Жидкостный ракетный двигатель малой тяги

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в конструкции жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ). ЖРДМТ, содержащий камеру 1, смесительную головку с внутренним днищем 2, осевую центробежную форсунку 3, периферийный пояс струйных форсунок 4, 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, 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, которые смещены относительно отверстий форсунки на полшага (α/2). При таком исполнении струи форсунок 4 не испытывают возмущений при работе двигателя. Изобретение обеспечивает повышение энергетических характеристик двигателя, а также осуществляется надежное охлаждение камеры сгорания и смесительной головки. 5 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в конструкции, в частности жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ).

ЖРДМТ в настоящее время применяются в большинстве космических аппаратов, кораблях и разгонных блоках ракет носителей в качестве исполнительных органов системы управления. В связи с этим в последнее время существенно возрастают требования к ЖРДМТ по ресурсу, надежности работы и энергетическим показателям.

Для выполнения всех этих требований необходимо решение задачи по обеспечению приемлемого теплового состояния ЖРДМТ - запаса по температуре стенки камеры сгорания (особенно в районе критического сечения), неперегреве смесительной головки и агрегатов ЖРДМТ и недопущения вскипания компонентов топлива. При этом требуется реализовать его высокую экономичность (Jуд≥2950 м/с).

Для решения этой задачи требуется обеспечение участия максимального количества топлива в процессе охлаждения камеры.

Известны технические решения, в которых для обеспечения эффективного охлаждения смешение компонентов осуществляется на начальном участке стенки камеры сгорания. Фирма « Gesellschaft» из ФРГ имеет патент США №3169368 на однофорсуночную головку ЖРДМТ с 2-х компонентной центробежной форсункой. Техническое решение, заявленное фирмой «ThiokolChemicalCarp» в патенте №3382677 США, предусматривает подачу компонента «Г» через тангенциальные отверстия либо через струйные с закруткой на стенку, и подачу компонента «О» из центрального канала через радиальные струйные форсунки на отражательное кольцо. Оба этих решения не обеспечивают достаточного охлаждения стенок камеры сгорания вследствие возникновения колебаний в камере сгорания, срыва потока (в первом техническом решении), разрушения и затормаживания текущей пленки (во втором техническом решении), что ограничивает длительность непрерывных и импульсных пусков.

Известно техническое решение, заявленное фирмой ФРГ « Gesellschaft», патент в США №3546883, во Франции №1578093, в Англии №1229628. Окислитель из кольцевого коллектора истекает через струйные форсунки под углом на цилиндрическую поверхность камеры сгорания. На растекающиеся пленки окислителя падает создаваемая конусом распыла осевой центробежной форсунки пленка горючего. От места контакта пленки текут вместе, осуществляя процесс жидкофазного смешения компонентов и одновременно участвуя в охлаждении камеры сгорания. За счет большой составляющей осевой скорости пленок компонентов обеспечивается эффективный теплосъем корневой части камеры сгорания. Но испытания опытных образцов, выполненных по указанной выше конструкции, выявили, что при длительных включениях в импульсном режиме, а также при длительных включениях на компонентах с температурой, близкой к верхнему пределу, заданному техническим заданием, наблюдается значительный рост температуры смесительной головки, что приводит к падению расхода окислителя и соответственно надежности двигателя.

Известный ЖРДМТ на самовоспламеняющемся двухкомпонентном топливе, взятый за прототип изобретения (см. патент на изобретение №2577908), содержит неохлаждаемую камеру сгорания, смесительную головку с внутренним днищем, осевой центробежной форсункой, периферийным поясом струйных форсунок и кольцевым коническим дефлектором между ними, причем 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 переходящую в обратный конус, острая кромка образующей которого ограничена цилиндрической поверхностью диаметром, меньшим диаметра расположения периферийного пояса струйных форсунок. Согласно этому решению окислитель через струйные форсунки попадает на конический дефлектор, на котором струя преобразуется в первичную пленку, стекающую с кромки дефлектора, и, попадая на внутреннюю стенку камеры сгорания, преобразуется в пленку вторичного растекания. Каналы, выполненные на периферийном поясе форсунок, выравнивают давления между полостью камеры сгорания над наружной поверхностью дефлектора и полостью под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки, что полностью исключает возможность возникновения эффекта эжекции, и, следовательно, возникновения разряжения в полости под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки, ограниченной пленкой факела распыла центробежной форсунки. Поэтому перепад давления на пленке факела распыла не возникает и факел распыла не отклоняется от первоначального расчетно-проектного положения. Таким образом, струи окислителя преобразовываются в пленки, покрывающие практически всю окружность стенки камеры сгорания. Горючее через осевую центробежную форсунку в виде пленки конуса распыла попадает также на стенку камеры сгорания, где происходит соприкосновение самовоспламеняющихся компонентов топлива, совместное их течение по стенке камеры с взаимным их проникновением и жидкофазным смешением с образованием продуктов сгорания. Таким образом, практически все топливо: окислитель и горючее - попадает на стенку камеры сгорания, участвует в ее охлаждении и снятии значительной части теплового потока, направленного по стенке камеры сгорания от критического сечения в сторону смесительной головки. Установка дефлектора позволяет существенно снизить тепловой поток в головку от излучения продуктов горения в камере сгорания, поскольку кольцевой дефлектор закрывает значительную часть днища головки, а сам охлаждается окислителем.

