КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 2015 года по МПК F02K9/62 F02K9/52 

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания.

Известна камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ), содержащая корпус и смесительную головку с размещенной по оси двухкомпонентной центробежной форсункой и со струйными форсунками, сообщенными с коллектором наружной форсунки и равномерно распределенными по окружности. Оси струйных форсунок направлены на стенки корпуса камеры сгорания (патент РФ №2041375, МПК F02K 9/52, F02K 9/62, з. №4812921 от 28.02.1990 г.).

Недостатком известной конструкции являются довольно большие заклапанные объемы и большой расход компонента топлива на организацию пленочного охлаждения стенки корпуса камеры.

Известна струйно-центробежная форсуночная головка, приведенная в статье Ю.И.Агеенко «Исследование параметров смесеобразования и методический подход к расчетам и проектированию ЖРДМТ со струйно-центробежной схемой смешения компонентов AT и НДМГ на стенке камеры сгорания» (см. «Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета» №3(19), 2009 г.).

Струйно-центробежный смесительный элемент состоит из центробежной форсунки горючего, струйных форсунок, через которые окислитель попадает на конический дефлектор, на котором струи, растекаясь, преобразуются в пелену и попадают на внутреннюю поверхность камеры сгорания, где происходит соприкосновение, перемешивание с пеленой горючего с образованием продуктов сгорания.

Основными недостатками данного струйно-центробежного смесительного элемента являются следующие:

- перемешивание и горение компонентов топлива на стенке камеры сгорания автоматически влечет за собой ухудшение (по сравнению с организацией смесеобразования в ядре потока) динамических характеристик двигателя (τ_0,1; τ_0,9; J_п.д.) из-за времени, затрачиваемого на преодоление расстояния от среза сопла центробежной форсунки горючего до стенки камеры сгорания;

- большие объемы заклапанных полостей магистралей окислителя и горючего (в основном, из-за коллекторов, заполняемых компонентами топлива) также способствуют ухудшению динамических характеристик двигателя;

Задачами предлагаемого изобретения являются:

- увеличение экономичности ЖРДМТ за счет организации смесеобразования в ядре потока и за счет увеличения дисперсности распыла впрыскиваемых в камеру сгорания компонентов топлива;

- улучшение динамических характеристик ЖРДМТ за счет уменьшения объема заклапанных полостей и приближения предпламенных процессов к смесительной головке;

- улучшение технологичности изготовления ЖРДМТ за счет отказа от использования центробежных форсунок в пользу струйных форсунок.

Решение заключается в том, что в известной камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из корпуса камеры сгорания и смесительной головки с периферийными струйными форсунками, исходящими из кольцевого коллектора первого компонента топлива, оси которых пересекают поверхность кольцевого конического дефлектора, направляющего струи первого компонента на стенку корпуса камеры сгорания, и центрального распылителя, сообщенного с коллектором второго компонента топлива, согласно изобретению кольцевой коллектор первого компонента топлива размещен в радиальном направлении между кольцевым коническим дефлектором и коллектором центрального распылителя, а струйные форсунки первого компонента с одной стороны направлены на поверхность конического дефлектора, обращенного в сторону выхода из камеры сгорания, а с другой стороны - на поверхность дефлектора, являющегося стенкой коллектора второго компонента, а струйные форсунки второго компонента направлены на поверхность дефлектора, являющегося стенкой коллектора первого компонента.

Для улучшения качества смесеобразования целесообразно выполнять поверхности дефлекторов центрального распылителя цилиндрическими, а для исключения попадания в заклапанные полости коллекторов одного из компонентов топлива другого компонента топлива плоскости размещения струйных форсунок следует разнести в осевом направлении камеры на расстояние не менее удвоенной суммы диаметров струйных форсунок первого и второго компонентов топлива.

Такое исполнение камеры позволяет осуществить смесеобразование в ядре потока, что способствует существенному (по сравнению со схемой, когда смесеобразование и горение реализуются на стенке камеры) повышению экономичности двигателя и улучшению его динамических характеристик.

Предлагаемая конструкция поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез камеры сгорания ЖРДМТ. Камера сгорания состоит из корпуса смесительной головки 1, корпуса форсунки 2 первого компонента, корпуса форсунки 3 второго компонента, кольцевого конического дефлектора 4, коллектора 5 первого компонента, струйных форсунок 6 первого компонента (завесы), коллектора 7 второго компонента, струйных форсунок 8 первого компонента центрального распылителя, струйных форсунок 9 второго компонента центрального распылителя, подводящих каналов 10 первого компонента, подводящих каналов 11 второго компонента, заглушки 12, корпуса камеры сгорания 13. Кольцевая полость 14 центрального распылителя образована дефлекторами 15 и 16, являющимися соответственно стенками коллекторов 7 и 5.

