Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги

Изобретение относится к ракетной технике, а более конкретно - к организации смесеобразования жидких самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ). Смесительная головка состоит из корпуса с каналами подачи окислителя и горючего и соответствующими форсунками с размещенными напротив них дефлекторами с коническими отражающими поверхностями, обращенными друг к другу. Согласно изобретению, дефлекторы выполнены кольцевыми, чередующимися от оси смесительной головки к периферии, а кромки хотя бы одного из дефлекторов образуют с конической поверхностью другого дефлектора кольцевой зазор, переходящий в кольцевой конический канал, выход из которого выполнен в зоне выхода следующего кольцевого канала. Смесительная головка имеет внешний дефлектор, выступающий за пределы выходов из кольцевых конических каналов и образуют коническую предкамеру. Изобретение обеспечивает улучшение технологичности изготовления ЖПДМТ, а также повышение экономичности ЖРДМТ за счет организации смесеобразования в ядре потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известна схема смесеобразования компонентов ракетного топлива со смесительным экраном-отражателем (М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. / Под ред. Д.А. Ягодникова, М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005, стр. 93, рис. 3.12. в).

В известном решении в качестве дефлектора применяется тонкая стенка, о которую ударяются струи окислителя и горючего. Основным недостатком приведенной схемы является низкое качество смешения компонентов топлива, поскольку после соударения со стенкой компоненты топлива продолжают движение практически параллельно друг другу. Перемешивание и химическое взаимодействие между окислителем и горючим происходит только по границе соприкосновения при отсутствии взаимного проникновения компонентов друг в друга (жидкофазного перемешивания), что приводит к отталкиванию компонентов друг от друга. Результатом такого смешения является низкая полнота сгорания компонентов топлива, и, как следствие, - низкая экономичность, плохие динамические характеристики (τ0,9, τ0,1, τп.д.) и плохие габаритно-массовые характеристики двигателя, из-за необходимости увеличения объема камеры для повышения полноты сгорания.

Известна схема смесеобразования, реализованная в ЖРДМТ разработки КБ ХИММАШ им. A.M. Исаева - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева (Ю.И. Агеенко. «Исследование параметров смесеобразования и методический подход к расчетам и проектированию ЖРДМТ со струйно-центробежной схемой смешения компонентов АТ и НДМГ на стенке камеры сгорания». Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Авиационная и ракетно-космическая техника, №3(19), 2009, стр. 171-177). На стр. 172 представлена дефлекторно-центробежная схема смесеобразования, состоящая из струйных форсунок окислителя, направленных на кольцевой конический дефлектор, и центробежной форсунки горючего.

Окислитель на конической поверхности дефлектора растекается в виде пелен, образуя первичную пленку, стекающую с кромок дефлектора на внутреннюю поверхность камеры сгорания, и снова растекается на ней, образуя вторичную пленку, которая течет по стенке камеры до встречи с пленкой горючего от факела распыла центробежной форсунки. От места столкновения пленки окислителя и горючего продолжают течь совместно по стенке камеры сгорания, осуществляя жидкофазное смешение с образованием промежуточных продуктов преобразования и горения топлива.

Основной недостаток известной схемы смесеобразования - организация процесса горения на стенке камеры сгорания, что приводит к неудовлетворительным динамическим характеристикам двигателя (τ0,9, τ0,1, τп.д.), которые объясняются большим временем пробега струй окислителя с момента выхода из струйных форсунок до точки встречи с пеленой горючего на стенке камеры сгорания.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является смесительная головка (свидетельство на полезную модель №14245, з. №99123248 от 04.11.1999), предназначенная для качественного перемешивания компонентов топлива при расходах окислителя и горючего порядка 1 г/с.

Смесительная головка состоит из корпуса с каналами для подачи окислителя и горючего, одной струйной форсунки окислителя и одной струйной форсунки горючего, конических дефлекторов, выполненных напротив указанных форсунок и установленных на втулках. На поверхности втулок выполнены лыски, являющиеся струйными форсунками для подачи компонентов топлива.

Недостатком известной схемы смесеобразования является слабая интенсивность дробления пелен окислителя и горючего при столкновении их друг с другом, т.к. при малых расходах окислителя и горючего срабатывают низкие перепады давления (≅0,3-0,4 кгс/см2) на форсунках и при этом реализуются малые скорости истечения, в результате чего пелены окислителя и горючего слипаются друг с другом, и химическое взаимодействие их происходит по линии слипания с образованием жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов, что приводит к отталкиванию пелен компонентов топлива друг от друга и ухудшению качества их перемешивания.

Задачами предлагаемого изобретения являются:

- повышение экономичности ЖРДМТ за счет организации смесеобразования в ядре потока;

- улучшение технологичности изготовления ЖРДМТ за счет использования только струйных форсунок.

