Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги



Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги
Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги

 


Владельцы патента RU 2572261:

Федеральное государственное унитарное предприятие "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (ФГУП "НИИМаш") (RU)

Изобретение относится к ракетной технике, а более конкретно к организации смесеобразования и горения в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой и особо малой тяги. Камера сгорания состоит из камеры, корпуса смесительной головки с каналами подачи компонентов топлива и коллектором первого из компонентов топлива с форсунками для пленочного охлаждения стенок камеры, направленными на кольцевой конический дефлектор, и коллектора второго компонента, сообщенного с форсунками центрального смесителя. Согласно изобретению коллектор первого компонента выполнен в виде кольцевой полости вокруг осевого коллектора второго компонента, а первый ряд форсунок первого компонента направлен радиально на кольцевой конический дефлектор, а центральный смеситель выполнен в виде струйных форсунок, направленных на второй дефлектор, имеющий форму двух сопрягающихся конических поверхностей, на одну из которых направлены перпендикулярно струйные форсунки первого компонента из кольцевого коллектора, а на вторую - перпендикулярно струйные форсунки из осевого коллектора второго компонента топлива. Второй дефлектор может быть выполнен с поверхностью в виде торового сектора, а форсунки направлены перпендикулярно к этой поверхности. Изобретение обеспечивает повышение экономичности двигателя и улучшения динамических характеристик. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к ракетной технике, а более конкретно - к организации смесеобразования и горения в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой и особо малой тяги.

Известна схема смесеобразования (М.В. Добровольский, «Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования», Москва, издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005, стр.93, рис.3.12 в), где оси струйных форсунок направлены на смесительный экран (дефлектор).

Основным недостатком приведенной схемы смесеобразования (когда струи окислителя и горючего попадают на поверхность дефлектора не под прямым углом к этой поверхности) являются растекание струй по поверхности экрана в виде пелен, поверхность жидкофазного контакта которых существенно меньше, чем у капель. При этом образующиеся в результате химических реакций газофазные промежуточные продукты образуют газовую прослойку, которая разделяет пелены окислителя и горючего. Оставшиеся непрореагировавшими слои окислителя и горючего снижают полноту перемешивания топлива и, как результат - снижается полнота сгорания. Эта схема смесеобразования не позволяет распылить струи на мелкие капли даже при больших скоростях столкновения струи с экраном порядка 30 м/с и более.

Известна также камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги (Статья 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», Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3 (19), 2009, стр.171-177).

Известная камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги состоит из камеры, корпуса смесительной головки с каналами подачи компонентов топлива и коллектором первого из компонентов топлива с форсунками для пленочного охлаждения стенок камеры, направленными на кольцевой конический дефлектор, и коллектором второго компонента, сообщенного с форсунками центрального смесителя. Центральный смеситель представляет собой центробежную форсунку, пелена компонента топлива которой накладывается на пелену первого компонента топлива, растекающегося по стенке камеры. Процессы смесеобразования и воспламенения происходят на стенке камеры.

К недостаткам данной камеры сгорания можно отнести совмещение процесса охлаждения стенок камеры и организации смесеобразования и горения на стенке камеры и вблизи нее. И действительно, с учетом неравномерности толщины пелен и жгутов, стекающих с дефлектора на стенку камеры сгорания, и неравномерности распределения по окружности компонента топлива, поступающего на стенку камеры из центробежной форсунки, задача организации качественного смесеобразования и быстрого выхода двигателя на режим номинальной тяги становится трудноосуществимой. Некачественное перемешивание компонентов топлива приводит к снижению полноты сгорания и экономичности двигателя.

Задачами изобретения являются повышение экономичности двигателя за счет мелкодисперсного распыливания компонентов топлива и перемешивания их в ядре потока и улучшение динамических характеристик двигателя за счет уменьшения объема заклапанных полостей и увеличения площади контакта компонентов топлива в непосредственной близости от форсуночной головки при сохранении удовлетворительного теплового состояния камеры и форсуночной головки.

