СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ ЖРД Российский патент 2008 года по МПК F02K9/52 

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

Одной из основных проблем при создании смесительных головок камер ЖРД является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов, что в основном достигается за счет равномерного распределения компонентов по форсункам смесительной головки и обеспечения таким образом заданного соотношения компонентов.

Одним из способов, позволяющих улучшить массово - энергетические характеристики ракет-носителей с кислородно-водородными ЖРД, может быть применение кислородно-водородных ЖРД, работающих от начала полета до выхода на орбиту в широком диапазоне изменения соотношения компонентов от К_m≈15 на начальном участке до 6 при выходе на орбиту при номинальном соотношении К_m=6.

Работа ЖРД с повышенным соотношением компонентов обеспечивает возможность получения повышенного расхода компонента с большей плотностью кислорода на начальном режиме работы с последующим переходом на номинальное соотношение компонентов. Использование повышенного расхода кислорода позволит повысить среднюю плотность топлива и, следовательно, уменьшить объем и массу баков компонента с меньшей плотностью водорода.

В то же время повышенное соотношение компонентов топлива в ядре головки приводит к увеличению температуры продуктов сгорания, и для надежного охлаждения стенок камеры сгорания необходимо обеспечить постоянное пониженное соотношение компонентов в пристеночном слое, например К_m≈4...4,5.

Известна смесительная головка камеры ЖРД, содержащая блок подачи горючего, блок окислителя, соединенные между собой, форсунки с каналами подачи окислителя и горючего, установленные в блоках по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания (патент РФ №2127820, прототип).

Принцип работы данной смесительной головки заключается в следующем.

Из полости блока горючего горючее по каналам периферийных и центральных форсунок подается в камеру сгорания.

Из полости блока окислителя окислитель по каналам периферийных и центральных форсунок подается в камеру сгорания, при этом перепад давления и расход окислителя через все форсунки остается неизменным в течение всего времени работы двигателя, а на режимах малой тяги и дросселирования расход и перепад изменяются пропорционально на всех форсунках. Необходимо отметить, что при этом перепад изменяется по квадратичному закону, а расход - по линейному.

Недостатками данной смесительной головки является то, что в периферийные и центральные форсунки кислород поступает из одной межфорсуночной полости, что приводит при увеличении расхода через центральные форсунки к пропорциональному увеличению расхода через периферийные форсунки, что на начальном режиме работы не позволяет обеспечить расчетное пониженное соотношение компонентов топлива в пристеночном слое.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание смесительной головки, конструкция которой позволяет обеспечить раздельную подачу окислителя в периферийные и центральные форсунки.

Указанная задача решается тем, что в предложенной смесительной головке камеры ЖРД, содержащей блок подачи генераторного газа, блок окислителя, блок горючего, соединенные между собой, форсунки с каналами подачи окислителя и горючего, установленные в блоках по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания, согласно изобретению в периферийной зоне полости блока окислителя выполнена дополнительная полость, отделяющая часть периферийных форсунок от форсунок центральной зоны, а каналы для подачи окислителя в камеру сгорания из этой полости расположены на корпусах форсунок, размещенных в данной полости, при этом на смесительной головке установлен дополнительный коллектор окислителя для подачи окислителя в указанную полость.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве в отличие от конструктивного выполнения прототипа, в периферийной зоне полости блока окислителя выполнена дополнительная полость, отделяющая часть периферийных форсунок от форсунок центральной зоны, а каналы для подачи окислителя в камеру сгорания из этой полости расположены на корпусах форсунок, размещенных в данной полости, при этом на смесительной головке установлен дополнительный коллектор окислителя для подачи окислителя в указанную полость, что позволяет в отличие от конструктивного выполнения прототипа обеспечивать постоянный расход окислителя в периферийной зоне смесительной головки при различных режимах работы смесительной головки.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения благодаря наличию новых признаков обеспечивает получение технического результата, выражающегося в расширении функциональных возможностей устройства.

Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для смесительных головок камер ЖРД. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».

Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на чертеже показан осевой разрез предложенной смесительной головки.

Основными элементами предложенной смесительной головки являются:

1 - блок генераторного газа;

2 - блок окислителя;

3 - блок горючего;

4 - периферийные форсунки;

5 - форсунки центральной зоны;

6 - канал подачи окислителя;

7 - канал подачи генераторного газа;

8 - канал подачи окислителя;

9 - канал подачи генераторного газа;

10 - дополнительная полость;

11 - дополнительный коллектор окислителя.

12 - каналы горючего.

Предложенная смесительная головка камеры ЖРД представляет собой сварно-паяную конструкцию, состоящую из блока генераторного газа 1, блока окислителя 2 и блока горючего 3, соединенных между собой. В блоках по концентрическим окружностям установлены периферийные форсунки 4 и форсунки центральной зоны 5. В форсунках 4 выполнены каналы 6 подачи окислителя и каналы 7 подачи горючего. В форсунках 5 выполнены каналы 8 подачи окислителя и каналы 9 подачи горючего.