Решение заключается в том, что в известной смесительной головке, состоящей из корпуса с каналами подачи окислителя и горючего и соответствующих форсунок с размещенными напротив них дефлекторами с коническими отражающими поверхностями, обращенными друг к другу, согласно изобретению дефлекторы выполнены кольцевыми, чередующимися от оси смесительной головки к периферии, а кромки хотя бы одного из дефлекторов образуют с конической поверхностью другого дефлектора кольцевой зазор, представляющий собой кольцевой конический канал, выход из которого выполнен в зоне выхода следующего кольцевого канала.

Внешний дефлектор может выступать за пределы выходов из кольцевых конических каналов с образованием конической предкамеры.

Конструкция, предлагаемой смесительной головки поясняется чертежом. На приведенной фигуре показано ее продольное сечение.

Смесительная головка состоит из корпуса 1 с каналами подачи окислителя 2 и горючего 3, кольцевого коллектора горючего 4, коллекторов окислителя 5, 6, форсунок горючего 7, 8, форсунок окислителя 9, 10, 11, кольцевого дефлектора горючего 12 с коническими отражающими поверхностями, наружной 13 и внутренней 14, дефлекторов окислителя 15, 16, 17, кольцевых конических каналов 18 и 19. Корпус смесительной головки 1 установлен в головку 20 камеры, соединенной с камерой сгорания 21.

Смесительная головка работает следующим образом.

Горючее по каналу 3 поступает в кольцевой коллектор 4 и далее через форсунки 7, 8 - на внешнюю 13 и внутреннюю 14 конические поверхности дефлектора 12 соответственно, растекается по ним, преобразуясь в пелены, и продолжает движение до столкновения с окислителем, движущимся по коническим поверхностям дефлекторов 15, 16.

Окислитель по каналам 2 поступает в коллекторы 5 и 6 и далее одна часть окислителя через форсунки 10 поступает на дефлектор 16, другая часть окислителя из коллектора 6 через форсунки 9 - на дефлектор 15 и через форсунки 11 на дефлектор 17. При соударении с дефлекторами 15, 16, 17 окислитель растекается на конических поверхностях, образуя равномерные по толщине пелены.

Окислитель, поступающий через форсунки 10 на дефлектор 16 и преобразованный в пелену, продолжает движение по нему до столкновения с горючим, поступившим с внутренней поверхности 14 дефлектора 12; при столкновении на поверхности дефлектора 16 начинается жидкофазное смешение окислителя и горючего; продукты жидкофазного смешения продолжают движение по поверхности дефлектора 16 в полости кольцевого конического канала 19 до выхода в полость камеры сгорания или предкамеры, образованной стенками дефлектора 15, а затем в камеру сгорания 21.

Окислитель, поступающий по форсункам 9 на дефлектор 15 и преобразованный в пелену, продолжает движение по нему до столкновения с горючим, поступающим с наружной поверхности 13 дефлектора 12; при столкновении на поверхности дефлектора 15 также начинается жидкофазное смешение окислителя и горючего; продукты жидкофазного смешения продолжают движение по поверхности дефлектора 15 в коническом кольцевом канале 18 до столкновения с продуктами жидкофазного смешения, движущимися по поверхности дефлектора 16 и поступающими в предкамеру и камеру сгорания 21. При столкновении этих двух потоков жидкофазных промежуточных продуктов в полости предкамеры или камеры сгорания 21 происходит дополнительное их перемешивание, что способствует более равномерному распределению продуктов перемешивания на поверхности дефлектора 15 (в случае наличия конического участка предкамеры) или непосредственно в камере сгорания с выделением газофазных промежуточных продуктов. Равномерное распределение продуктов перемешивания приводит к равномерному распределению соотношения компонентов топлива в предкамере, роль которой выполняет выходная часть дефлектора 15. На этом завершается предпламенная подготовка топлива, которое воспламеняется при выходе в камеру сгорания 21.

Окислитель, поступающий по форсункам 11 на дефлектор 17, растекается по нему, преобразуясь в пелену, и переходит на внутреннюю поверхность камеры сгорания 21, создавая защитную охлаждающую пленку.

В предлагаемом решении смесеобразование реализовано в ядре потока, и обеспечивает получение равномерного по сечению камеры сгорания соотношения компонентов топлива, которое, в свою очередь, приводит к благоприятному распределению температуры продуктов сгорания по сечению камеры и совместно с организованной защитой стенки камеры обеспечивает удовлетворительное тепловое состояние двигателя.

Распределенное жидкофазное смешение компонентов топлива в двух зонах с последующим столкновением их друг с другом реализует высокую степень полноты смешения, что в свою очередь, приводит к повышению полноты сгорания топлива и повышению экономичности двигателя.

За счет применения струйных форсунок упрощается технология изготовления смесительной головки в целом.

1. Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящая из корпуса с каналами подачи окислителя и горючего и соответствующими форсунками с размещенными напротив них дефлекторами с коническими отражающими поверхностями, обращенными друг к другу, отличающаяся тем, что дефлекторы выполнены кольцевыми, чередующимися от оси смесительной головки к периферии, а кромки хотя бы одного из дефлекторов образуют с конической поверхностью другого дефлектора кольцевой зазор, переходящий в кольцевой конический канал, выход из которого выполнен в зоне выхода следующего кольцевого канала.

2. Смесительная головка по п. 1, отличающаяся тем, что внешний дефлектор выступает за пределы выходов из кольцевых конических каналов, образуя коническую предкамеру.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а именно к газогенераторам, генерирующих газ для привода турбонасосного агрегата. Смесительная головка газогенератора содержит корпус, включающий в себя смесительные камеры, состоящие из концентрически соединенных между собой колец, продольные пазы, расположенные равномерно по окружности и сообщающиеся с полостью окислителя, триплетные смесительные элементы, обеспечивающие соударение струй компонентов топлива, поступающих в смесительные камеры, днище, закрепленное на торце корпуса и образующее с ним полость горючего, при этом корпус представляет собой цельную конструкцию, изготовленную методом послойного лазерного сплавления металлического порошка.

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а именно к газогенераторам, генерирующим газ для привода турбонасосного агрегата. Смесительная головка газогенератора содержит блок горючего, включающий в себя наружное днище, внутреннее днище, на котором равномерно по окружностям расположены форсунки горючего, представляющие собой полый наконечник, выполненный в выходной части глухим, блок окислителя, состоящий из корпуса, поясов подачи окислителя, представляющих собой две концентрически соединенные между собой втулки, на наружной поверхности одной из которых выполнены продольные пазы, при этом пояса подачи окислителя, соединенные между собой с помощью колец, образуют кольцевые каналы, внутренняя полость которых соединена с полостью горючего с помощью радиальных отверстий, выполненных на цилиндрической поверхности форсунок горючего, а с полостью окислителя - через отверстия, выполненные в кольцах и расположенные коаксиально относительно форсунок горючего.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Форсуночная головка камеры ЖРД, содержащая корпус головки и огневое днище с установленными в них струйно-центробежными форсунками, имеющими центральный осевой профилированный и тангенциальные каналы, выполненные в корпусе каждой форсунки, соединяющие полости компонентов с полостью камеры сгорания.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Струйно-центробежная форсунка содержит корпус, состоящий из двух цилиндров разного диаметра, соединенных между собой с образованием кольцевой ступеньки, образованной торцом большего цилиндра.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Струйно-центробежная форсунка содержит корпус, состоящий из двух цилиндров разного диаметра, соединенных между собой с образованием кольцевой ступеньки, образованной торцом большего цилиндра, при этом в корпусе выполнены центральный осевой профилированный канал с расширяющейся и цилиндрической частями, соединенными между собой с образованием внутреннего уступа, и тангенциальные каналы, соединяющие полости компонентов с полостью камеры сгорания и открывающиеся в полость смешения форсунки.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Форсуночная головка камеры ЖРД содержит корпус головки и огневое днище с установленными в них струйно-центробежными форсунками, имеющими центральный осевой профилированный и тангенциальные каналы, выполненные в корпусе каждой форсунки, соединяющие полости компонентов с полостью камеры сгорания.

Изобретение относится к области испытаний, в частности стендовых испытаний режимов работы ЖРД, работающих в режиме непрерывной детонации на топливной смеси, состоящей из газообразного кислорода и керосина.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для подачи газообразного топлива и газовых компонентов в камеру сгорания воздушно-реактивных двигателей.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании смесительных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Смесительная головка камеры сгорания ЖРД содержит корпус с выполненными в нем втулками, зазоры между которыми образуют кольцевые каналы подвода газообразного компонента.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации в жидкостном ракетном двигателе малой тяги высокой степени перемешивания самовоспламеняющихся компонентов топлива.

Изобретение относится к ракетной технике, а более конкретно - к организации смесеобразования жидких самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги. Смесительная головка состоит из корпуса с каналами подачи окислителя и горючего и соответствующими форсунками с размещенными напротив них дефлекторами с коническими отражающими поверхностями, обращенными друг к другу. Согласно изобретению, дефлекторы выполнены кольцевыми, чередующимися от оси смесительной головки к периферии, а кромки хотя бы одного из дефлекторов образуют с конической поверхностью другого дефлектора кольцевой зазор, переходящий в кольцевой конический канал, выход из которого выполнен в зоне выхода следующего кольцевого канала. Смесительная головка имеет внешний дефлектор, выступающий за пределы выходов из кольцевых конических каналов и образуют коническую предкамеру. Изобретение обеспечивает улучшение технологичности изготовления ЖПДМТ, а также повышение экономичности ЖРДМТ за счет организации смесеобразования в ядре потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх