СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/52 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей.

В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги, которое в основном зависит от качества смесеобразования в камере сгорания.

Условием повышения качества смесеобразования в камере сгорания ЖРД является создание оптимальной смеси компонентов топлива с помощью форсунок, удовлетворяющим следующим требованиям: равномерные по сечению камеры сгорания расходонапряженность и концентрация компонентов топлива; высокое качество (тонкость) распыла жидкого компонента топлива.

Данные характеристики горючей смеси обеспечиваются принятой схемой смешения компонентов топлива, реализуемой в конструкции форсунок, и оптимальным расположением форсунок на смесительной головке камеры сгорания.

Известна смесительная головка ЖРД, содержащая блок окислителя, блок горючего, соосно-струйные форсунки, установленные в указанных блоках по концентрическим рядам, и содержащие полый наконечник и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник, и сообщающие полости блоков с полостью камеры сгорания (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, Москва, Машиностроение, 1989, с. 131, 135, 136, рис. 7.13 - прототип).

Данная конструкция обеспечивает получение в камере сгорания горючей смеси с высокими характеристиками за счет соосно-струйной схемы смешения компонентов топлива, реализуемой форсунками с центральной полостью окислителя, и равномерным расположением указанных форсунок по поперечному сечению смесительной головки.

Однако в зонах камеры сгорания, между струями газообразного горючего, концентрация компонентов топлива отлична от оптимальной из-за невозможности поступления туда части окислителя из центральной струи форсунки. Данная особенность указанной смесительной головки снижает равномерность концентрации компонентов топлива по поперечному сечению камеры и приводит к уменьшению удельного импульса тяги.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков смесительной головки и обеспечение повышенного качества смесеобразования в камере сгорания ЖРД.

Указанная задача достигается тем, что в смесительной головке ЖРД, содержащей блок окислителя, блок горючего, соосно-струйные форсунки, установленные в указанных блоках по концентрическим рядам, и содержащие полый наконечник и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник, и сообщающие полости блоков с полостью камеры сгорания, согласно изобретению полость наконечника каждой четной форсунки в каждом четном ряду, следующим за периферийным, сообщена с полостью блока горючего, кольцевой зазор между наконечником и втулкой - с полостью блока окислителя, при этом полости наконечников остальных форсунок сообщены с полостью блока окислителя, а кольцевой зазор между наконечником и втулкой - с полостью блока горючего.

Для интенсификации процесса смешения компонентов топлива внутри каждого из наконечников форсунок с полостью, сообщенной с полостью блока горючего, установлено с зазором центральное тело с профилированной выходной частью.

Предложенное техническое решение позволит повысить качество смесеобразования в камере сгорания и увеличить значение удельного импульса тяги ЖРД за счет применения в конструкции смесительной головки форсунок двух типов и организации смешения компонентов топлива как между компонентами одной форсунки, так и между компонентами соседних форсунок разных типов.

Конструкция смесительной головки ЖРД показана на чертежах, где на фиг. 1 изображена смесительная головка ЖРД; на фиг. 2 - схема расположение форсунок с центральной полостью горючего и форсунок с центральной полостью окислителя по поперечному сечению смесительной головки; на фиг. 3 - конструкция форсунки с центральной полостью горючего; на фиг.4 - конструкция форсунки с центральной полостью окислителя; на фиг. 5 - конструкция форсунки с центральной полостью горючего с установленным внутри наконечника центральным телом.

Основными элементами смесительной головки являются:
1 - блок окислителя;
2 - корпус;
3 - среднее днище;
4 - наружное днище;
5 - патрубок подачи окислителя;
6 - блок горючего;
7 - внутреннее днище;
8 - коллектор;
9 - патрубок подачи горючего;
10 - форсунка с центральной полостью горючего;
11 - форсунка с центральной полостью окислителя;
12 - наконечник с полостью, сообщенной с полостью блока горючего;
13 - пилоны;
14 - втулка с осевыми каналами;
15 - наконечник с полостью, сообщенной с полостью блока окислителя;
16 - жиклерный участок;
17 - втулка с радиальными каналами;
18 - центральное тело.