Недостаток решения по прототипу заключается в следующем. В ЖРДМТ, напротив струйных отверстий располагаются каналы, окислитель попадает через струйные форсунки на конический дефлектор. При этом за счет выравнивания давлений между полостью камеры сгорания над наружной поверхностью дефлектора и полостью под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки создается перепад давления и перетекание газовой среды из полости с большим давление в полость с меньшим. Данное перетекание газовой среды оказывает возмущение на струи периферийного пояса форсунок, струя перед преобразованием в первичную пленку начинает отклоняться от расчетно-проектного положения на угол β, следовательно, ухудшается процесс растекания по дефлектору, жидкофазное смешение, что сказывается на качестве охлаждения камеры сгорания, стабильности работы и энергетических характеристиках ЖРДМТ. Также при расположение каналов напротив отверстий струйных форсунок происходит попадание затылочной части первичной пленки окислителя по наружной поверхности дефлектора в полость под внутренней поверхностью дефлектора, что приводит к его неэффективному использованию.

Изобретение направлено на повышение стабильности работы ЖРДМТ и, следовательно, улучшение его параметров.

Этот технический результат достигается тем, что в известном ЖРДМТ на двухкомпонентном топливе, содержащем неохлаждаемую камеру сгорания, смесительную головку с внутренним днищем, осевой центробежной форсункой, периферийным поясом струйных форсунок, равномерно расположенных относительно друг друга на шаг α, и кольцевым коническим дефлектором между ними, при этом срез центробежной форсунки углублен от выходной кромки образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок, полость камеры сгорания над наружной поверхностью дефлектора и полость под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки сообщены между собой каналами, отличается тем, что каналы смещены относительно отверстий форсунки на полшага (α/2).

При таком исполнении в полостях над наружной поверхностью дефлектора и под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки давления не только выравниваются, что полностью исключает возможность возникновения эффекта эжекции, но и исключают возможность отклонения струй от первоначального расчетно-проектного положения, не нарушается растекание пленок по дефлектору и предотвращается затекание части первичной пленки окислителя в полость под внутренней поверхностью дефлектора.

На Фиг. 1 показан общий вид ЖРДМТ по изобретению. На Фиг. 2 приведен выносной элемент А (см. Фиг. 1) со смещением каналов относительно отверстий струйных форсунок на полшага (α/2). На Фиг. 3 приведено наглядное расположение струй со смещением на полшага (α/2) относительно отверстий струйных форсунок и растекание пленок окислителя по дефлектору по изобретению (см. Фиг. 2). На Фиг. 4 приведен выносной элемент А для ЖРДМТ по прототипу (см. Фиг. 1) с расположением каналов напротив отверстий струйных форсунок, отклонение струй от расчетного-проектного положения на угол β. На Фиг. 5 приведено сечение В-В прототипа и показано перетекание первичной пленки окислителя по наружной поверхности дефлектора в полость под внутренней поверхностью дефлектора.

ЖРДМТ содержит камеру 1, смесительную головку с внутренним днищем 2, осевую центробежную форсунку 3, периферийный пояс струйных форсунок 4, расположенных относительно друг друга на шаг α, кольцевой конический дефлектор 5 между ними. Срез 6 центробежной форсунки углублен от выходной кромки 7 образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок 4. Полость 8 камеры сгорания над наружной поверхностью 9 дефлектора и полость 10 под внутренней поверхностью 11 дефлектора и внутренним днищем смесительной головки соединены каналами 12, которые смещены относительно отверстий форсунки на полшага (α/2).

