Соосно-струйная форсунка



Соосно-струйная форсунка
Соосно-струйная форсунка

 


Владельцы патента RU 2490504:

Черниченко Владимир Викторович (RU)

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). Соосно-струйная форсунка содержит корпус с полым наконечником, в выходной части которого имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, и соединяющим полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость основного горючего с зоной горения, при этом радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3…2,5s, где s - толщина луча, при этом число лучей равно трем, причем во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, а входная - соединяется с полостью дополнительного горючего. Изобретение обеспечивает использовать форсунку в качестве трехкомпонентной с повышенной полнотой смесеобразования. 2 ил.

 

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).

На настоящем этапе развития космических транспортных средств сложилась ситуация, когда возможности по совершенствованию химических ракетных двигателей традиционных типов (на основе стационарных или медленно протекающих рабочих процессов) практически полностью исчерпаны и ограничены незначительным улучшением энерго-массовых характеристик, достигаемым, как правило, в ущерб надежности, безопасности и экологичности.

Для разработки в дальнейшем наиболее эффективных одноступенчатых систем выведения необходимо создание ЖРД нового поколения, работающих при использовании с жидким кислородом двух горючих - водорода и углеводородного горючего (УВГ), чаще всего, керосина. Основным преимуществом трехкомпонентных ЖРД по сравнению с двухкомпонентными кислородно-водородными двигателями является уменьшение потребных запасов водорода в 1,5…2 раза, что позволит сократить затраты на выведение полезной нагрузки. Это обеспечит также уменьшение "сухой" массы конструкции носителя. Проведенные исследования показали конкурентоспособность и значительную эффективность ЖРД, работающих на трехкомпонентном топливе (жидкий кислород - углеводородное горючее/керосин - жидкий водород).

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 топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы, а внутренняя поверхность втулки выполнена эквидистантно профилированной наружной поверхности пазов наконечника (патент РФ №2161719 от 23.02.99 MПK: F02K 9/53, 9/60).

Увеличение полноты смесеобразования при использовании данных форсунок происходит за счет профилирования выходной части струи, увеличения периметра контакта компонентов и уменьшения длины нераспавшейся части струи.

Основными недостатками данной форсунки является то, что ее конструкция не позволяет использовать форсунку для работы в качестве трехкомпонентной, для трехкомпонентного двигателя, работающего на режиме первой ступени на компонентах топлива «кислород-керосин-водород» с последующим переходом на режиме второй и последующих ступеней на компоненты топлива ««кислород-водород».

Известна топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, при этом основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом (патент РФ №2232916, МПК: F02K 9/53, 9/60 - прототип).

Основным недостатком данной форсунки является значительная сложность конструкции и пониженная полнота рабочего процесса, вызванная тем, что расширение струи водорода происходит в полости керосина, что приводит к нерасчетным условиям работы и потерям удельного импульса тяги.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание коаксиальной соосно-струйной форсунки, конструкция которой позволит использовать ее в качестве трехкомпонентной с обеспечением повышенной полноты смесеобразования.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной соосно-струйной форсунке, содержащей корпус с полым наконечником, в выходной части которого имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость основного горючего с зоной горения, при этом радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3…2,5s, где s - толщина луча, при этом число лучей равно трем, согласно изобретению, во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная - соединяется с полостью дополнительного горючего.

Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан осевой разрез предложенной форсунки, на фиг.2 - поперечный разрез выходной части указанной соосно-струйной форсунки с трехлучевой выходной частью наконечника.

Соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник 1, с осевым каналом 2 внутри него, соединяющим полость окислителя (не показана) с полостью камеры сгорания. В выходной части наконечника выполнены радиально расположенные выступы 3 и пазы 4. На наконечник 1 с кольцевым зазором 5 установлена втулка 6, соединяющая полость основного горючего - водорода (не показана) с полостью камеры сгорания. Во втулке 6, между выступами 3 наконечника, выполнены каналы 7, выходная часть 8 которых открывается в зону горения, входная 9 -соединяется с полостью дополнительного горючего - керосина (не показана) при помощи каналов 10, при этом наружный профиль каналов 7 эквидистантен профилю выходной части наконечника 1.

Предложенная соосно-струйная форсунка в составе смесительной головки трехкомпонентного ЖРД работает следующим образом.

Из полости блока подачи окислителя окислитель по осевому каналу 2 внутри наконечника 1 подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов 4 струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов 4, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.

Изменение формы струи окислителя с круглой на трехлучевую звездообразную при неизменной площади выходного сечения улучшает условия разрушения струи, позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи и длину нераспавшейся части струи. Кроме этого, контакт струи окислителя со струей горючего происходит по поверхности образовавшихся ребер, что приводит к его увеличению по сравнению с круглой струей на 30-45%.

Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается, что позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Водород из полости блока подачи водорода по зазору 4 между наконечником 1 и втулкой 6 подается в зону горения.

На режиме первой ступени, через каналы 7, из полости блока подачи керосина в камеру сгорания также подается керосин, который, соединяясь с водородом, увеличивает плотность горючего «водород-керосин», что приводит к повышению эффективности работы двигателя на режиме первой ступени.

На режиме второй и последующих ступеней, подача керосина через каналы 7 отсекается, и двигатель продолжает работать на компонентах «водород-кислород» с повышенной эффективностью за счет улучшенного смесеобразования.

Применение предложенной соосно-струйной форсунки в кислородно-водородных/керосиновых ЖРД позволит значительно упростить конструкцию смесительной головки и повысить эффективность работы двигателя на трехкомпонентном топливе.

Соосно-струйная форсунка, характеризующаяся тем, что она содержит корпус с полым наконечником, в выходной части которого имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, и соединяющим полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость основного горючего с зоной горения, при этом радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3…2,5s, где s - толщина луча, при этом число лучей равно трем, причем во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, а входная соединяется с полостью дополнительного горючего.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), особенно работающих на трехкомпонентном топливе.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

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).

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к способам и устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при разработке форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), содержащих систему воспламенения.

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при разработке форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), содержащих систему воспламенения.

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при разработке форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), содержащих систему воспламенения.

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при разработке форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), содержащих систему воспламенения.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). .

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распиливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), особенно работающих на трехкомпонентном топливе

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), особенно работающих на трехкомпонентном топливе

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании трехкомпонентных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например, кислороде, водороде и керосине

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 корпус, блок подачи окислителя, преимущественно кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего и блок огневого днища. В указанных блоках установлены по концентрическим окружностям коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны. Коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость блока окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость блока основного горючего с зоной горения, при этом в наконечниках форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин. Во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная соединяется с полостью дополнительного горючего, при этом наружный профиль каналов эквидистантен профилю наконечника. Изобретение обеспечивает использовать смесительную головку в качестве трехкомпонентной, повышенную полноту смесеобразования. 4 ил.

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 корпус, блок подачи окислителя, преимущественно кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего и блок огневого днища. В указанных блоках установлены по концентрическим окружностям коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны. Коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость первого горючего с зоной горения, при этом в наконечниках форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, причем радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, длина луча - 2,3…2,5s, где s - толщина луча, при этом число лучей равно трем. Во втулке между выступами наконечника выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная соединяется с полостью второго горючего, при этом наружный профиль каналов эквидистантен профилю наконечника. Изобретение обеспечивает повышение полноты смесеобразования. 4 ил.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), особенно работающих на трехкомпонентном топливе. Камера ЖРД содержит регенеративно охлаждаемую камеру сгорания с критическим сечением и соплом, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, преимущественно, кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего, блок огневого днища. В указанных блоках по концентрическим окружностям установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны. Коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость первого горючего с зоной горения, при этом в наконечниках, как минимум, форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, причем во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная - соединяется с полостью дополнительного горючего. Изобретение обеспечивает повышение экономичности рабочего процесса. 5 ил.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к устройствам для перемешивания и распиливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), особенно работающих на трехкомпонентном топливе. ЖРД содержит, как минимум, один газогенератор, как минимум, один турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования, камеру со смесительной головкой, включающей корпус, блок подачи окислителя, преимущественно кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего, блок огневого днища. В указанных блоках по концентрическим окружностям установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны. Коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость первого горючего с зоной горения. В наконечниках, как минимум, форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, причем радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, длина луча - 2,3…2,5s, где s - толщина луча. Число лучей равно трем. Во втулке между выступами наконечника выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная - соединяется с полостью дополнительного горючего, при этом наружный профиль указанных каналов эквидистантен профилю наконечника. Изобретение обеспечивает повышенную полноту смесеобразования при работе на трехкомпонентном топливе. 5 ил.

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании трехкомпонентных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде, водороде и керосине. Жидкостный ракетный двигатель содержит, как минимум, один газогенератор, как минимум, один турбонасосный агрегат, органы питания и регулирования, кольцевую регенеративно охлаждаемую камеру с профилированным центральным телом, во внутренней полости которого установлены перечисленные агрегаты, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, преимущественно, кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего, блок огневого днища. В указанных блоках по концентрическим окружностям установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны. Коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость блока основного горючего с зоной горения, при этом в наконечниках, как минимум, форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, причем во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная - соединяется с полостью блока дополнительного горючего. Изобретение обеспечивает повышение полноты смесеобразования при работе на трехкомпонентном топливе. 5 ил.

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании трехкомпонентных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде, водороде и керосине. Жидкостный ракетный двигатель содержит как минимум один газогенератор, как минимум один турбонасосный агрегат, органы питания и регулирования, кольцевую регенеративно охлаждаемую камеру с профилированным центральным телом, во внутренней полости которого установлены перечисленные агрегаты, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, преимущественно кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего, блок огневого днища. В указанных блоках по концентрическим окружностям установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны. Упомянутые коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость первого горючего с зоной горения. В наконечниках, как минимум, форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, причем радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, длина луча - 2,3…2,5s, где s - толщина луча, при этом число лучей равно трем, причем во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная - соединяется с полостью дополнительного горючего. Изобретение обеспечивает повышение полноты смесеобразования на всех режимах на трехкомпонентном топливе. 5 ил.

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании трехкомпонентных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например, кислороде, водороде и керосине. Жидкостный ракетный двигатель содержит, как минимум, один газогенератор, как минимум, один турбонасосный агрегат, органы питания и регулирования, кольцевую регенеративно охлаждаемую камеру с профилированным центральным телом, во внутренней полости которого установлены перечисленные агрегаты, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, преимущественно, кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего, блок огневого днища. В указанных блоках по концентрическим окружностям установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны. Коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость блока основного горючего с зоной горения, при этом в наконечниках, как минимум, форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, причем во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в зону горения, входная - соединяется с полостью блока дополнительного горючего, при этом наружный профиль указанных каналов эквидистантен профилю наконечника. Изобретение обеспечивает повышение полноты смесеобразования при работе на трехкомпонентном топливе. 5 ил.
Наверх