Смесительная головка представляет собой конструкцию, содержащую блок окислителя 1, образованный корпусом 2, средним днищем 3, наружным днищем 4 с присоединенным к нему патрубком подачи окислителя 5, блок горючего 6, образованный корпусом 2, средним днищем 3, внутренним днищем 7, сообщающийся через отверстия с коллектором 8 и патрубком подачи горючего 9. Внутри блока горючего 6 установлены по концентрическим окружностям с равномерным шагом соосно-струйные форсунки 10, 11, закрепленные в среднем 3 и внутреннем 7 днищах. Каждая четная форсунка 10 в каждом четном ряду, следующим за периферийным, содержит наконечник 12 с полостью, сообщенной через отверстия пилонов 13 с полостью блока горючего 6, и втулку 14, охватывающую наконечник с зазором, сообщенным через осевые каналы с полостью блока окислителя 1. Остальные форсунки 11 содержат наконечник 15 с полостью, сообщенной через жиклерный участок 16, с полостью блока окислителя 1, и втулку 17, охватывающую наконечник с зазором, сообщенным через радиальные каналы с полостью блока горючего 6. Внутри наконечников 12 может быть установлено с зазором центральное тело 18 с профилированной выходной частью.

Предложенная смесительная головка работает следующим образом.

Жидкий кислород через патрубок подачи 5 подается в полость блока окислителя 1, в которой равномерно распределяется по форсункам 10, 11. В кольцевой зазор, образованный наконечником 12 и втулкой 14 форсунок 10, кислород поступает по осевым каналам втулки 14 в обход пилонов. В полость наконечника 15 форсунок 11 кислород поступает через жиклерный участок 16.

Газообразный водород через патрубок подачи горючего 9 подается в коллектор 8, из которого через отверстия равномерно распределяется в полости блока горючего 6 по форсункам 10, 11. В полость наконечника 12 форсунок 10 водород поступает через каналы пилонов 13. В кольцевой зазор, образованный наконечником 15 и втулкой 17 форсунок 11, водород поступает через радиальные каналы втулок 17.

Установленное внутри наконечника 12 центральное тело 18 направляет водород под углом, заданным профилированной выходной частью, на струю распыливаемого жидкого кислорода, что повышает качество распыла жидкого кислорода за счет непосредственного механического воздействия на него струи газа и позволяет достичь качество смесеобразования на соосно-струйной форсунке с центральной полостью горючего не хуже, чем на соосно-струйной форсунке с центральной полостью окислителя. При работе смесительной головки часть окислителя из внешней струи распыла форсунок 10 поступает в области камеры, ограниченные струями газообразного горючего форсунок 11.

Использование предложенного изобретения позволит интенсифицировать смешение компонентов топлива, выровнять их концентрацию по сечению камеры, что будет способствовать увеличению удельного импульса тяги ЖРД.

Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя содержит блок окислителя, блок горючего, соосно-струйные форсунки, установленные в указанных блоках по концентрическим рядам и содержащие полый наконечник и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник, и сообщающие полость блоков с полостью камеры сгорания. Полость наконечника каждой четной форсунки в каждом четном ряду, следующем за периферийным, сообщены с полостью блока горючего. Кольцевой зазор между наконечником и втулкой сообщен с полостью блока окислителя. Полости наконечников остальных форсунок сообщены с полостью блока окислителя. Кольцевой зазор между наконечником и втулкой соединен с полостью блока горючего. Изобретение позволяет создать смесительную головку, обеспечивающую повышенное качество смесеобразования в камере сгорания ракетного двигателя. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Смесительная головка ЖРД, содержащая блок окислителя, блок горючего, соосно-струйные форсунки, установленные в указанных блоках по концентрическим рядам и содержащие полый наконечник и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник, и сообщающие полости блоков с полостью камеры сгорания, отличающаяся тем, что полость наконечника каждой четной форсунки в каждом четном ряду, следующем за периферийным, сообщена с полостью блока горючего, кольцевой зазор между наконечником и втулкой - с полостью блока окислителя, при этом полости наконечников остальных форсунок сообщены с полостью блока окислителя, а кольцевой зазор между наконечником и втулкой - с полостью блока горючего. 2. Смесительная головка по п. 1, отличающаяся тем, что внутри каждого из наконечников форсунок, полость которых соединена с полостью блока горючего, установлено центральное тело с профилированной выходной частью.