет повысить надежность и экономичность работы смесительной головки. 2 ил.

Смесительная головка, состоящая из корпуса, установленных в нем двух соосных центробежных форсунок, каждая из которых сообщена с коллектором соответствующего компонента топлива и имеет камеру закручивания с каналами подачи компонента и соплами, отличающаяся тем, что часть камеры закручивания внутренней форсунки выполнена проницаемой, а полость, охватывающая проницаемую часть камеры закручивания, сообщена с коллектором наружной форсунки.