СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F02K9/52 

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), применяемых в ракетной технике, оно также может быть использовано в авиационной технике и в агрегатах промышленной энергетики.

Известна смесительная головка камеры ЖРД со струйными форсунками, которые просверлены непосредственно в огневом днище головки. Каждая форсунка соединяет полость компонента топлива с зоной горения, а оси форсунок окислителя и горючего пересекаются вблизи огневого днища смесительной головки (М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели, М.: Машиностроение, 1968, стр. 70, 74).

Известна также смесительная головка камеры американского ЖРД F-1, разработанного для первой ступени ракеты-носителя ″Сатурн-5″. Смесительная головка камеры - плоская с несколькими тысячами отверстий для впрыска окислителя и горючего. Расположенные по концентрическим окружностям отверстия образуют смесительные элементы со сталкиванием одноименных компонентов топлива (Космонавтика: Энциклопедия под ред. В.П. Глушко, М.: Советская энциклопедия, 1985, стр. 420).

Предлагаемые конструкции струйных форсунок существенно усложняют индивидуальную доводку гидравлических характеристик каждой пары форсунок и, следовательно, не позволяют осуществить селективный подбор по расходу каждой пары форсунок, что не обеспечивает получение максимальной полноты сгорания топлива. Кроме того, устойчивость процесса горения в камере с такой смесительной головкой оказывается недостаточно стабильной.

Целью настоящего изобретения является обеспечение максимально возможной полноты сгорания различных видов топлив при обеспечении экономичного пристеночного слоя продуктов сгорания, защищающего огневую стенку, и получение благодаря возможности организации различной дальнобойности топливных факелов каждой форсунки устойчивого горения в широком диапазоне изменения режимов работы двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается конструкция смесительной головки камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащая корпус, огневое днище с форсунками, расположенными в нем по концентрическим окружностям и образующими ядро головки и периферийный ряд, между огневым днищем и корпусом головки камеры установлен дефлектор, образующий совместно с корпусом головки питающий коллектор окислителя и тракт охлаждения огневого днища, а каждая форсунка представляет собой втулку с эксцентрично расположенными относительно ее оси каналами окислителя и горючего, заканчивающимися цилиндрическими соплами, оси которых пересекаются за огневым торцом форсунки, причем оси сопел и каналов горючего форсунок ядра головки совпадают между собой и параллельны ее оси, а оси всех сопел и каналов окислителя и оси сопел и каналов горючего форсунок периферийного ряда расположены под углом друг к другу, каналы окислителя снабжены радиальным трактом подвода окислителя и закрыты с противоположенной соплу стороны заглушками, форсунки размещены на огневом днище таким образом, что в каждом ряду форсунок ядра головки сопла каналов окислителя и горючего чередуются по окружности, при этом порядок чередования сопел каналов окислителя и горючего форсунок соседнего ряда изменен на противоположный, а в форсунках периферийного ряда сопла каналов горючего расположены ближе к огневой стенке камеры. Такое расположение форсунок обеспечивает некоторый избыток горючего вблизи огневой стенки камеры.

Отличительными признаками предложенного устройства являются наличие дефлектора, использование двухкомпонентных струйных форсунок с пересекающимися струями окислителя и горючего и их расположение на огневом днище.

Дефлектор смесительной головки с ее корпусом и огневым днищем образуют питающий коллектор и тракт охлаждения огневого днища. Питающий коллектор обеспечивает равномерное распределение окислителя по внешнему периметру тракта охлаждения огневого днища. Дефлектор позволяет выдержать примерное постоянство скорости протока окислителя, охлаждающего огневое днище смесительной головки.

