ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ФОРСУНКА С ИНТЕНСИВНЫМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ Российский патент 2016 года по МПК F02K9/52 

Изобретение относится к области организации смесеобразования и горения самовоспламеняющегося топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРДМТ), работающих в вакууме.

Такие двигатели могут быть использованы в космическом пространстве для ориентации и стабилизации космических кораблей.

В существующих ракетных двигателях в настоящее время применяются двухкомпонентные центробежные и струйные форсунки, которые имеют ряд недостатков.

Известны двухкомпонентные центробежные форсунки с внешним и внутренним смешением (М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Издательство Машиностроение, Москва, 1968, стр. 88-90). Основным недостатком центробежных форсунок является слабое распыливание конусообразной жидкости после истечения из форсунки: сначала конусообразная жидкость распадается на сравнительно большие жидкие части и только потом эти части распадаются на капли, которые никак нельзя считать пригодными для интенсивного горения, так как эти капли горючего и окислителя, взаимодействуя друг с другом, образуют продукты сгорания, которые препятствуют дальнейшему взаимодействию капель (В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин. Теория ракетных двигателей. Третье издание. Москва. «Машиностроение» 1980, стр. 237-239).

Недостатками двухкомпонентных центробежных форсунок являются также большая сложность и более жесткие термические условия работы головки двигателя. Недостатком двухкомпонентных центробежных форсунок является также и то, что взаимодействие самовоспламеняющихся компонентов топлива начинается в самой форсунке, что приводит к сепарации компонентов топлива продуктами сгорания.

Серьезным недостатком является задержка самовоспламенения топлива и очень малое время пребывание топлива в камере сгорания, что при работе жидкостных ракетных двигателей малой тяги в импульсном режиме приводит к существенному уменьшению полноты сгорания топлива.

Полноту сгорания топлива в ЖРДМТ с центральной двухкомпонентной форсункой можно сделать больше путем увеличения объема камеры сгорания и применив жаропрочные и жаростойкие материалы для камеры сгорания. Но такой вариант имеет существенные недостатки - заметно ухудшаются весовые характеристики ракеты за счет уменьшения полезной нагрузки. Увеличатся также потери топлива за счет лучеиспускания с поверхности очень горячей камеры сгорания.

Целью настоящего изобретения является оптимизация процессов смешения и горения топлива сразу после впрыска струй горючего и окислителя в камеру сгорания. Под оптимизацией процессов смешения и горения топлива следует понимать преобразование жидких струй горючего и окислителя в мелкодисперсное, туманообразное состояние, в котором горючее и окислитель взаимодействуют предельно активно.

Цель достигается тем, что каналы подачи топлива расположены в плоскости, перпендикулярной оси предкамеры, конец каждого канала сопряжен по касательной с профилированной поверхностью, форма которой представляет собой дугу окружности, причем поверхность заканчивается острой кромкой в полости предкамеры.

Кроме того, профилированная поверхность имеет 6-7 класс чистоты поверхности.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется чертежами с обозначениями.

На фиг. 1 представлена двухкомпонентная центробежная форсунка;

на фиг. 2 представлено сечение А-А форсунки.

Устройство состоит из предкамеры 1 и камеры сгорания 2. В предкамере 1 выполнены каналы 3 для подачи компонентов топлива, а также выполнена профилированная поверхность 4 с острой кромкой 5. Стрелками показаны струи горючего и окислителя, подаваемые в предкамеру.

Две струи горючего диаметрально противоположны, две струи окислителя также диаметрально противоположны. Возможны и другие варианты подачи топлива в предкамеру: например, одна струя горючего и одна струя окислителя.

Процесс взаимодействия горючего и окислителя происходит следующим образом. Струи горючего и окислителя (фиг. 2) по каналам 3 попадают в предкамеру на профилированную поверхность 4, имеющую 6-7 класс чистоты поверхности и представляющую собой дугу окружности, размываются на этой поверхности до тонкой пленки и далее взаимодействуют с острой кромкой 5, имеющей угол 90°. 6-7 класс чистоты поверхности необходим для того, чтобы энергия струи не уменьшалась при взаимодействии с профилированной поверхностью, а расходовалась только на взаимодействие с острой кромкой. В простейшем варианте профилированная поверхность может быть дугой окружности. В общем случае профилированная поверхность должна быть такой, чтобы взаимодействие компонента топлива с профилированной поверхностью было минимальным. Время взаимодействия пленки с острой кромкой очень мало, поэтому сила взаимодействия жидкой пленки с острой кромкой согласно закону сохранения и превращения энергии и согласно второму закону Ньютона очень велика. Таким образом энергия струй при их взаимодействии с острыми кромками идет на механическое дробление горючего и окислителя до мелкодисперсного, туманообразного состояния, в котором горючее и окислитель взаимодействуют предельно активно. Высота предкамеры 1 на фиг. 1 должна определяться на холодных проливках на воде и быть такой, чтобы размытая пленка воды перед острой кромкой полностью помещалась в предкамере. Высота острой кромки в первом приближении может быть равной 3-4 мм.

Изобретение предназначено для организации смесеобразования и горения самовоспламеняющегося топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРДМТ), работающих в вакууме. Устройство состоит из предкамеры 1 и камеры сгорания 2. В предкамере 1 выполнены каналы 3 для подачи компонентов топлива, а также выполнена профилированная поверхность 4 с острой кромкой 5. Каналы подачи топлива расположены в плоскости, перпендикулярной оси предкамеры, конец каждого канала сопряжен по касательной с профилированной поверхностью, форма которой представляет собой дугу окружности, причем поверхность заканчивается острой кромкой в полости предкамеры. Изобретение обеспечивает преобразование жидких струй горючего и окислителя в мелкодисперсное, туманообразное состояние, в котором горючее и окислитель взаимодействуют предельно активно. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двухкомпонентная центробежная форсунка с интенсивным смесеобразованием, состоящая из предкамеры с каналами для подачи топлива, отличающаяся тем, что каналы подачи топлива расположены в плоскости, перпендикулярной оси предкамеры, конец каждого канала сопряжен по касательной с профилированной поверхностью, форма которой представляет собой дугу окружности, причем поверхность заканчивается острой кромкой в полости предкамеры.

2. Двухкомпонентная центробежная форсунка с интенсивным смесеобразованием по п. 1, отличающаяся тем, что профилированная поверхность имеет 6-7 класс чистоты поверхности.