Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги Российский патент 2020 года по МПК F02K9/52 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно - к организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги.

Известна камера жидкостного ракетного двигателя, состоящая из камеры сгорания, сопла, смесительной головки, двухкомпонентной центробежной форсунки с коллекторами на входе в тангенциальные каналы наружной и внутренней центробежных форсунок (п. РФ № 54102, МПК F02K 9/52, F02K 9/62).

В известной камере выполнены боковые каналы подачи топлива в коллекторы форсунок.

При проектировании конструкций камеры с целью обеспечения высоких динамических и энергетических характеристик на импульсных режимах работы двигателей малой тяги требуется минимизация заклапанных объемов, в том числе и объемов входного коллектора, при сохранении высокой равномерности распыла топлива и, как следствие, равномерности протекания рабочего процесса в камере сгорания и сопле камеры.

Наличие бокового подвода топлива в коллектор центробежной форсунки не позволяет обеспечить одинаковые условия на входе в тангенциальные каналы центробежной форсунки, что не обеспечивает достаточную равномерность распыла центробежной форсунки. Для повышения равномерности условий входа в тангенциальные каналы приходится увеличивать объем коллектора, но и это решение не позволяет решить задачу. Кроме того, это приводит к увеличению заклапанных объемов и ухудшению динамических характеристик двигателя.

В предлагаемом устройстве ставится задача устранить этот недостаток.

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги содержит камеру сгорания, сопло и смесительную головку с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок, при этом коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен со струйными форсунками, размещенными по периферии смесительной головки, либо периферии наружной форсунки. Согласно изобретению, в коллекторе наружной форсунки на внешней ее поверхности в зоне входных тангенциальных каналов герметично установлено кольцо с дополнительным коллектором, который соединен с основным коллектором тангенциальными каналами, расположенными в плоскости, смещенной относительно плоскости входных каналов наружной центробежной форсунки и направленными в сторону, совпадающую с направлением закрутки тангенциальных каналов наружной форсунки.

Для повышения равномерности распределения компонента топлива на стенке камеры сгорания коллектор наружной форсунки сообщен с коллектором струйных форсунок через кольцевой щелевой канал.

Такое решение позволяет реализовать повышенную равномерность распределения компонента топлива в конусе распыла при меньших заклапанных объемах по сравнению с центробежной форсункой без кольца и дополнительного коллектора.

Вторым преимуществом предлагаемого решения является наличие щелевого кольцевого канала, соединяющего основной коллектор с коллектором струйных форсунок, расположенных на периферии наружной центробежной форсунки, либо на периферии смесительной головки. Данное решение позволяет подбором ширины щели обеспечить равные условия на входе в струйные форсунки, а значит наименьшую разнорасходность струй между собой, тем самым повысить однородность рабочего процесса в камере сгорания и сопле, а также обеспечить повышенную равномерность температуры внутренней и наружной поверхностей камеры сгорания и сопла.

В целом предлагаемое техническое решение позволяет повысить в широком диапазоне входных условий энергетические и динамические характеристики двигателя.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид камеры, на фиг. 2 приведена схема двухкомпонентной форсунки с расположенными по периферии струйными форсунками.

Камера 1 состоит из камеры сгорания 2, сопла 3, смесительной головки 4 с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой 5 с соответствующими коллекторами 6 и 7 компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы 8 и 9, наружной центробежной форсунки 10 и внутренней центробежной форсунки 11, а коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен через щелевой кольцевой канал 12 с коллектором 13, струйных форсунок 14.

В коллекторе наружной центробежной форсунки установлено герметично кольцо 15 с дополнительным коллектором 16, который сообщен с основным коллектором тангенциальными каналами 17, направленными в ту же сторону, что и тангенциальные каналы 8 наружной центробежной форсунки. С целью достижения более высокой равномерности, плоскость расположения тангенциальных каналов 17, соединяющих дополнительный коллектор с основным, смещена относительно плоскости расположения тангенциальных каналов 8 наружной центробежной форсунки. Дополнительный коллектор может быть выполнен в виде кольцевой канавки 18 (показана условно) на поверхности наружной форсунки в зоне входных тангенциальных каналов 8 наружной центробежной форсунки.