Позицией 13 показана струя форсунки с нерасчетным углом падения на конус дефлектора, возникающая в прототипе в результате выравнивания давлений между полостями 8 и 10. Струя 14 струйной форсунки соответствует расчетно-проектному положению. Позицией 15 отмечен момент перетекания газовой среды в камере сгорания между полостями 8 и 10. Первичная пленка струи 16 с отклонением от расчетного положения. Первичная пленка струи 17 с учетом изобретения.

При работе ЖРДМТ происходит выравнивание давления в полостях 8 и 10 по каналам 12. Благодаря смещению каналов 12 относительно отверстий струйных форсунок 4 на полшага (α/2), перетекание газовой среды по каналам 12 из полости большего давления в полость меньшего не оказывает возмущения на струи периферийного пояса форсунок 4, струи попадают в расчетную точку на поверхности дефлектора и преобразуются в первичную пленку, стекающую с кромки дефлектора, и, попадая на внутреннюю стенку камеры сгорания, преобразуются в пленку вторичного растекания в соответствии с расчетно-проектным данными. Поэтому струи форсунок устойчивы, первичные пленки долетают до стенки камеры сгорания, не теряя скорости и заданного угла падения, где встречаются с пленкой горючего. Дальше они текут вдоль стенки камеры сгорания вместе, осуществляя жидкофазное смешение компонентов по всему периметру камеры и одновременно участвуя в ее охлаждении. Протекающий процесс жидкофазного смешения близок к оптимальному. Соответственно повышаются энергетические характеристики двигателя, а также осуществляется надежное охлаждение камеры сгорания и смесительной головки. Благодаря расположению каналов 12 со смещением относительно отверстий струйных форсунок на полшага (α/2) и расположению их в корневой части дефлектора 5 попадания растекающейся части первичной пленки окислителя по наружной поверхности 9 дефлектора в полость 10 под внутренней поверхностью 11 дефлектора не происходит.

Выполненные по заявленному изобретению опытные образцы ЖРДМТ тягой 400 Н проходили испытания на предприятии-заявителе. Величина удельного импульса по сравнению с прототипом повысилась на 50-70 м/с (5-7 с), при этом температура стенки камеры сгорания не превышала 1200°С (при допустимой 1800°С), температура на смесительной головке и агрегатах ЖРДМТ - не более 35°С. Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить стабильность и устойчивость работы ЖРДМТ без колебаний и забросов давления в камере сгорания и обеспечить высокий удельный импульс, а также эффективное охлаждение камеры сгорания и смесительной головки ЖРДМТ.

Жидкостный ракетный двигатель малой тяги на двухкомпонентном топливе, содержащий камеру сгорания, смесительную головку с внутренним днищем, осевой центробежной форсункой, периферийным поясом струйных форсунок, равномерно расположенных относительно друг друга на шаг, и кольцевым коническим дефлектором между ними, при этом срез центробежной форсунки углублен от выходной кромки образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок, полость камеры сгорания над наружной поверхностью дефлектора и полость под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки сообщены между собой каналами, отличающийся тем, что каналы смещены относительно отверстий струйных форсунок на полшага.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям, работающим с дожиганием генераторного газа. Камера сгорания ЖРД, работающего с дожиганием генераторного газа, содержащая газовод, смесительную головку со смесительными элементами, корпус камеры и магистрали подвода компонентов топлива, согласно изобретению в районе минимального сечения камеры выполнен газовод тороидальной формы, полость которого с помощью оребренного тракта, выполненного на наружной стенке корпуса камеры и наружного днища головки, соединена со смесительными элементами головки.

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), работающих на газообразных водороде (Н2) и кислороде (О2) в качестве исполнительных органов систем управления объектов ракетно-космической техники.

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги (РДМТ). Ракетный двигатель малой тяги, состоящий из головки двигателя, свечи зажигания топлива, системы подачи компонентов топлива в зону электроискрового разряда и в камеру сгорания с внутренним охлаждением, при этом в камере сгорания установлены центробежная форсунка водорода и не менее шести периферийных струйных форсунок кислорода с возможностью активного взаимодействия потока водорода и струй кислорода, при этом форсунки расположены равномерно по окружности на поверхности головки, и оси которых направлены под углом 35°-45° к оси двигателя.

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), работающих на газообразных водороде (Н2) и кислороде (О2) в космическом пространстве в качестве исполнительных органов систем управления объектов ракетно-космической техники.