Решение заключается в том, что в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из камеры, корпуса смесительной головки с каналами подачи компонентов топлива и коллектором первого из компонентов топлива с форсунками для пленочного охлаждения стенок камеры, направленными на кольцевой конический дефлектор, и коллектора второго компонента, сообщенного с форсунками центрального смесителя, согласно изобретению коллектор первого компонента выполнен в виде кольцевой полости вокруг осевого коллектора второго компонента, а первый ряд форсунок первого компонента направлен радиально на кольцевой конический дефлектор, а центральный смеситель выполнен в виде струйных форсунок, направленных на второй дефлектор, имеющий форму двух сопрягающихся конических поверхностей, на одну из которых направлены перпендикулярно струйные форсунки первого компонента из кольцевого коллектора, а на вторую - перпендикулярно струйные форсунки из осевого коллектора второго компонента топлива. Второй дефлектор может быть выполнен с поверхностью в виде торового сектора, а форсунки направлены перпендикулярно к этой поверхности.

Такая конструкция камеры сгорания позволяет организовать смесеобразование в ядре потока, что способствует существенному повышению экономичности двигателя и улучшению его динамических характеристик.

Предлагаемая конструкция поясняется чертежом. На фиг. 1 показан продольный разрез камеры сгорания ЖРДМТ со вторым дефлектором, имеющим конические поверхности; на фиг. 2 - продольный разрез смесительной головки с дефлектором в виде поверхности торового сектора.

Камера сгорания ЖРДМТ состоит из корпуса форсуночной головки 1, кольцевого коллектора 2 окислителя, первого кольцевого конического дефлектора 3, камеры 4, центрального распылителя 5 с форсунками окислителя 6, исходящими из коллектора 2 окислителя, и форсунками горючего 7, исходящими из коллектора горючего 8, второго кольцевого дефлектора 9 с сопряженными коническими поверхностями 10 и 11 или с поверхностью торового сектора 12 (фиг. 2). Форсунки окислителя 13 направлены на первый конический дефлектор 3 и служат для организации пленочного охлаждения стенки камеры 4. Окислитель поступает в коллектор окислителя 2 по подводящему каналу 14, а горючее - в коллектор 8 по подводящему каналу 15.

Камера сгорания работает следующим образом. Окислитель через подводящий канал 14, выполненный в корпусе форсуночной головки 1, поступает в кольцевой коллектор 2 окислителя, где разделяется на две части: одна часть через струйные форсунки 13 поступает в виде струй на коническую кольцевую поверхность первого дефлектора 3, на которой струи растекаются, преобразуясь в пелену; пелена, стекая с кромки кольцевого дефлектора 3, попадает на внутреннюю поверхность камеры 4 и охлаждает ее; другая часть окислителя через струйные форсунки 6 центрального распылителя 5 в виде струй по нормали к конической поверхности 11 ударяется об эту поверхность и распыляется в виде тумана. Дисперсность распыленных струй зависит от скорости: чем больше скорость струи, тем меньше размер капель.

Горючее поступает через подводящий канал 15 в коллектор горючего 8 центрального распылителя 5 и через струйные форсунки 7 в виде струй по нормали к конической поверхности 10 дефлектора 9. Ударяясь о поверхность дефлектора, струи распыляются в виде тумана. Конические поверхности 10 и 11 обращены к центру камеры сгорания и имеют тупой внутренний угол сопряжения. Точки соударения пары струй окислителя и горючего располагаются вблизи друг от друга, но на разных конических поверхностях дефлектора 9. За счет такой формы дефлектора отраженные от поверхности и распыленные в виде тумана потоки капель окислителя и горючего пересекаются и проникают один в другой, обеспечивая качественное и быстрое перемешивание компонентов топлива. Распыленные в виде тумана окислитель и горючее образуют развитые поверхности столкновения мелких капель. Происходит жидкофазное перемешивание столкнувшихся капель компонентов топлива с образованием жидкофазных промежуточных продуктов, повышением температуры промежуточных продуктов и образованием парогаза, в результате чего образуются очаги пламени и продукты сгорания. Вихревые токи вблизи дефлектора 9 способствуют выравниванию состава газов, что, в свою очередь, приводит к выравниванию распределения соотношения компонентов топлива по сечению камеры сгорания.