Внутренняя центробежная форсунка 11 имеет торцевую заглушку 19, образующую коллектор 7 с осевым подводом 20 компонента топлива, позволяющим создать равные условия на входе в тангенциальные каналы 9.

Каналы 21 и 22 предназначены для подачи компонентов топлива соответственно в коллекторы 6 и 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче команды на запуск компоненты топлива по каналам 21 и 22 поступают в коллекторы 6 и 7 наружной 10 и внутренней 11 форсунок. Далее часть топлива для наружной форсунки поступает через щелевой канал 12 в коллектор струйных форсунок 13 и через струйные форсунки 14 истекает в камеру сгорания. Вторая часть топлива поступает через тангенциальные каналы 17, совпадающие с направлением тангенциальных каналов 8 центробежной форсунки, в дополнительный коллектор 16 (18). При этом за счет последовательного двухступенчатого движения жидкости через тангенциальные каналы, а также за счет смещения плоскости осей тангенциальных каналов 17 дополнительного коллектора относительно плоскости осей тангенциальных каналов 8 наружной форсунки 10 обеспечивается высокая равномерность расхода по сечению в сопле форсунки 10 и, как следствие, равномерность распыла форсунки в целом.

Второй компонент топлива, поступающий через канал 22 и осевой подвод 20, равномерно растекается по коллектору 7, чем создаются равные условия на входах тангенциальных каналов 9 внутренней форсунки 11. Столкновение пелен компонентов топлива происходит в районе среза сопел соосных центробежных форсунок 10 и 11. Равномерное распределение компонентов топлива по периметру способствует устойчивому протеканию процессов воспламенения и горения в объеме камеры сгорания 2. Продукты сгорания ускоряются в процессе расширения в сопле 3 и создают необходимое управляющее усилие двигателя.

Данное решение позволяет существенно уменьшить объем кольцевого коллектора 6 за счет заполнения его дополнительным коллектором 15 и сократить его геометрические размеры, т.к. не требуется значительный объем для выравнивания входных параметров компонента топлива в тангенциальные каналы 8.

Изобретение относится к камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги. Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги, содержащая камеру сгорания, сопло и смесительную головку, с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой, с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок, при этом в коллекторе наружной форсунки на внешней ее поверхности в зоне входных тангенциальных каналов герметично установлено кольцо, образующее дополнительный коллектор, который соединен с основным коллектором тангенциальными каналами, расположенными в полости, смещенной относительно плоскости входных каналов наружной центробежной форсунки, и направлеными в сторону, совпадающую с направлением закрутки тангенциальных каналов наружной форсунки. Дополнительный коллектор выполнен в виде кольцевой канавки на внешней поверхности наружной центробежной форсунки в зоне тангенциальных каналов. Коллектор внутренней форсунки выполнен с осевым подводом компонента топлива. Коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен со струйными форсунками, размещенными по периферии смесительной головки либо периферии наружной форсунки. Коллектор наружной форсунки сообщен с коллектором струйных форсунок через кольцевой щелевой канал. Изобретение обеспечивает повышение энергетических и динамических характеристики двигателя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги, содержащая камеру сгорания, сопло и смесительную головку, с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой, с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок, отличающаяся тем, что в коллекторе наружной форсунки на внешней ее поверхности в зоне входных тангенциальных каналов герметично установлено кольцо, образующее дополнительный коллектор, который соединен с основным коллектором тангенциальными каналами, расположенными в полости, смещенной относительно плоскости входных каналов наружной центробежной форсунки, и направленными в сторону, совпадающую с направлением закрутки тангенциальных каналов наружной форсунки.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительный коллектор выполнен в виде кольцевой канавки на внешней поверхности наружной центробежной форсунки в зоне тангенциальных каналов.

3. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что коллектор внутренней форсунки выполнен с осевым подводом компонента топлива.

4. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен со струйными форсунками, размещенными по периферии смесительной головки либо периферии наружной форсунки

5. Камера по п. 4, отличающаяся тем, что коллектор наружной форсунки сообщен с коллектором струйных форсунок через кольцевой щелевой канал.