СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2007 года по МПК F02K9/52 F23D11/12 

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Одной из основных проблем при создании устройств для перемешивания и распыливания компонентов топлива является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов, что обеспечивается увеличением площади поверхности соприкосновения компонентов и уменьшением характерного поперечного размера струи одного из компонентов. В известных форсунках выполнение указанных условий приводит к значительному усложнению конструкции.

Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения (полостью камеры сгорания), втулку с цилиндрической внутренней поверхностью, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е.Алемасов и др. Теория ракетных двигателей. Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, М.: Машиностроение, 1980, рис.18.2, с.225-226). В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего - форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива, и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.

Известна соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы, а внутренняя поверхность втулки выполнена эквидистантно профилированной наружной поверхности пазов наконечника (патент РФ №2161719 от 23.02.99 - прототип).

Увеличение полноты смесеобразования при использовании данных форсунок происходит за счет профилирования выходной части струи, увеличения периметра контакта компонентов и уменьшения длины нераспавшейся части струи.

В настоящее время наиболее полно исследована форсунка с наконечником с четырьмя лучами, так называемая "крестовая", что объясняется достаточно высокой технологичностью и незначительным ростом ее габаритных размеров при профилировании наконечника.

В то же время, необходимо отметить, что, несмотря на значительную простоту конструкции и технологии изготовления, при четырех лучах в струе окислителя остается достаточно выраженная центральная часть.

Такое изменение формы выходного сечения, с круглого на четырехлучевое, с одной стороны, позволяет улучшить условия разрушения струи по сравнению с форсункой с круглой струей, с другой - наличие достаточно выраженной центральной части струи не позволяет в полной мере реализовать преимущества данного технического решения.

Задачей изобретения является повышение полноты сгорания компонентов топлива путем придания выходной части струи формы профилированного поперечного сечения без ярко выраженной центральной части и определения соотношения между площадью центральной части струи, площадью лучей, позволяющего обеспечить максимально возможный периметр контакта компонентов при трансформации круглого сечения в профилированное.

Поставленная задача достигается тем, что в соосно-струйной форсунке, содержащей полый наконечник, в выходной части которого выполнены радиально расположенные пазы, и соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, согласно изобретению, радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3...2,5s, где s - толщина луча.

Выполнение периметра центральной части струи величиной более 3s ведет к появлению центральной части струи, что ухудшает условия ее разрушения, а выполнение длины луча длиной более 2,3...2,5s ведет к росту габаритных размеров форсунки.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области техники показал, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения "новизна".

При анализе других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены, а изложенная совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Соответствие предлагаемого технического решения критерию "промышленная применимость" следует из приведенного ниже примера конкретного выполнения соосно-струйной форсунки.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан осевой разрез предложенной форсунки, на фиг.2 - поперечный разрез выходной части указанной соосно-струйной форсунки с трехлучевой выходной частью наконечника, на фиг.3 - поперечные сечения для круглой, трех- и четырехлучевой струй равной площади поперечного сечения.

Основными составными частями предложенной коаксиальной соосно-струйной форсунки являются:

1 - полый наконечник;

2 - осевой канал;

3 - радиальные пазы;

4 - кольцевой зазор;

5 - втулка.

Как показано на фиг.1, соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник 1, с осевым каналом 2 внутри него, соединяющим полость окислителя с полостью камеры сгорания. В выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы 3. На наконечник 1 с кольцевым зазором 4 установлена втулка 5, соединяющая полость горючего с полостью камеры сгорания.

Предложенная форсунка работает следующим образом. Окислитель из полости окислителя по осевому каналу 2 внутри наконечника 1 подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов 3 струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов 3, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.

Изменение формы струи окислителя с круглой на трехлучевую звездообразную при неизменной площади выходного сечения улучшает условия разрушения струи, позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи и длину нераспавшейся части струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Горючее из полости горючего по зазору 4 между наконечником 1 и втулкой 5 подается в зону горения.