В периферийной зоне блока окислителя 2 выполнена дополнительная полость 10, отделяющая периферийные форсунки 4, расположенные по концентрическим окружностям в пристеночной зоне, от форсунок 5 центральной части. На корпусах форсунок, расположенных в данной полости, выполнены каналы 6 подачи окислителя. Для подачи окислителя в указанную полость на смесительной головке установлен коллектор подачи окислителя 11.

Для подачи горючего из полости блока горючего 3 в камеру сгорания выполнены каналы 12.

Предложенная смесительная головка работает следующим образом.

Из полости блока генераторного газа 1 генераторный газ по каналам 7 периферийных форсунок 4 и каналам 9 форсунок 5 подается в камеру сгорания.

Из полости блока горючего 3 по каналам 12 горючее поступает в камеру сгорания через втулки, установленные в блоке 3.

Из полости блока окислителя 2 окислитель по каналам 8 форсунок 5 подается в камеру сгорания, при этом перепад давления и расход через центральные форсунки зависит от режима работы двигателя. На начальном режиме работы расход подбирается таким образом, чтобы среднее соотношение по головке составило К_m≈15. В этом случае соотношение по центральной зоне должно быть в пределах К_m≈25-28, а на периферии - К_m≈4...4,5.

Из дополнительного коллектора подачи 11 окислитель поступает в полость 10. Из полости 10 окислитель по каналам 6 форсунок 4 подается в камеру сгорания. Расход и перепад давления на форсунках 4 в течение всего времени работы двигателя на различных режимах остается неизменным, чтобы обеспечивалось соотношение компонентов топлива в пристеночной зоне в пределах К_m≈4...4,5.

Таким образом, использование предложенного технического решения позволит создать смесительную головку, которая обеспечит надежное охлаждение стенок камеры сгорания независимо от режима работы двигателя.

В соответствии с теоретическими предпосылками авторами был проведен расчет экономичности кислородно-водородного двигателя РД0120 на режимах с увеличенным соотношением компонентов топлива К_m.

Камера двигателя РД0120 обеспечивает удельный импульс тяги в пустоте I_у.п=455 с при номинальном соотношении компонентов топлива К_m=6. Как и для штатного варианта камеры, в варианте с повышенным соотношением компонентов у смесительной головки организуется пристеночный слой с относительным расходом компонентов топлива 12,5% и соотношением компонентов топлива К_m=4,2, независимо от среднего значения соотношения компонентов топлива по головке К_m. В результате расчетов было получено, что при средних соотношениях топлива по головке К_m=12-15 и средней плотности топлива ρ_т=592-570 кг/м³ удельный импульс тяги в пустоте I_у.п для двигателя РД0120 составит 378-345 с соответственно.

Следует отметить, что в настоящее время ведутся исследовательские работы по созданию трехкомпонентного двигателя, работающего на компонентах кислород-керосин-водород. Полученные экспериментальные и расчетные данные дают основание полагать, что эффективность трехкомпонентного двигателя при средней плотности топлива ρ_т=590 кг/м³ практически равна эффективности кислородно-водородного двигателя, работающего при повышенном соотношении компонентов, но при этом в отличие от трехкомпонентного двигателя нет необходимости в третьей линии подачи керосина.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распыления компонентов топлива, и может быть использовано при разработке смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Смесительная головка камеры ЖРД содержит блок подачи горючего, блок окислителя, соединенные между собой, форсунки с каналами подачи окислителя и горючего, установленные в блоках по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания. В периферийной зоне полости блока окислителя выполнена дополнительная полость, отделяющая часть периферийных форсунок от форсунок центральной зоны, а каналы для подачи окислителя в камеру сгорания из этой полости расположены на корпусах форсунок, размещенных в данной полости, при этом на смесительной головке установлен дополнительный коллектор окислителя для подачи окислителя в указанную полость. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства путем раздельной подачи окислителя в периферийные и центральные форсунки. 1 ил.

Смесительная головка камеры ЖРД, содержащая блок подачи генераторного газа, блок окислителя, блок горючего, соединенные между собой, форсунки с каналами подачи окислителя и горючего, установленные в блоках по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания, отличающаяся тем, что в периферийной зоне полости блока окислителя выполнена дополнительная полость, отделяющая часть периферийных форсунок от форсунок центральной зоны, а каналы для подачи окислителя в камеру сгорания из этой полости расположены на корпусах форсунок, размещенных в данной полости, при этом на смесительной головке установлен дополнительный коллектор окислителя для подачи окислителя в указанную полость.