СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ 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.

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, 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 с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с полостью камеры сгорания, в которой 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).

В указанной форсунке горючее из полости горючего по кольцевому каналу между наконечником и втулкой подается в камеру сгорания. В месте расположения каналов, перед кольцевым конфузором, горючее разделяется 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.

Известна смесительная головка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая блок подачи компонентов топлива с соосно-струйными форсунками, блок охлаждения огневого днища, включающий перегородку, размещенную между огневым днищем и блоком подачи компонентов топлива, и втулки, установленные вокруг выходных сопел форсунок, скрепленные с перегородкой и огневым днищем, при этом между блоками подачи компонентов топлива и охлаждения огневого днища выполнена смесительная выравнивающая полость, соединенная с полостями блока охлаждения, блока генераторного газа и камеры сгорания, а на периферийной части огневого днища, напротив периферийных соосно-струйных форсунок, на участке, ширина которого не превышает диаметра проходного сечения форсунки окислителя, выполнены каналы, соединяющие полость камеры сгорания с полостью блока охлаждения (патент РФ №2127820, МПК: F02K 9/52, 9/60 - прототип).

Указанная головка работает следующим образом.

Окислитель из полости блока подачи окислителя по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.

Одна часть горючего из полости блока охлаждения огневого днища по каналам, выполненным в днище корпуса, поступает в смесительную выравнивающую полость, ограниченную днищем корпуса и днищем корпуса, где перераспределяется по форсункам головки, перемешивается с поступившим генераторным газом и по втулкам форсунок подается в камеру сгорания. Другая часть горючего по каналам поступает в камеру сгорания между втулками и огневой стенкой камеры сгорания, что обеспечивает пониженное соотношение компонентов в данной зоне и улучшает условия охлаждения стенки.

Генераторный газ из полости блока генераторного газа по каналам внутри форсунок поступает в смесительную выравнивающую полость, где перемешивается с горючим, поступившим в смесительную выравнивающую полость из полости блока охлаждения огневого днища по каналам, выполненным в днище, перераспределяется по втулкам форсунок головки и поступает в камеру сгорания.

Основными недостатками данной смесительной головки является недостаточно высокое значение полноты рабочего процесса, обусловленное несовершенством принятой системы смесеобразования.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание смесительной головки, конструкция которой позволит повысить полноту сгорания компонентов топлива путем придания выходной части струи окислителя формы профилированного поперечного сечения без ярко выраженной центральной части.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной смесительной головке камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащей блоки подачи компонентов, соосно-струйные форсунки, установленные в блоках по концентрическим окружностям и содержащие полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, согласно изобретению, в пилонах наконечников выполнены каналы, один конец которых открывается в полость наконечника, а другой - в полость камеры сгорания.

В варианте исполнения, в выходной части полого наконечника установлен с возможностью замены жиклер.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предложенной смесительной головки, на фиг.2 - выносной элемент.

Соосно-струйная форсунка содержит корпус 1 с полым наконечником 2, соединяющим полость 3 одного компонента топлива - окислителя, с зоной горения компонентов топлива 4, расположенной на некотором расстоянии от среза форсунки, преимущественно, камерой сгорания, втулку 5, охватывающую с зазором 6 полый наконечник 2 и соединяющую полость 7 другого компонента топлива-горючего с зоной горения 4. В выходной части наконечника 2 выполнены пилоны 8, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки 5 и центрирующие наконечник 2 относительно втулки 5. В пилонах 8 выполнены каналы 9, один конец 10 которых открывается в полость наконечника 2, а другой 11 - в зону горения 4 через зазор 6.

В выходной части наконечника 2 выполнено сужение канала 12.

В варианте исполнения, в выходной части полого наконечника 1 установлен с возможностью замены жиклер 13.

Форсунки установлены в блоках окислителя 14 и горючего 15 смесительной головки 16 по концентрическим окружностям.

Предложенная смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя работает следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по осевому каналу внутри наконечника 2 подается в зону горения 4. В выходной части наконечника 2, в районе пилонов 8, поток окислителя разделяется 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 2, в каналы 9. Из каналов 9 окислитель также поступает в зону горения 4. 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 6 между наконечником 2 и втулкой 5 подается в зону горения. В районе пилонов 8 к горючему подмешивается часть расхода окислителя, поступающая из выходных частей 11 каналов 9, и в зону горения поступает уже частично подготовленная смесь, что позволяет улучшить условия смесеобразования.

Такая подача позволяет уменьшить диаметр сплошной основной струи, т.к. часть расхода отбирается на каналы 9, и увеличить периметр контакта компонентов 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 11 пилонов 8.

Форсунки установлены в блоках окислителя 14 и горючего 15 смесительной головки 16 по концентрическим окружностям.

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). Смесительная головка камеры ЖРД содержит блоки подачи компонентов, соосно-струйные форсунки, установленные в блоках по концентрическим окружностям и содержащие полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания. В выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки. В пилонах наконечников выполнены каналы, один конец которых открывается в полость наконечника, а другой - в полость камеры сгорания, в выходной части полого наконечника установлен с возможностью замены жиклер. Изобретение обеспечивает повышение сгорания компонентов топлива. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащая блоки подачи компонентов, соосно-струйные форсунки, установленные в блоках по концентрическим окружностям и содержащие полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, отличающаяся тем, что в пилонах наконечников выполнены каналы, один конец которых открывается в полость наконечника, а другой - в полость камеры сгорания.

2. Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что в выходной части полого наконечника установлен с возможностью замены жиклер.