КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/62 F02K9/52 

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ) относится к устройствам для распыливания и сжигания самовоспламеняющихся компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД).

Известна камера сгорания с форсуночной головкой (см. патент США 3546883 [1] ), состоящей из центробежной форсунки, установленной в корпус головки, и струйных форсунок, направленных на стенку камеры. Недостатками схемы смесеобразования данной конструкции являются:
а) невысокое качество подготовительных процессов (смешение, испарение, воспламенение) и сложность организации тепловой защиты камеры;
б) сложность, нетехнологичность конструкции в изготовлении.

Наиболее близким по сущности является изобретение по патенту РФ 2041375. Камера ЖРДМТ [2]. Камера ЖРДМТ состоит из камеры сгорания и смесительной головки с двумя соосными центробежными форсунками окислителя и горючего и ряда 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:
1) большие габариты и, соответственно, массы деталей и узлов в целом;
2) сложность конструкции и нетехнологичность, ведущие к заметному разбросу параметров камер ЖРДМТ;
3) отсутствие унификации;
4) ненадежная тепловая защита.

Основными задачами предлагаемого решения являются улучшение смесеобразования, упрощение конструкции и технологии изготовления, унификация, стабилизация характеристик.

Поставленные задачи решаются с помощью камеры ЖРДМТ, состоящей из камеры сгорания, корпуса смесительной головки с установленными в нем двумя соосными центробежными форсунками сообщенными с соответствующими коллекторами компонентов топлива, причем коллектор наружной форсунки сообщен со струйными, равномерно расположенными по окружности форсунками. Каждая из центробежных форсунок имеет камеру закручивания с каналами подачи компонентов топлива и сопло. Отличие предлагаемой камеры ЖРДМТ заключается в том, что в смесительной головке тангенциальные каналы подачи компонентов в камеры закручивания наружной и внутренней форсунок выполнены в виде пазов в плоских кольцевых пластинах, которые установлены перед камерами закручивания форсунок, между корпусами камер закручивания в плоскостях, перпендикулярных осям камер закручивания, а коллектор внутренней форсунки тепловым мостом связан с полостью камеры сгорания. Для компенсации моментов от вращения компонентов топлива каналы подачи компонентов в камеры закручивания наружной и внутренней форсунок могут быть направлены в противоположные стороны. В пластине внешней форсунки выполнены калиброванные отверстия (струйные форсунки), что упрощает изготовление смесительных элементов и контроль качества изготовления пластин. Калиброванные отверстия исходят из коллектора горючего, струи обеспечивают лучшее перемешивание компонентов топлива за счет пересечения пелен компонентов топлива, при этом обеспечивается защита стенки камеры сгорания от перегрева.

Тепловой мост может быть выполнен в виде тепловой трубы, установленной соосно внутренней форсунке и примыкающей к теплопроводной пластине (пластина выполнена из металла с высокой теплопроводностью), расположенной над коллектором внутренней форсунки, что обеспечивает подогрев компонента с целью уменьшения его вязкости и улучшения распыливания перед подачей в камеру закручивания и далее в камеру сгорания.

Предлагаемое решение поясняется чертежами: на фиг.1 показана камера ЖРДМТ в разрезе, на фиг.2 показана конструкция пластины с пазами и отверстиями для подачи одного из компонентов топлива, на фиг.3 показана пластина с пазами для подачи другого компонента топлива.

Камера ЖРДМТ состоит из корпуса смесительной головки 1, подводящих каналов 2 окислителя и 3 горючего, коллекторов 4 окислителя и 5 горючего, втулки окислителя 6, пластины 7 с тангенциальными пазами 8 (фиг.2) и струйными форсунками 9, соосными с отверстиями 10 во втулке 6, камеры закручивания 11 с соплом 12, пластины 13 с тангенциальными пазами 14 (фиг.3), камеры закручивания 15 с соплом 16, заглушки 17 с встроенной тепловой трубой 18 и пластиной 19 из металла с высокой теплопроводностью образующих тепловой мост, камеры сгорания 20, канал 21 сообщает канал 3 с коллектором 22.

Предлагаемая камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги работает следующим образом.

Окислитель по подводящему каналу 2 поступает в кольцевой коллектор 4, образованный в корпусе головки 1, затем через тангенциальные пазы 8 - в камеру закручивания 11 втулки 6, где выравнивается по толщине пелены и через сопло 12 выходит из форсунки в виде полого капельного конуса до встречи с каплями горючего.