Каждая двухкомпонентная струйная форсунка формирует отдельный топливный факел с заданным соотношением компонентов топлива, что способствует интенсивному начальному смесеобразованию компонентов топлива при столкновении струй окислителя и горючего вблизи огневого днища головки до начала их распада. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы длина сопла форсунки была больше или равна пяти ее диаметрам (l_ок ≥ 5d_ок, l_гор ≥ 5d_гор). Для обеспечения технологичности изготовления форсунок и снижения потерь давления по каналу форсунки необходимо выполнить условие d₁ ≥ 1,5_ок, a d₂ ≥ 1,5d_гор. Качество дробления струй компонентов и направление топливного факела зависят от взаимного силового соударения струи окислителя со струей горючего. Предлагаемая конструкция двухкомпонентной струйной форсунки позволяет осуществить:

- взаимное дробление струй окислителя и горючего вблизи огневого торца форсунки, а также изменением углов наклона сопел каналов окислителя и горючего относительно оси втулки α₁ и α₂ регулирование положения точки пересечения струй компонентов топлива, тем самым отдаляя или приближая фронт горения топлива, что положительно скажется на устойчивости процесса в камере сгорания и экономичной организации защитного пристеночного слоя продуктов сгорания периферийным рядом форсунок;

- индивидуальную доводку гидравлических характеристик трактов окислителя и горючего каждой форсунки перед ее установкой в смесительную головку;

- селективный подбор партии форсунок с одинаковыми гидравлическими характеристиками, предназначенной для укомплектования конкретного экземпляра смесительной головки.

Предлагаемое расположение форсунок на огневом днище позволяет интенсифицировать процесс перемешивания между цилиндрическими потоками топливной смеси, создаваемыми концентрическими рядами форсунок.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид смесительной головки.

На фиг.2 представлена двухкомпонентная форсунка периферийного ряда.

На фиг.3 представлена двухкомпонентная форсунка ядра головки.

На фиг.4 представлена схема расположения форсунок на огневом днище смесительной головки.

Смесительная головка включает в себя корпус 1, огневое днище 2, дефлектор 3, форсунки периферийного ряда 4 и форсунки ядра головки 5. Форсунка каждого ряда состоит из корпуса 6, просверленного эксцентрично и параллельно оси его канала окислителя 7, заканчивающегося цилиндрическим соплом 8 и закрытого с противоположного конца заглушкой 9, подачу окислителя в канал осуществляют через радиальный тракт 10, и просверленного эксцентрично и параллельно оси его канала горючего 11, заканчивающегося цилиндрическим соплом 12. Форсунки периферийного ряда и форсунки ядра отличаются друг от друга наклоном цилиндрических сопел канала горючего. В форсунках 4 периферийного ряда оси сопел 8 и каналов 7 окислителя и сопел 12 и каналов 11 горючего расположены под углом друг к другу. В форсунках 5 ядра головки оси сопла 8 и канала 7 окислителя также наклонены друг к другу, а оси сопла 12 и канала горючего 11 совпадают между собой и параллельны оси форсунки. Струи окислителя и горючего как в форсунках периферийного ряда, так и в форсунках ядра пересекаются за ее огневым торцом 13.

Предложенная смесительная головка работает следующим образом. Горючее и окислитель подводятся в соответствующие полости, обозначенные на фиг.1. Окислитель, предварительно охлаждая огневое днище 2, подается в камеру через канал 7 окислителя и сопло 8, где встречается со струей горючего, поданного в камеру через канал горючего 11 и сопло 12. При встрече струи окислителя и горючего образуют топливный факел, в котором обеспечивается заданное соотношение компонентов топлива, что позволяет с помощью таких форсунок сформировать пристеночный слой и ядро продуктов сгорания заданных составов.

Геометрические размеры такой форсунки должны быть рассчитаны из следующих начальных условий:

- взаимное дробление струй окислителя и горючего достигается при их соударении при одинаковых перепадах давления на форсунках;

- результирующая общего факела топлива, образованного соударением струй окислителя и горючего одной двухкомпонентной форсунки периферийного ряда, должна быть параллельна оси камеры.

Это условие выполняется при равенстве радиальных составляющих количества движения окислителя и горючего на выходе из форсунки, определяемое формулой

(mw)_окSinα₁=(mw)_горSinα₂,

где m_ок и m_гор - массовые расходы окислителя и горючего соответственно;

w_ок и w_гор - скорости подачи окислителя и горючего соответственно.