Проведенные аналитические исследования показали, что для форсунки с четырьмя лучами площадь центральной части струи больше в 1,9-2 раза по сравнению с площадью центральной части струи для форсунки с тремя лучами для случая с плавными радиусами переходов и до 1,9-2,3 для случая с прямолинейными участками, что позволяет сделать вывод о преимуществах форсунки с выходным сечением с тремя лучами.

Площадь центральной части трехлучевой струи по отношению к площади выходного сечения струи эталонной форсунки с круглым наконечником составляет (0,11-0,15)F_э, а четырехлучевой - (0,22-0,30)F_э.

На основании проведенных аналитических исследований установлено, что для форсунки с профилированным наконечником с тремя ребрами периметр контакта увеличивается с П=1П_э, где: П_э - периметр контакта компонентов эталонной форсунки, до П=(1,6...1,8)П_э по сравнению с эталонной форсункой, а для форсунки с профилированным наконечником с четырьмя ребрами - с П=1П_э до П=(1,25...1,5)П_э.

Форсунки с профилированным наконечником с пятью лучами обеспечивают увеличение периметра контакта компонентов с П=1П_э до П=(1,1...1,3)П_э по сравнению с круглым выходным сечением. При этом поперечное сечение струи имеет ярко выраженную центральную часть с небольшими лучами, что практически не сказывается на условиях распада струи.

Дальнейшее увеличение числа лучей более трех-четырех представляется нецелесообразным, учитывая значительное усложнение технологии изготовления и незначительный эффект или полное его отсутствие от профилирования сечения.

Основные геометрические параметры для круглой струи и струй с трех/четырех/пяти-лучевыми наконечниками при равной толщине луча приведены в таблице.

Заявителем были изготовлены и испытаны опытные образцы предлагаемых форсунок на модельных кислородно-водородных камерах.

Проведенные аналитические исследования, проведенные с учетом полученных экспериментальных данных, показали, что соосно-струйная форсунка с тремя радиальными пазами в выходной части наконечника имеет полноту смесеобразования ϕ_к=0,9985, что превышает значение данного коэффициента ϕ_к=0,997 для форсунок с четырьмя лучами и ϕ_к=0,994 для эталонных форсунок с цилиндрическим наконечником и цилиндрической втулкой.

Таблица 1ПараметрФорсунка с круглым выходным сечениемФорсунка с профилированным выходным сечением с тремя лучамиФорсунка с профилированным выходным сечением с четырьмя лучамиФорсунка с профилированным выходным сечением с пятью лучамиПлощадь струи окислителя на выходеПлощадь центральной части струи окислителя на выходеПериметр контакта компонентовπ·d(1,6-1,8)π·d(1,25-1,5)π·d(1,1-1,3)π·dМаксимальный габаритный размер струи на выходеd(1,25-1,8)d(1,2-1,6)d(1,1-1,2)dДлина струи нераспавшейся части жидкостиL(0,16-0,64)L(0,4-0,8)L(0,85-0,95)L

Применение указанных форсунок на разработанных ЖРД взамен форсунок с цилиндрическими выходными поверхностями позволит повысить значение удельного импульса тяги ориентировочно на (0,3-0,5)% и обеспечить максимально возможную полноту смесеобразования во вновь разрабатываемых ЖРД.

Применение указанных форсунок также целесообразно в кислородно-метановых ЖРД.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей. В соосно-струйной форсунке, содержащей полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3...2,5s, где s - толщина луча. Изобретение обеспечивает повышение полноты сгорания компонентов топлива путем увеличения площади поверхности соприкосновения. 1 з.п. ф-лы. 3 ил., 1 табл.

1. Соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, в выходной части которого выполнены радиально расположенные пазы, и соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, отличающаяся тем, что радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3÷2,5s, где s - толщина луча.2. Соосно-струйная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что число лучей равно трем.