Горючее по подводящему каналу 3 поступает в коллектор 5, выполненный в корпусе головки 1, и далее - через тангенциальные пазы 14, выполненные в пластине 13, прижатой к корпусу 1 заглушкой 17, поступает в камеру закручивания 15, где выравнивается по толщине пелены, и далее через сопло 16 - выходит из форсунки в виде полого капельного конуса - до встречи с таким же конусом окислителя. Часть горючего через канал 21, коллектор 22 и струйные форсунки 9, соосные с отверстиями 10, поступает в камеру сгорания 20. Заглушка 17 обеспечивает подогрев горючего теплом, передаваемым из камеры сгорания 20 через тепловую трубу 18 и пластину 19.

При одновременном истечении окислителя и горючего в виде капель в пространство камеры 20 происходит их перемешивание, качество которого зависит от степени распыления компонентов в конусах распыла и зависящего в свою очередь от качества подготовки компонентов перед их распыливанием.

При истечении из сопел 12 и 16 конуса компонентов топлива встречаются, образуя внутреннюю полость в которой пары компонентов топлива реагируют между собой в результате чего в камерах закручивания происходит прогрев протекающих там компонентов и в результате снижения вязкости расход компонентов топлива увеличивается на 5-10%. Как показала практика для такой схемы смешения снижение вязкости делает процесс управляемым. С этой целью обеспечивается передача тепла компоненту из внутреннего объема камеры сгорания к коллектору 5 через тепловую трубу 18 с фитилем и пластину 19 из металла с высокой теплопроводностью.

При изготовлении камеры ЖРДМТ легко контролируется качество поверхностей камер закручивания центробежных форсунок.

Возможна индивидуальная проверка, настройка и, при необходимости, доработка пластин с пазами и отверстиями для достижения требуемых гидравлических характеристик перед окончательной сборкой. Легко обеспечивается соосность втулок камер закручивания и постоянство расстояния между соплами камер закручивания, за счет возможности выполнения регулировки, например, установкой шайб.

Возможность контроля качества поверхностей сборочных единиц, геометрических и гидравлических характеристик еще на стадии изготовления обеспечивает постоянство процессов в камере сгорания и удовлетворительное, стабильное тепловое состояние камеры без применения дополнительных средств охлаждения, постоянство характеристик истечения в процессе работы двигателя. Оптимизация заклапанных объемов позволяет улучшить динамические характеристики камеры ЖРДМТ.

Подогревом компонентов топлива в смесительных элементах обеспечивается лучшее распыливание и смесеобразование, а в итоге повышается экономичность камеры ЖРДМТ.

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

2. Патент РФ 2041375, кл. МКИ F 02 K 9/52, приоритет 28.02.90.

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги содержит камеру сгорания с соплом и корпус смесительной головки с установленными на нем соосными центробежными форсунками. Полости форсунок соединены с коллекторами соответствующих компонентов топлива. Коллектор наружной форсунки сообщен со струйными, равномерно расположенными по окружности форсунками. Тангенциальные каналы подачи компонентов в камеры закручивания наружной и внутренней форсунок выполнены в виде пазов в плоских кольцевых пластинах, установленных в плоскостях, перпендикулярных осям камер закручивания. Коллектор внутренней форсунки тепловым мостом связан с полостью камеры сгорания. Изобретение позволит улучшить смесеобразование и упростить конструкцию и технологию изготовления камеры жидкостного ракетного двигателя малой тяги. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги, содержащая камеру сгорания, корпус смесительной головки с установленными в нем соосными центробежными форсунками, полости которых соединены с коллекторами соответствующих компонентов топлива, причем коллектор наружной форсунки сообщен со струйными равномерно расположенными по окружности форсунками, отличающаяся тем, что тангенциальные каналы подачи компонентов в камеры закручивания наружной и внутренней форсунок выполнены в виде пазов в плоских кольцевых пластинах, установленных в плоскостях перпендикулярных осям камер закручивания, а коллектор внутренней форсунки тепловым мостом связан с полостью камеры сгорания.2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что тепловой мост выполнен в виде тепловой трубы, установленной соосно внутренней форсунке и примыкающей к теплопроводной пластине, расположенной над коллектором внутренней форсунки.3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что каналы подачи компонентов в камеры закручивания наружной и внутренней форсунок направлены в противоположные стороны.4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что струйные форсунки выполнены в пластине с тангенциальными пазами.