Результирующий поток каждой пары перемешиваемых распыленных струй направлен к центру камеры, в результате чего происходит столкновение этих потоков и вторичное перемешивание, что ведет к увеличению полноты сгорания.

На дефлекторе с отражающей поверхностью в виде торового сектора 12 (фиг.2) происходят процессы, аналогичные описанным выше, но концентрация потоков распыленных окислителя и горючего возрастает, а значит, возрастает интенсивность перемешивания и жидкофазные предпламенные процессы протекают быстрее, что, помимо увеличения полноты сгорания, должно привести к улучшению динамических характеристик двигателя.

Положительными качествами заявляемой конструкции являются:

- организация смесеобразования в ядре потока, позволяющая получить равномерное по сечению камеры распределение соотношения компонентов топлива, которое, в свою очередь, способствует равномерному распределению температуры продуктов сгорания по сечению камеры и совместно с организованным охлаждением стенок камеры и сопла обеспечивает удовлетворительное тепловое состояние и высокую экономичность двигателя;

- размещение коллекторов окислителя и горючего в осевой зоне камеры сгорания позволяет существенно уменьшить объемы заклапанных полостей, и как следствие - улучшить динамические характеристики двигателя;

- применение струйных форсунок в конструкции камеры сгорания приводит к значительному улучшению технологичности двигателя.

1. Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящая из камеры, корпуса смесительной головки с каналами подачи компонентов топлива и коллектором первого из компонентов топлива с форсунками для пленочного охлаждения стенок камеры, направленными на кольцевой конический дефлектор, и коллектора второго компонента, сообщенного с форсунками центрального смесителя, отличающаяся тем, что коллектор первого компонента выполнен в виде кольцевой полости вокруг осевого коллектора второго компонента, а первый ряд форсунок первого компонента направлен радиально на кольцевой конический дефлектор, а центральный смеситель выполнен в виде струйных форсунок, направленных на второй дефлектор, имеющий форму двух сопрягающихся конических поверхностей, на одну из которых направлены перпендикулярно струйные форсунки первого компонента из кольцевого коллектора, а на вторую - перпендикулярно струйные форсунки из осевого коллектора второго компонента топлива.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что второй дефлектор выполнен с поверхностью в виде торового сектора, а форсунки направлены перпендикулярно к этой поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к способу изготовления внутренней оболочки сопла камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Способ включает ротационное выдавливание оболочки за несколько переходов.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя, работающая на компонентах топлива жидкий кислород и жидкий водород или жидкий кислород и сжиженный природный газ, содержащая запальное устройство, корпус камеры с магистралями подвода горючего на охлаждение, смесительную головку с магистралями подвода горючего, газовод с магистралью подвода окислительного генераторного газа, соединенный с запальным устройством с помощью фланца, расположенного на наружной поверхности с выполненными в нем каналами тракта охлаждения, который одним концом закреплен с фланцем, а другим устанавливается в центральную втулку корпуса смесительной головки, при этом фланец для установки запального устройства расположен на боковой поверхности газовода смесительной головки и имеет кольцевой коллектор, каналы тракта охлаждения которого соединены с каналами охлаждения втулки изогнутой формы с помощью кольцевой накладки, а каналы тракта охлаждения запального устройства соединены с коллектором фланца с помощью трубки.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ).

