СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ ЖРД, РАБОТАЮЩЕГО ПО СХЕМЕ С ДОЖИГАНИЕМ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА Российский патент 2021 года по МПК F02K9/52 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании регулируемых ракетных двигателей.

В настоящее время большинство ракетных двигателей для обеспечения высокой экономичности работают по схеме с дожиганием генераторного газа, когда один из компонентов топлива поступает в головку камеры в газообразном виде, а другой - в жидком.

Одной из основных проблем при создании ЖРД с изменяемой тягой является получение высокого значения удельного импульса на различных режимах работы двигателя. Регулирование тяги в таких двигателях производится изменением расхода компонентов топлива через форсунки смесительной головки. Уменьшение расхода жидкого компонента топлива приводит к квадратичному изменению перепада давления на форсунках, а газообразного - к линейному. При режиме меньше номинального, изменение перепада давления на форсунках приводит к ухудшению условий смесеобразования, уменьшению полноты сгорания топлива и, соответственно, потерям удельного импульса тяги. Кроме этого, на малых режимах работы двигателя, из-за низкого значения перепада давления на форсунках, возникает неустойчивое горение в камере сгорания, что приводит к ее разрушению.

Известно много конструкций штифтовых форсунок (например, патент США №US 7.703.274 В2 от 27.04.2010 г. ), наконечник штифтовой форсунки с активным охлаждением (патент США №US 7.503.511 В2 от 27.04.2009 г.), коаксиальная смесительная головка ЖРД (патент США №15.3.699.722 от 24.10.1972 г.), которые позволяют реализовать дросселирование с высокой экономичностью.

Кроме того, для обеспечения глубокого регулирования по тяге, кроме специальных мероприятий регулирования по жидкой линии, необходимо выполнение специальных мероприятий по газообразной линии.

Но основной недостаток всех этих конструкций - большая сложность, а главное, невозможность их реализации в смесительных головках двигателей ЖРД больших тяг, в головках которых выполняется от 200 до 500 смесительных элементов.

Известна конструкция устройства для изменения тяги ЖРД, изложенная в патенте США [19], [11], Спенсер [45] (принятая за прототип), в которой осуществляется глубокое регулирование по жидкой и газообразной линиям за счет кинематического взаимодействия двух подвижных втулок и штифта.

Данная конструкция устройства для изменения тяги имеет существенные недостатки:

- кинематическое взаимодействие подвижных втулок и штифта между собой осуществляется за счет специального привода и зубчатой передачи, что существенно усложняет конструкцию и увеличивает габариты;

- данное устройство для изменения тяги может быть использовано в камере сгорания в единичном экземпляре, что для двигателя большой тяги приводит к существенному снижению экономичности.

Поставленная задача достигается тем, что смесительная головка камеры ЖРД, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа, содержащая патрубки подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними двухкомпонентными форсунками, согласно изложению:

- полость генераторного газа форсунки выполнена в виде сопла Лаваля с кольцевой с ребрами входной частью, внутри которой установлен подпружиненный профилированный штырь с торцем, наружная поверхность которого взаимодействует с внутренней поверхностью кольцевой с ребрами входной частью, в торце штыря выполнены отверстия, со стороны входа форсунки в кольцевую с ребрами входную часть установлена герметично задняя стенка, а в центральной части штыря выполнено отверстие;

- на наружной поверхности торца штыря выполнены лабиринтные канавки;

- наружная поверхность торца штыря покрыта серебром.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, изложенными на фиг. 1, 2, 3.

На фиг. 1 показано положение элементов смесительной головки в исходном положении, где двухкомпонентная форсунка 1 соединена пайкой с корпусом головки 2 и огневым днищем 3. Профилированный штырь 4 поджат пружиной 5 в упор 6 форсунки 1.

7 - минимальное сечение сопла Лаваля;

8 - полость генераторного газа;

9 - входная часть сопла Лаваля;

10 - отверстия в торце 14 профилированного штыря 4;

11 - полость штыря 4;

12 - отверстие в профилированном штыре 4;

13 - выходная часть форсунки 1;

14 - торец профилированного штыря 4;

16 - задняя стенка.

На фиг. 2 показаны:

9 - входная часть сопла Лаваля;

15 - ребра во входной части;

16 - задняя стенка.

