СПОСОБ ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА В КАМЕРУ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2012 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 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.

Известен способ подачи компонентов топлива в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя при помощи коаксиальной соосно-струйной форсунки, содержащей 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, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива, и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.

Известен способ подачи компонентов топлива в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя при помощи коаксиальной соосно-струйной форсунки, содержащей полый наконечник, соединяющий полость одного компонента с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с полостью камеры сгорания, при этом внутренняя полость втулки выполнена профилированной в виде цилиндрических поверхностей различного диаметра и длины, образующих, по крайней мере, один кольцевой конфузор, при этом выходное сечение наконечника расположено от выходного сечения втулки на расстоянии, равном 0-1,3 внутреннего диаметра наконечника, а в наконечнике, перед кольцевым конфузором, на расстоянии, равном 1-4 диаметра наконечника от выходного сечения втулки, выполнены сквозные каналы, площадь которых меньше площади проходного сечения наконечника (патент РФ №2171427, МПК F02K 9/53, 9/60, F23D 11/10 - прототип).

В указанной форсунке горючее из полости горючего по кольцевому каналу между наконечником и втулкой подают в камеру сгорания. В месте расположения каналов, перед кольцевым конфузором, горючее разделяют на две части. Одна часть горючего поступает в полость камеры сгорания, проходя через конфузор и кольцевой канал, образованные наконечником и втулкой. Вторая часть горючего поступает в каналы наконечника. Так как давление горючего перед каналами больше давления окислителя внутри наконечника, горючее поступает по каналам в канал окислителя. Такая подача горючего создает дополнительное сопротивление для струи жидкого окислителя. Величина этого сопротивления зависит от расхода горючего, поступающего в камеру сгорания, соотношения компонентов в форсунке, т.е. от расхода горючего, поступающего в радиальные каналы, а следовательно, режима работы. При этом перепад давления на форсунках изменяется не квадратично, а с показателем степени в интервале от 2 до 1 (т.е. между квадратичной и линейной зависимостями), причем более линейно при больших значениях величины соотношения компонентов в камере сгорания.

Струи горючего, поступающего по каналам внутрь наконечника, деформируют сплошную струю окислителя, придавая ей на выходе из наконечника форму звезды с несколькими радиальными лучами, по числу каналов.

Предложенная конструкция форсунки позволяет обеспечить дополнительное сопротивление для компонентов топлива за счет дополнительного взаимодействия кольцевой струи горючего с распадающейся струей окислителя внутри втулки, начиная с места выхода струи окислителя из наконечника и до выхода обоих компонентов из втулки.

Основными недостатками данной форсунки является то, что струи горючего перекрывают проходное сечение наконечника окислителя, происходит нерасчетное дробление струи на капли достаточно большого диаметра, что в конечном итоге приводит к потерям экономичности. Кроме этого данная форсунка может быть использована только для определенного типа двигателей, что ограничивает возможность ее применения.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа подачи компонентов топлива в камеру ЖРД, применение которого позволит повысить полноту сгорания компонентов топлива путем придания выходной части струи формы профилированного поперечного сечения без ярко выраженной центральной части.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном способе подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя, заключающемся в подаче окислителя через центральный канал полого наконечника соосно-струйной форсунки и подаче горючего через кольцевой зазор между полым наконечником и втулкой упомянутой форсунки, при этом на полом наконечнике расположены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, согласно изобретению, часть расхода окислителя подают через каналы, которые выполняют в пилонах, при этом один конец упомянутых каналов выполняют открытым в полость наконечника, а другой - в полость втулки.

В варианте применения способа, в выходной части полого наконечника устанавливают с возможностью замены жиклер.

Данный способ может быть реализован с использованием соосно-струйной форсунки, содержащей 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 пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, а в пилонах выполнены каналы, один конец которых открывается в полость наконечника, а другой - в полость втулки.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез коаксиальной соосно-струйной форсунки, с помощью которой может быть реализован предложенный способ подачи компонентов в камеру сгорания, на фиг.2 - выносной элемент в увеличенном масштабе.

Соосно-струйная форсунка содержит корпус 1 с полым наконечником 2, соединяющим полость одного компонента топлива-окислителя, с зоной горения компонентов топлива 3, расположенной на некотором расстоянии от среза форсунки, преимущественно, камерой сгорания, втулку 4, охватывающую с зазором 5 полый наконечник 1 и соединяющую полость 6 другого компонента топлива-горючего с зоной горения 3. В выходной части наконечника 1 выполнены пилоны 7, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки 4 и центрирующие наконечник 1 относительно втулки 4. В пилонах 7 выполнены каналы 8, один конец 9 которых открывается в полость наконечника 1, а другой 10 - в зону горения 3 через зазор 5.

В выходной части наконечника 1 выполнено сужение канала 11. В варианте исполнения, в выходной части полого наконечника 1 установлен с возможностью замены жиклер 12.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по осевому каналу внутри корпуса 1 и наконечника 2 подают в зону горения 3. В выходной части наконечника 2, в районе пилонов 7, поток окислителя разделяют на две части. Одна часть поступает из выходной части наконечника 2 в зону горения, а другая, за счет местного сопротивления, вызванного уменьшением площади проходного сечения наконечника за счет сужения канала 11, в каналы 8. Из каналов 8 окислитель также поступает в зону горения. При такой подаче струя окислителя поступает в зону горения в виде сплошной центральной струи, окруженной со всех сторон струями меньшего диаметра, по числу пилонов.

Горючее из полости горючего по зазору 5 между наконечником 1 и втулкой 4 подают в зону горения. В районе пилонов 7 к горючему подмешивают часть расхода окислителя, поступающую из выходных частей 10 каналов 8, и в зону горения поступает уже частично подготовленная смесь, что позволяет улучшить условия смесеобразования.

Такая подача позволяет уменьшить диаметр сплошной основной струи окислителя, т.к. часть расхода отбирают на каналы 8, увеличить периметр контакта и степень перемешивания компонентов, т.к. в этом случае контакт горючего и окислителя будет происходить не только по поверхности сплошной основной струи, но и по поверхностям дополнительных струй, истекающих из каналов 10 пилонов 7.

Использование предложенного технического решения позволит улучшить условия смесеобразования и повысить удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя.

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). Способ подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в подаче окислителя через центральный канал полого наконечника соосно-струйной форсунки и подаче горючего через кольцевой зазор между полым наконечником и втулкой упомянутой форсунки. На полом наконечнике расположены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки. Часть расхода окислителя подают через каналы, которые выполняют в пилонах, при этом один конец упомянутых каналов выполняют открытым в полость наконечника, а другой - в полость втулки, в выходной части полого наконечника устанавливают с возможностью замены жиклер. Изобретение обеспечивает полноту сгорания компонентов топлива. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в подаче окислителя через центральный канал полого наконечника соосно-струйной форсунки и подаче горючего через кольцевой зазор между полым наконечником и втулкой упомянутой форсунки, при этом на полом наконечнике расположены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, отличающийся тем, что часть расхода окислителя подают через каналы, которые выполняют в пилонах, при этом один конец упомянутых каналов выполняют открытым в полость наконечника, а другой - в полость втулки.

2. Способ подачи компонентов топлива по п.1, отличающийся тем, что в выходной части полого наконечника устанавливают с возможностью замены жиклер.