Камера сгорания силовой установки крылатой ракеты выполнена в виде многослойного изделия и содержит обечайку, несущую механическую нагрузку внутреннего давления, и слой теплозащитного керамического композиционного материала, контактирующего с образующимися при сжигании топлива газами.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя, работающая на компонентах топлива жидкий кислород и жидкий водород или жидкий кислород и сжиженный природный газ, содержащая корпус камеры с магистралью подвода горючего на охлаждение, смесительную головку с магистралью подвода горючего, газовод с магистралью подвода окислительного генераторного газа, газораспределительную решетку, запальное устройство, закрепленное на наружной поверхности газовода, в соответствии с изобретением в центре газовода, газораспределительной решетки и центральной втулки корпуса имеется гильза, которая одним концом жестко закреплена с корпусом газовода, а другим по наружной поверхности устанавливается по конусу в центральную втулку корпуса смесительной головки и на конце внутренней поверхности гильзы имеются центрирующие ребра, по которым свободным концом устанавливается запальное устройство.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к жидкостным ракетным двигателям малой тяги (ЖРДМТ). Способ заключается в подаче одного из самовоспламеняющихся компонентов топлива, например, горючего через соосную с камерой сгорания центробежную форсунку с образованием цилиндрической пелены, переходящей в коническую за срезом сопла форсунки и второго компонента, например, окислителя через струйные форсунки, равномерно расположенные по окружности, соосной с соплом центробежной форсунки, по заявляемому изобретению весь второй компонент подают через струйные форсунки на конический дефлектор, соосный с ними, формируют на нем первичные пленки, которые затем подают с острой кромки дефлектора на внутреннюю стенку камеры сгорания и формируют на ней вторичные пленки, которые впервые соприкасают с пленкой первого компонента на стенке камеры сгорания для организации жидкофазного смешения компонентов путем взаимного проникновения горючего и окислителя на полную их толщину на стенке камеры сгорания и одновременного охлаждения ее всем поступающим компонентом, при этом обеспечивают длину свободного пролета пленки конуса распыла центробежной форсунки до встречи с камерой сгорания, не превышающую более чем в два раза расчетную длину начала распада пленки, а толщины пленок окислителя и горючего формируют исходя из соотношений: ; где - внутренний диаметр расположения вторичных пленок окислителя на стенке камеры сгорания; - толщины вторичной пленки окислителя на стенке камеры сгорания; rm.к.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а конкретно к жидкостным ракетным двигателям малой тяги, используемым в качестве исполнительных органов систем управления движением космических летательных аппаратов.

Изобретение относится к композиционным материалам, в частности к углерод-углеродному композиционному материалу, и может использоваться при изготовлении жидкостных ракетных двигателей.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. В системе охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащей цилиндрическую камеру сгорания и сопло, содержащее, в свою очередь, сужающуюся и расширяющую части и критическое сечение между ними, выполненные в виде наружной оболочки, внутренней оболочки с основными ребрами постоянной толщины, образующими тракт охлаждения, и, по меньшей мере, один пояс завесы с тангенциальными отверстиями и коллектором, внутри которого установлена кольцевая деталь, согласно изобретению кольцевая деталь выполнена трапециевидной формы с полостью трапециевидной формы, на торцах кольцевой детали под углом к оси камеры сгорания выполнены входные и выходные отверстия.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в качестве корректирующей двигательной установки космического аппарата. Жидкостно-газовый реактивный двигатель (ЖГРД) содержит бак, заполненный жидким рабочим телом - водой, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к камерам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Способ подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя заключается в подаче компонентов топлива при помощи форсунок из соответствующих полостей смесительной головки.

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Ракетный двигатель малой тяги с регулированием тяги содержащий камеру сгорания, смесительную головку с каналами и устройствами для подачи и регулирования расхода компонентов топлива, а также форсунки для распределения компонентов топлива, при этом устройства для подачи и регулирования расхода каждого компонента топлива, имеют пьезоэлектрический привод, а для управления тяговыми характеристиками двигатель снабжен источниками питания, которые встроены в электрическую цепь каждого пьезоэлектрического привода, при этом источники питания имеют регулятор напряжения.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для изготовления смесительной головки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Способ включает сборку блока форсунок смесительной головки, их сборку под пайку, пайку в высоковакуумной печи, контроль качества, испытания на прочность и герметичность.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ).