На фиг. 3 показано положение элементов смесительной головки на номинальном режиме работы, где:

4 - профилированный штырь;

5 - пружина;

7 - минимальное сечение сопла Лаваля;

8 - полость генераторного газа;

9 - входная часть сопла Лаваля.

Смесительная головка работает следующим образом. В исходном положении профилированный штырь 4 поджат пружиной 5 в упор 6 форсунки 1, при этом он максимально перекрывает минимальное сечение 7 сопла Лаваля.

При выходе двигателя на номинальный (основной) режим, в полости генераторного газа 8 и во входной части сопла Лаваля 9 в форсунке происходит повышение давления. В результате повышения давления появляется усилие на профилированный штырь, которое заставляет штырь постепенно перемещаться, сжимая пружину 5 и увеличивая площадь минимального сечения 7 сопла Лаваля. При перемещении штыря генераторный газ из входной части 9 сопла Лаваля через отверстия 10, полость 11 профилированного штыря 4 и отверстие 12 поступает в выходную часть 13 форсунки 1, обеспечивая плавное его перемещение.

На номинальном установившемся режиме штырь 4 под действием усилия установившегося давления находится в крайнем положении, при этом площадь минимального сечения 7 сопла Лаваля максимально открыта.

Такое положение профилированного штыря 4 сохраняется в течение всего времени работы двигателя на номинальном режиме.

При переходе двигателя на режим дросселирования (за счет уменьшения расхода топлива) давление в полости генераторного газа 8 и на входе 9 форсунки 1 в сопле Лаваля уменьшается, и, под действием усилия пружины 5 на торец 6 профилированного штыря 4, он перемещается, перекрывая своей профилированной частью площадь минимального сечения 7 сопла Лаваля.

При выключении двигателя давление в полости генераторного газа 8 падает, и штырь под действием усилия пружины возвращается в исходное положение в упор до уступа 6 форсунки 1, перекрывая максимально своей профилированной частью площадь минимального сечения 7 сопла Лаваля.

Предложенная конструкция смесительной головки позволяет получить глубокое дросселирование по генераторному газу, сохраняя повышенный перепад на форсунке и обеспечивая полноту сгорания компонентов топлива.

Использование предложенного технического решения позволяет повысить удельный импульс тяги на режимах дросселирования и обеспечить устойчивую работу смесительной головки, повышая тем самым надежность работы двигателя.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании регулируемых ракетных двигателей. Смесительная головка камеры ЖРД, работающая по схеме с дожиганием генераторного газа, содержит патрубки подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними двухкомпонентными форсунками, согласно изобретению полость генераторного газа форсунки выполнена в виде сопла Лаваля с кольцевой с ребрами входной частью, внутри которой установлен подпружиненный профилированный штырь с торцом, наружная поверхность которого взаимодействует с внутренней поверхностью кольцевой с ребрами входной частью, в торце штыря выполнены отверстия, со стороны входа форсунки в кольцевую с ребрами входную часть установлена герметично задняя стенка, а в центральной части штыря выполнено отверстие, на наружной поверхности торца штыря выполнены лабиринтные канавки, наружная поверхность торца штыря покрыта серебром. Изобретение обеспечивает повышение удельного импульса тяги, а также повышение надежности работы двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Смесительная головка камеры ЖРД, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа, содержащая патрубки подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними двухкомпонентными форсунками, отличающаяся тем, что полость генераторного газа форсунки выполнена в виде сопла Лаваля с кольцевой с ребрами входной частью, внутри которой установлен подпружиненный профилированный штырь с торцом, наружная поверхность которого взаимодействует с внутренней поверхностью кольцевой с ребрами входной частью, в торце штыря выполнены отверстия, со стороны входа форсунки в кольцевую с ребрами входную часть установлена герметично задняя стенка, а в центральной части штыря выполнено отверстие.

2. Смесительная головка камеры ЖРД, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа, содержащая патрубки подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними двухкомпонентными форсунками по п. 1, отличающаяся тем, что на наружной поверхности торца штыря выполнены лабиринтные канавки.

3. Смесительная головка камеры ЖРД, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа, содержащая патрубки подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними двухкомпонентными форсунками по п. 1, отличающаяся тем, что наружная поверхность торца штыря покрыта серебром.