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Двигатель содержит свечу зажигания поверхностного разряда 1, разрядную полость 2 свечи зажигания, диафрагму 3, каналы 4, соединяющие разрядную полость 2 свечи зажигания и ступень воспламенения устройства 5 (вторую ступень), первую ступень 6 двигателя с каналами 7 подачи водорода, вторую ступень 5 с каналами 8 подачи кислорода, третью ступень 9 с каналами 10 подачи водорода, четвертую ступень 11 с каналами 12 подачи кислорода и с каналами 13 для подачи кислорода в четвертую ступень 11 с целью охлаждения стенок камеры сгорания, образованной ступенями двигателя, и дозвуковой части сопла 14.

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгазогенераторных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих на криогенных компонентах топлива.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя. Соосно-струйная форсунка, преимущественно для камеры жидкостного ракетного двигателя, содержит, наконечник с профилированным осевым каналом, соединяющим полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, причем на цилиндрической поверхности наконечника выполнены радиальные отверстия, равномерно расположенные по окружности и соединяющие осевой канал наконечника с внутренней полостью втулки.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно камерам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), и может быть использовано при создании высокоэкономичных смесительных головок и камер ЖРД для перспективных средств выведения.

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

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования двигателей особо малой тяги (1-2 Н). Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги состоит из каналов подвода окислителя и горючего, смесительной камеры со струйными форсунками окислителя и горючего, площадь поперечного сечения которой больше суммарной площади форсунок окислителя и горючего, а длина равна длине совместного пробега струй до окончания периода жидкофазной индукции, при этом форсунка одного из компонентов топлива соосна смесительной головке, а форсунки второго компонента выполнены в боковой стенке смесительной головки и размещены осесимметрично относительно оси центральной форсунки.

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Ракетный двигатель малой тяги на газообразных водороде и кислороде, состоящий из свечи зажигания топлива, смесительной головки, обеспечивающей смешение топлива и внутреннее охлаждение стенки камеры сгорания, камеры сгорания и сопла, в смесительной головке двигателя выполнены струйные форсунки типа струя в сносящем потоке кислорода, суммарные векторы потоков которых направлены в плоскости, перпендикулярной оси двигателя, навстречу друг другу. Изобретение обеспечивает увеличение полноты сгорания газообразных водорода и кислорода. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области ракетных двигателей, более конкретно к системе подачи ракетного топлива в ракетный двигатель (2), включающей в себя первый бак (3), второй бак (4), первую систему питания (6), соединенную с первым баком (3), и вторую систему питания (7), соединенную со вторым баком (4). Для охлаждения ракетного топлива, содержащегося во втором баке (4), первая система питания (6) включает в себя ответвление (12), проходящее через первый теплообменник (14), встроенный во второй бак (4). Изобретение также относится к способу подачи ракетного топлива в ракетный двигатель (2). Изобретение обеспечивает поддержание давления внутри баков выше минимального предела. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Ракетный двигатель малой тяги на газообразных водороде и кислороде, состоящий из электропневмоклапанов горючего и окислителя, смесительной головки, включающей воспламенительное устройство со свечой зажигания, дозвуковую газовую завесу для обеспечения допустимого теплового состояния конструкции двигателя, камеры сгорания и сопла, согласно изобретению на камере сгорания установлены друг над другом два кольцевых цилиндра из жаростойкой и жаропрочной стали с коллекторами водорода и кислорода соответственно, на торцевых поверхностях которых установлены прямоугольные каналы так, чтобы каждый канал водорода пересекался с каналом кислорода. Число узлов пересекающихся прямоугольных каналов водорода и кислорода равно 3, 4, 5 и более и распределенных равномерно по окружности. Высота и ширина прямоугольных каналов соотносятся как 1:2. Соотношение скоростей струй водорода и кислорода составляет 2,5:1. Изобретение обеспечивает увеличение полноты сгорания топлива ракетного двигателя. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в конструкции жидкостных ракетных двигателей малой тяги. ЖРДМТ, содержащий камеру 1, смесительную головку с внутренним днищем 2, осевую центробежную форсунку 3, периферийный пояс струйных форсунок 4, 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, 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, которые смещены относительно отверстий форсунки на полшага. При таком исполнении струи форсунок 4 не испытывают возмущений при работе двигателя. Изобретение обеспечивает повышение энергетических характеристик двигателя, а также осуществляется надежное охлаждение камеры сгорания и смесительной головки. 5 ил.

Наверх