При такой организации интенсивного смесеобразования получается факел равномерно перемешанной топливной смеси, что в свою очередь обеспечивает максимальную полноту сгорания топлива при соотношении компонентов, на которое рассчитана данная форсунка.

Применение таких форсунок позволяет организовать экономичный пристеночный слой продуктов сгорания с пониженным соотношением компонентов топлива в нем благодаря их малым внешним размерам. Устойчивый рабочий процесс при применении таких двухкомпонентных форсунок будет обеспечен благодаря организации разной дальнобойности топливных факелов в различных рядах форсунок и противоположного движения топливной смеси в соседних концентрических рядах форсунок ядра головки. Противоположное движение топливной смеси в соседних концентрических рядах форсунок ядра головки благоприятно скажется на экономичности камеры.

В центре Келдыша имеется положительный экспериментальный опыт по применению таких форсунок в количестве 127 штук на смесительной головке модельной кислородно-водородной камеры тягой 20 кН, работающей на восстановительном генераторном газе и жидком кислороде. На этой модельной камере при устойчивом процессе в ней получена высокая полнота сгорания топлива, характеризуемая величиной ее коэффициента ϕ_к=0,990.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит корпус и огневое днище с форсунками, расположенными в нем по концентрическим окружностям и образующими ядро головки и периферийный ряд. Между огневым днищем и корпусом головки камеры установлен дефлектор, образующий совместно с корпусом головки питающий коллектор окислителя и тракт охлаждения огневого днища. Каждая форсунка представляет собой втулку с эксцентрично расположенными относительно ее оси каналами окислителя и горючего, заканчивающимися цилиндрическими соплами. Оси цилиндрических сопел пересекаются за огневым торцом форсунки. Оси сопел и каналов горючего форсунок ядра головки совпадают между собой и параллельны ее оси. Оси всех сопел и каналов окислителя и оси сопел и каналов горючего форсунок периферийного ряда расположены под углом друг к другу. Каналы окислителя снабжены радиальным трактом подвода окислителя и закрыты с противоположной соплу стороны заглушками. Форсунки размещены на огневом днище таким образом, что в каждом ряду форсунок ядра головки сопла каналов окислителя и горючего чередуются по окружности, при этом порядок чередования сопел каналов окислителя и горючего форсунок соседнего ряда изменен на противоположный. В форсунках периферийного ряда сопла каналов горючего расположены ближе к огневой стенке камеры. Изобретение позволит обеспечить максимально возможную полноту сгорания различных видов топлив, создать пристеночный слой продуктов сгорания, защищающий огневую стенку, и получить благодаря смесеобразованию различной интенсивности в отдельных концентрических рядах форсунок устойчивое горение в широком диапазоне изменения режимов работы двигателя. 4 ил.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащая корпус, огневое днище с форсунками, расположенными в нем по концентрическим окружностям и образующими ядро головки и периферийный ряд, отличающаяся тем, что между огневым днищем и корпусом головки камеры установлен дефлектор, образующий совместно с корпусом головки питающий коллектор окислителя и тракт охлаждения огневого днища, а каждая форсунка представляет собой втулку с эксцентрично расположенными относительно ее оси каналами окислителя и горючего, заканчивающимися цилиндрическими соплами, оси которых пересекаются за огневым торцем форсунки, причем оси сопел и каналов горючего форсунок ядра головки совпадают между собой и параллельны ее оси, а оси всех сопел и каналов окислителя и оси сопел и каналов горючего форсунок периферийного ряда расположены под углом друг к другу, каналы окислителя снабжены радиальным трактом подвода окислителя и закрыты с противоположной соплу стороны заглушками, форсунки размещены на огневом днище таким образом, что в каждом ряду форсунок ядра головки сопла каналов окислителя и горючего чередуются по окружности, при этом порядок чередования сопел каналов окислителя и горючего форсунок соседнего ряда изменен на противоположный, а в форсунках периферийного ряда сопла каналов горючего расположены ближе к огневой стенке камеры.