СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2008 года по МПК F23D11/10 F02K9/52 

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 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, стр.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 из-за достаточно длинной нераспавшейся части струи, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива

Известна смесительная головка, содержащая корпус в виде тела вращения относительно оси симметрии, причем этот корпус снабжен несколькими элементами впрыскивания с осями, параллельными этой общей оси симметрии и проходящими сквозь инжекторную перегородку, прикрепленную к этому корпусу и отделяющую эту смесительную головку от блока сгорания, для соединения с которым данная смесительная головка предназначена, отличающаяся тем, что каждый из элементов впрыскивания содержит центральный канал впрыскивания, приспособленный для сообщения с источником второго компонента топлива, и кольцевую щель впрыскивания, окружающую этот центральный канал и приспособленную для сообщения с источником первого компонента топлива, при этом образован дополнительный кольцевой канал впрыскивания второго компонента топлива пространством, существующим вокруг каждого элемента впрыскивания между его боковой поверхностью и инжекторной перегородкой, таким образом, что кольцевая струя первого компонента топлива, истекающая из кольцевой щели, оказывается заключенной между центральной струей второго компонента топлива и наружной кольцевой струей того же второго компонента топлива (патент РФ 2129219, заявка №94040159/06 от 02.11.94; патент Франции №9313056 от 03.11.93, МКИ F02К 9/00, F23R 3/00, F23D 14/62).

В данной смесительной головке один из компонентов подается через каждую форсунку в виде сплошной кольцевой струи. Внутри и снаружи кольцевой струи подается другой компонент. Такое решение позволяет увеличить периметр контакта компонентов, уменьшить характерный размер струи окислителя и значительно сократить длину нераспавшейся части струи.

Недостатком данного решения является значительное увеличение радиальных размеров форсунки, что приводит к уменьшению их количества на смесительной головке, и недостаточная полнота смесеобразования, обеспечиваемая данной форсункой.

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 четырех лучевое, 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 увеличения площади соприкосновения компонентов топлива и уменьшения поперечного размера центральной части струи.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенной соосно-струйной форсунке, содержащей полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, согласно изобретению полость наконечника разделена на несколько изолированных полостей, между которыми выполнен зазор для прохождения горючего.

Для улучшения условий смесеобразования каналы могут быть расположены по винтовой линии, при этом их выходные части могут быть выполнены профилированными и образовывать кольцевую щель.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области техники показал, что изложенная совокупность признаков неизвестна 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 изобретения «изобретательский уровень».

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

Преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примера его выполнения, представленного на чертежах, где на фиг.1 показан осевой разрез предложенной форсунки, на фиг.2 - разрез А-А - поперечный разрез соосно-струйной форсунки, на фиг.3 - вид Б - вид на форсунку со стороны огневого днища, на фиг.4 - осевой разрез в варианте расположения каналов окислителя по винтовой линии, на фиг.5 - вид на форсунку со стороны огневого днища в варианте с профилированными выходными частями каналов окислителя, на фиг.6 - вид на форсунку со стороны огневого днища в варианте с профилированными выходными частями каналов окислителя, образующими кольцевую щель.

Основными элементами предложенной соосно-струйной форсунки являются:

1 - полый наконечник;

2 - втулка;

3 - кольцевой зазор;

4 - изолированный канал окислителя;

5 - зазор.

Предложенная соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник 1, втулку 2, охватывающую с кольцевым зазором 3 наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения. Наконечник 1 разделен на несколько изолированных друг от друга каналов 4, между которыми имеется зазор 5 для прохождения горючего.

Предложенная форсунка работает следующим образом.

Горючее из полости горючего по кольцевому зазору 3, соединенному с зазором 5, подается в зону горения.

Окислитель подается в зону горения из полости окислителя по наконечнику 1. В выходной части полость наконечника 1 разделена на несколько изолированных каналов 4.

При такой подаче компонентов сплошная струя окислителя разделяется на несколько изолированных струй, при этом каждая изолированная часть струи окислителя оказывается окруженной потоком горючего. Длина и характерный размер нераспавшейся части струи окислителя уменьшаются, что приводит к улучшению условий смесеобразования.

При выполнении каналов расположенными по винтовой линии происходит дополнительная закрутка потока на выходе из каналов. При закрутке происходит увеличение радиальной составляющей скорости струи и струя быстрее распадается.

При профилировании происходит изменение формы струи, что приводит к улучшению условий ее распада.

Наиболее оптимальные условия достигаются, когда профилированные выходные части образуют кольцевую щель.

Проведенные аналитические исследования показывают, что при разделении полости наконечника форсунки окислителя на 4 изолированные части, периметр контакта компонентов увеличивается в два раза.

Использование предложенного технического решения позволит повысить удельный импульс тяги, экономичность и обеспечить устойчивость горения в камере сгорания на всех режимах работы двигателя.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения. Полость наконечника разделена на несколько изолированных каналов, между которыми выполнен зазор для прохождения горючего. Каналы расположены по винтовой линии. Выходные части каналов выполнены профилированными. Выходные части каналов образуют кольцевую щель. Изобретение позволяет повысить полноту сгорания компонентов топлива. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, отличающаяся тем, что полость наконечника разделена на несколько изолированных каналов, между которыми выполнен зазор для прохождения горючего.2. Соосно-струйная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что каналы расположены по винтовой линии.3. Соосно-струйная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что выходные части каналов выполнены профилированными.4. Соосно-струйная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что выходные части каналов образуют кольцевую щель.