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к жидкостным ракетным двигателям малой тяги (ЖРДМТ). Способ заключается в подаче одного из самовоспламеняющихся компонентов топлива, например, горючего через соосную с камерой сгорания центробежную форсунку с образованием цилиндрической пелены, переходящей в коническую за срезом сопла форсунки и второго компонента, например, окислителя через струйные форсунки, равномерно расположенные по окружности, соосной с соплом центробежной форсунки, по заявляемому изобретению весь второй компонент подают через струйные форсунки на конический дефлектор, соосный с ними, формируют на нем первичные пленки, которые затем подают с острой кромки дефлектора на внутреннюю стенку камеры сгорания и формируют на ней вторичные пленки, которые впервые соприкасают с пленкой первого компонента на стенке камеры сгорания для организации жидкофазного смешения компонентов путем взаимного проникновения горючего и окислителя на полную их толщину на стенке камеры сгорания и одновременного охлаждения ее всем поступающим компонентом, при этом обеспечивают длину свободного пролета пленки конуса распыла центробежной форсунки до встречи с камерой сгорания, не превышающую более чем в два раза расчетную длину начала распада пленки, а толщины пленок окислителя и горючего формируют исходя из соотношений: ; где - внутренний диаметр расположения вторичных пленок окислителя на стенке камеры сгорания; - толщины вторичной пленки окислителя на стенке камеры сгорания; rm.к.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к жидкостным ракетным двигателям малой тяги (ЖРДМТ). В ЖРДМТ на двухкомпонентном топливе, содержащем неохлаждаемую камеру сгорания, смесительную головку с внутренним днищем, осевой центробежной форсункой, периферийным поясом струйных форсунок и кольцевым коническим дефлектором между ними, в соответствии с изобретением срез центробежной форсунки углублен от выходной кромки образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок, при этом коническая поверхность дефлектора в своей корневой части плавно переходит в цилиндрическую поверхность, соосную с дефлектором, и плавно переходит в обратный конус, острая кромка образующей которого ограничена цилиндрической поверхностью диаметром, меньшим диаметра расположения периферийного пояса струйных форсунок.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Форсуночная головка камеры сгорания ЖРД содержит корпус и огневое днище с установленными в них форсунками, имеющими центральный профилированный и тангенциальный каналы, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, при этом торец выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки расположен перед отверстиями тангенциального канала форсунки, а уступ h между центральным и тангенциальным каналами составляет не более 20% d, где d - диаметр тангенциального канала форсунки.

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), применяемых в ракетной технике, и также может быть использовано в агрегатах промышленной энергетики.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя. Двухкомпонентная газожидкостная форсунка, преимущественно для камеры жидкостного ракетного двигателя, содержит корпус с наконечником для подачи горючего, при этом наконечник форсунки установлен внутри корпуса на пилонах, а его канал соединен с полостью горючего при помощи отверстий, выполненных в пилонах, втулку, установленную с кольцевым зазором на корпус и образующую кольцевой канал для подачи газообразного окислителя, соединенный с полостью окислителя при помощи каналов, выполненных в корпусе между его стенкой и пилонами для подачи горючего, при этом канал наконечника выполнен закрытым со стороны его входной части, а его внутренняя полость соединена с кольцевым зазором между наконечником и втулкой при помощи отверстий, предпочтительно, радиальных, выполненных в его выходной части, при этом в выходной части втулки выполнено ступенчатое расширение, полость которого соединена с полостью горючего при помощи тангенциальных каналов, выполненных в стенке втулки.

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 жидкостным ракетным двигателям малой тяги (ЖРДМТ). В ЖРДМТ, содержащем неохлаждаемую камеру 1, смесительную головку с внутренним днищем 2, осевую центробежную форсунку 3, периферийный пояс струйных форсунок 4 и кольцевой конический дефлектор 5 между ними, при этом срез 6 центробежной форсунки углублен от выходной кромки 7, образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок 4, согласно изобретению полость камеры сгорания 8 над наружной поверхностью 9 дефлектора и полость 10 под внутренней поверхностью 11 дефлектора и внутренним днищем смесительной головки сообщены между собой каналами 12. Изобретение обеспечивает повышение стабильности работы ЖРДМТ, повышение удельного импульса и эффективное охлаждение камеры сгорания и смесительной головки. 5 ил.
Наверх