Область техники
Изобретение относится к ракетному двигателестроению, а более конкретно к смесеобразующим форсункам жидкостных ракетных двигателей.
Предшествующий уровень техники
Из анализа уровня техники известны двухкомпонентные форсунки с глухим осевым каналом и тангенциальными сквозными отверстиями, простирающимися от наружной поверхности форсунки до пересечения с этим осевым каналом. Таковой форсункой является форсунка камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей РД-107, РД-108 (см., например, энциклопедию "Космонавтика", М., 1985, стр.426, параграф "Форсуночная головка"). Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретения. Недостаток аналога в том, что в нем не может быть использован третий компонент топлива, а также в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя.
Из анализа уровня техники известна также газожидкостная двухкомпонентная струйно-струйная форсунка жидкостного ракетного двигателя РД-253 (см. учебник для вузов, авторы Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.14, поз.1). Эту форсунку принимаем также в качестве аналога.
Недостаток аналога в том, что в нем нельзя использовать третий компонент топлива, а кроме того эта форсунка имеет резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостных ракетных двигателей, работающих на двухкомпонентном топливе.
Известны форсунки, образующие антипульсационные перегородки головки двигателя SSME (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.135, рис.7.12, поз.3). Эти форсунки - двухкомпонентные, выдвинутые выходной своей частью в огневое пространство камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретений.
Известна газожидкостная форсунка смесительной головки кислородно-водородного двигателя (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.13, поз.2). Форсунка содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с осевым каналом и коаксиально закрепленную внутри корпуса глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом. В пилонах выполнены сквозные отверстия, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входными сквозными отверстиями в пилоне.
Эту форсунку принимаем в качестве прототипа топливной форсунки.
Недостаток прототипа в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги двигателя, а кроме того в нем нельзя использовать третий компонент топлива.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача реализации смесеобразования, заключающегося в том, чтобы из форсунки в огневое пространство камеры сгорания выходила кольцевая струя окислительной среды, внутри которой располагалась струя горючего, а окружала струю окислительной среды также кольцевая струя горючего.
Целесообразно, чтобы так работала как обычная форсунка, так и форсунка, выступающая в огневое пространство камеры сгорания, которая чаще всего предназначается для образования антипульсационных перегородок в огневом пространстве камер сгорания жидкостных ракетных двигателей.
Необходимость разработки таких форсунок продиктована как целесообразностью улучшения смесеобразования в камере сгорания, в частности, для повышения удельного импульса тяги двигателей, работающих на двух компонентах, так и потребностью в создании трехкомпонентных форсунок для жидкостных ракетных двигателей, в которых используются три компонента топлива.
В случае применения двухкомпонентного топлива в предлагаемых форсунках в качестве окислительной среды используется окислительный газогенераторный газ, а в обеих окружающих его струях одно и то же горючее.
В случае применения трехкомпонентного топлива (один окислитель и два разных компонента горючего) в качестве окислительной среды используется газогенераторный окислительный газ, один из компонентов горючего идет в наружной кольцевой струе, а другой - во внутренней.
Предлагаемое изобретение содержит ряд новых и существенных признаков.
Сущность первого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевые вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне. Отверстия в пилоне могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.
Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом.
В частном случае глухая трубка может быть закреплена коаксиально трубчатому корпусу внутри него также и на двух, радиально направленных и, например, равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено не менее одного, например, два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, которые могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.
В частном случае глухая трубка закреплена внутри корпуса на двух, радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем тангенциальные отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.
Также возможно выполнение форсунки из двух частей - входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее выходной части. При этом возможно, что для удобства сборки и пайки камеры сгорания трубчатый корпус снабжен кольцевым утолщением.
Сущность другого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.
Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, в котором выполнены сквозные боковые отверстия со стороны глухого конца кармана, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом.
В частном случае в изобретении боковые сквозные отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными радиально к оси форсунки, а также возможно, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону выхода из форсунок или, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону глухого конца кармана. Эти отверстия одновременно могут быть направлены тангенциально относительно оси кармана.
Сущность третьего варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.
Отличительная особенность этой топливной форсунки заключается в том, что она снабжена насадком со стороны выхода. Между насадком и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, причем выход из тракта регенеративного охлаждения насадка расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, например, за счет выполнения в насадке радиальных отверстий, причем в форсунке канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка, например, за счет расположения пилонов в основном осевом канале трубчатого корпуса со стороны входа за пределами участка перекрытия трубчатого корпуса насадком.
В частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен с продольным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. В другом частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен со спиральным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. Еще в следующих двух частных случаях возможно, когда на наружной поверхности насадка выполнено защитное, например, хромовое покрытие толщиной 40...50 мкм, а также когда сопряжение насадка с трубчатым корпусом выполнено ступенчатым с увеличенным диаметром со стороны выхода из форсунки, при этом на каждой ступени трубчатого корпуса форсунки выполнено оребрение, а между ступенями образован кольцевой коллектор.
Технический результат от реализации изобретения заключается в том, что созданы топливные форсунки (варианты) для камер сгорания жидкостных ракетных двигателей, которые существенно меняют смесеобразование в камерах сгорания и, как следствие, позволяют повысить удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя, либо уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги относительно достигнутого в настоящее время уровня. Дополнительный технический результат заключается в том, что создана трехкомпонентная форсунка, обеспечивающая эффективное смесеобразование в жидкостных ракетных двигателях, работающих на трехкомпонентном топливе.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 - топливная форсунка с двумя пилонами, со ступенчатым расширением и тангенциальными сквозными отверстиями.
На фиг.2 - сечение А-А (см. фиг.1).
На фиг.3 - сечение В-В (см. фиг.1).
На фиг.4 - топливная форсунка с двумя пилонами и двумя входными отверстиями в каждом из них.
На фиг.5 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и кольцевым торцевым карманом.
На фиг.6 - сечение С-С (см. фиг.5).
На фиг.7 - топливная форсунка со сварным корпусом и кольцевым утолщением.
На фиг.8 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и боковыми отверстиями.
На фиг.9 - сечение D-D (см. фиг.8).
На фиг.10 - топливная форсунка с каналом глухой трубки, разобщенным с трактом регенеративного охлаждения насадка.
На фиг.11 - сечение Е-Е (см. фиг.10).
На фиг.12 - сечение F-F (см. фиг.10).
На фиг.13 - сечение К-К (см. фиг.10).
Примеры реализации изобретения
На фиг.1 изображен в разрезе трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. На фиг.2 и 3 изображены сечения А-А и В-В соответственно (см. фиг.1). В трубчатом корпусе 1 закреплена на двух пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1 (см. фиг.2). В пилонах 3 выполнено по одному входному сквозному отверстию 5, простирающемуся вдоль пилона от наружной поверхности 6 форсунки до осевого канала 7 в глухой трубке 4. Канал глухой трубки 4 образован со стороны входа входными сквозными отверстиями 5 в пилонах 3, а со стороны выхода - глухим осевым каналом 7 глухой трубки 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу 7. Основной осевой канал 2 трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен ступенчатым, состоящим из двух внутренних цилиндрических поверхностей 10 и 11, между которыми выполнен внутренний торец 12. Расширенную часть 10 основного осевого канала 2 у торца 12 пересекают равнорасположенные по окружности одинаковые отверстия 8, направленные тангенциально к оси 9 форсунки.
Эти отверстия простираются от наружной поверхности корпуса до пересечения с основным осевым каналом 2.
В модифицированном этом варианте форсунки в каждом пилоне выполнено по два поперечных относительно оси форсунки отверстия 5 (см. фиг.4). В остальном форсунка фиг.4 повторяет форсунку фиг.1.
На фиг.5 и 6 представлена топливная форсунка с коаксиальным патрубком 13 и кольцевым торцевым карманом 14. В остальном эта топливная форсунка повторяет форсунку фиг.4.
Рассматриваемый в данном примере вариант топливной форсунки (как и ряд других вариантов) может быть выполнен из двух частей (см. фиг.7) - выходной 15 и входной 16, герметично соединенных сварным швом. Трубчатый корпус 1 для удобства сборки и пайки камеры сгорания снабжен кольцевым утолщением 17 (на чертежах камера сгорания не представляется).
В остальном эта конструкция повторяет конструкцию топливной форсунки, изображенной на фиг.4.
Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.
На фиг.8 изображена в разрезе топливная форсунка, в которой имеется коаксиальный патрубок 13 и образуемый им совместно с корпусом 1 торцевой карман 14, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. В корпусе 1 со стороны глухого конца торцевого кармана 14 выполнены боковые отверстия 18, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом 14. В остальном конструкция второго варианта топливной форсунки повторяет конструкцию форсунки, приведенной на фиг.4. На фиг.9 приведено сечение D-D (фиг.8).