Камера сгорания работает следующим образом. Первый компонент топлива поступает из клапана (не показан), проходит через подводящие каналы 10, выполненные в корпусе смесительной головки 1 и в корпусе форсунки 2, попадает в коллектор 5, где разделяется на два потока: одна часть, пройдя через струйные форсунки 6, попадает в виде струй на конический кольцевой дефлектор 4, на котором струи преобразуются в пелену. Пелена, стекая с кромки дефлектора, попадает на внутреннюю поверхность корпуса камеры сгорания 13 и охлаждает ее.

Другая часть первого компонента, пройдя через струйные форсунки 8, поступает в полость 14 центрального смесителя и, ударившись о поверхность дефлектора 15, являющегося стенкой коллектора 7, разбрызгивается, преобразуясь в полости 14 в мелкодисперсное пылеобразное состояние.

Второй компонент топлива, поступая через каналы 11 в корпусе смесительной головки 1, в корпусе форсунки 2 и в корпусе форсунки 3, попадает в коллектор 7 и в виде струй через струйные форсунки 9 - в полость 14 центрального смесителя, где, ударившись о поверхность дефлектора 16, являющегося стенкой коллектора 5, разбрызгивается и преобразуется в полости 14 в мелкодисперсное пылеобразное состояние. Учитывая небольшой объем полости 14, мелкодисперсные брызги первого и второго компонентов перемешиваются в ней практически в жидкой фазе и, пройдя стадии преобразования (жидкофазные промежуточные продукты, выделение газофазных промежуточных продуктов, появление очагов пламени и т.д.) воспламеняются уже за пределами полости 14, образуя продукты сгорания, причем с равномерно распределенным соотношением компонентов топлива в ядре потока.

Констатируя вышеизложенное, можно отметить свойства изобретения:

- обеспечивается более надежное тепловое состояние и повышенная экономичность двигателя путем реализации смесеобразования в ядре потока, которое позволяет получить равномерное по сечению камеры распределение соотношения компонентов топлива в области ядра потока, что, в свою очередь, приводит к более благоприятному распределению температуры продуктов сгорания по сечению камеры совместно с организованной защитой стенки камеры;

- улучшаются динамические характеристики двигателя путем уменьшения объема заклапанных полостей и организации смесеобразования в ядре потока;

- улучшается технологичность изготовления двигателя путем замены центробежной форсунки на струйные, поскольку изготовление струйных форсунок не требует специального технологического оборудования и оснащения, связанного с выполнением жестких допусков на изготовление и допусков расположения поверхностей деталей, которые необходимы для центробежных форсунок.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ). Камера сгорания ЖРДМТ состоит из корпуса и смесительной головки с периферийными струйными форсунками, исходящими из кольцевого коллектора первого компонента топлива, оси которых пересекают поверхность кольцевого конического дефлектора, направляющего струи первого компонента на стенку корпуса камеры сгорания, и центрального распылителя, сообщенного с коллектором второго компонента топлива. Согласно изобретению кольцевой коллектор первого компонента топлива размещен в радиальном направлении между кольцевым коническим дефлектором и коллектором центрального распылителя, а струйные форсунки первого компонента с одной стороны направлены на поверхность конического дефлектора, обращенного в сторону выхода из камеры сгорания, а с другой стороны - на поверхность дефлектора, являющегося стенкой коллектора второго компонента, а струйные форсунки второго компонента направлены на поверхность дефлектора, являющегося стенкой коллектора первого компонента. Поверхности дефлекторов центрального распылителя выполнены цилиндрическими, плоскости размещения струйных форсунок разнесены в осевом направлении камеры на расстояние не менее удвоенной суммы диаметров струйных форсунок первого и второго компонентов топлива. Изобретение обеспечивает увеличение экономичности ЖРДМТ, улучшение динамических характеристик двигателя и технологичности изготовления ЖРДМТ. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящая из корпуса камеры сгорания и смесительной головки с периферийными струйными форсунками, исходящими из кольцевого коллектора первого компонента топлива, оси которых пересекают поверхность кольцевого конического дефлектора, направляющего струи первого компонента на стенки корпуса камеры сгорания, и центрального распылителя, сообщенного с коллектором второго компонента топлива, отличающаяся тем, что кольцевой коллектор первого компонента топлива размещен в радиальном направлении между кольцевым коническим дефлектором и коллектором центрального распылителя, а струйные форсунки первого компонента с одной стороны направлены на кольцевую коническую поверхность дефлектора, обращенную в сторону выхода из камеры сгорания, а с другой стороны - на поверхность дефлектора, являющегося стенкой коллектора второго компонента, а струйные форсунки второго компонента направлены на поверхность дефлектора, являющегося стенкой кольцевого коллектора первого компонента топлива.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что поверхности дефлекторов центрального распылителя выполнены цилиндрическими.

3. Камера сгорания по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что плоскости размещения струйных форсунок первого и второго компонентов топлива центрального распылителя разнесены в осевом направлении камеры на расстояние не менее удвоенной суммы диаметров струйных форсунок первого и второго компонентов топлива.