В приведенной на фиг.8 и 9 форсунке боковые отверстия 18 расположены радиально относительно ее оси. Возможно и другое направление этих отверстий. Они могут быть равными, равнорасположенными по окружности, лежащими в осевой плоскости форсунки и отклоненными под острым углом в сторону выхода из форсунки. Эти отверстия 18 могут быть также направлены тангенциально карману 14 и одновременно заданным образом отклонены в сторону глухого конца кармана.
Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.
Топливная форсунка представлена в разрезе на фиг.10 с сечениями на фиг.11, 12, 13. Конструкция содержит трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. В трубчатом корпусе 1 закреплена на пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1. В пилонах 3 выполнены входные сквозные отверстия 5, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности 6 до глухого осевого канала 7 в глухой трубке 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к глухому осевому каналу 7. Топливная форсунка снабжена насадком 19, закрепленным на трубчатом корпусе 1. Трубчатый корпус 1 в местах установки насадка 19 снабжен оребрениями 20, 21. В полости между трубчатым корпусом 1 и насадком 19 образованы коллекторы 22 и 23, примыкающие к оребрениям 20 и 21. Межреберные каналы оребрений 20, 21 и коллекторы 22 и 23 образуют тракт регенеративного охлаждения насадка 19. Насадок снабжен отверстиями 24, непосредственно сообщающимися с коллектором 23. Насадок 19 скреплен с трубчатым корпусом 1 пайкой или запрессовкой.
Материал форсунки - медный сплав. Наружная поверхность насадка 19 может быть снабжена защитным, например, хромовым покрытием толщиной 40...50 мкм.
Работа топливных форсунок
Работу заявляемых топливных форсунок рассмотрим на примере трехкомпонентной форсунки фиг.1. В качестве окислителя используют газогенераторный газ с избытком кислорода. В качестве горючего используются компоненты, например, керосин и водород. В начале через каналы форсунок (на примере форсунки фиг.1) по направлению указанных на чертежах стрелок осуществляют продувку инертным газом или азотом. Затем прекращают продувку, после чего в основной осевой канал 2 подается газогенераторный газ с избытком кислорода. Через входные отверстия 5 в пилонах 3 подается водород, а через тангенциальные отверстия 8 подается керосин.
В результате из форсунки компоненты попадают в огневое пространство камеры сгорания в виде трехслойной струи, в центре которой находится водород, его охватывает кольцевая струя газогенераторного газа с избытком кислорода, а ее, в свою очередь, охватывает струя керосина. После прекращения подачи топлива в форсунку производят продувку инертным газом или азотом.
Заявленные форсунки аналогично могут работать и как двухкомпонентные. В этом случае, например, для форсунки на фиг.1 через входные отверстия 5 в пилонах 3 и тангенциальные отверстия 8 при работе подают одно и тоже горючее, например, керосин.
Промышленная применяемость
Патентуемые для камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя форсунки могут работать и как трехкомпонентные, и как двухкомпонентные. Они готовы к промышленному использованию.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА | 2012 |
|
RU2481495C1 |
СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА | 2012 |
|
RU2481490C1 |
СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА | 2012 |
|
RU2480609C1 |
СПОСОБ ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА В КАМЕРУ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ | 2012 |
|
RU2482320C1 |
СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ | 2012 |
|
RU2484288C1 |
СПОСОБ ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА В КАМЕРУ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ | 2012 |
|
RU2481492C1 |
КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ | 2012 |
|
RU2481487C1 |
КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ | 2012 |
|
RU2479740C1 |
ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 2012 |
|
RU2480606C1 |
СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА | 2012 |
|
RU2482318C1 |
Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя включает трубчатый корпус, а также закрепленную коаксиально внутри корпуса глухую трубку. В пилоне выполнено не менее, чем одно входное отверстие. Канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным отверстием в пилоне. Основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода может быть выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия. Внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой может быть выполнен патрубок. Между патрубком и трубчатым корпусом может быть образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. Топливная форсунка со стороны выхода может быть снабжена насадком, между которым и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, выход из тракта которого расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, причём канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка. Изобретения позволят обеспечить эффективное смесеобразование в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей, а также позволят уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.
ГАХУН Г.Г | |||
и др | |||
Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей | |||
- М.: Машиностроение, 1989, с | |||
Способ обделки поверхностей приборов отопления с целью увеличения теплоотдачи | 1919 |
|
SU135A1 |
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
Там же, с | |||
Халат для профессиональных целей | 1918 |
|
SU134A1 |
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
Там же, с | |||
Регулятор для ветряного двигателя в ветроэлектрических установках | 1921 |
|
SU136A1 |
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
Авторы
Даты
2004-07-20—Публикация
2001-08-27—Подача