Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя

Изобретение относится к энергетическим установкам летательных аппаратов, а именно к смесительным головкам камер жидкостных ракетных двигателей. Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит газовод, блок окислителя, блок горючего с огневым днищем, коаксиальные соосно-струйные форсунки, состоящие из корпуса с наконечником и втулки, охватывающей с кольцевым зазором наконечник, установленные в блоках и соединяющие их полости с полостью камеры сгорания, каналы, расположенные на огневом днище между периферийными форсунками и огневой стенкой камеры сгорания и соединяющие полость блока горючего с полостью камеры сгорания, при этом каналы выполнены в виде трубок, входная часть которых установлена в огневом днище, а выходная - на одной оси с форсункой. Каналы выполнены длиной (3-6)D, где D - внутренний диаметр наконечника окислителя. Каналы расположены между периферийными форсунками, причем входная часть канала установлена между форсунками, а выходная - на одной оси с форсункой. Выходная часть канала выполнена профилированной на длине не менее 2d, где d - внутренний диаметр трубки. Изобретение обеспечивает более эффективную защиту внутренней стенки камеры и уменьшает потери, связанные с внутренним охлаждением. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к энергетическим установкам летательных аппаратов, а именно - к смесительным головкам камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано при создании смесительных головок жидкостных ракетных двигателей, работающих по генераторной схеме на компонентах кислород-водород.

Одним из основных направлений в развитии камер кислородно-водородных ЖРД является непрерывный рост тяги, экономичности и улучшение весовых характеристик. При этом происходит рост относительной расходонапряженности с одновременным повышением давления в камере сгорания, особенно в связи с созданием камер сгорания, работающих по схеме с дожиганием генераторного газа.

Одной из основных проблем, возникающих при создании камер, является организация их охлаждения, особенно в зонах, находящихся в непосредственной близости от смесительной головки.

Для обеспечения надежного охлаждения в пристеночном слое создают пониженное, по сравнению с центральной частью, соотношение компонентов топлива, применяют внутреннее завесное охлаждение либо используют оба способа совместно.

Известна смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащая газовод, блок окислителя, блок горючего с огневым днищем, коаксиальные соосно-струйные форсунки, установленные в блоках и соединяющие их полости с полостью камеры сгорания, каналы, расположенные на огневом днище между периферийными форсунками и огневой стенкой камеры сгорания и соединяющие полость блока горючего с полостью камеры сгорания (патент РФ №2127820, МПК F02K - прототип).

Предложенная смесительная головка работает следующим образом.

Генераторный газ из полости газовода через форсунки подается в камеру сгорания. Окислитель из полости блока окислителя через каналы в форсунке подается в камеру сгорания.

Горючее из полости блока горючего через отверстия в корпусе блока горючего и втулки форсунок также подается в камеру сгорания.

Для снижения температуры продуктов сгорания у внутренней стенки камеры сгорания и предохранения, таким образом, ее от прогаров периферийные форсунки выполняются с пониженным соотношением компонентов топлива и при работе создают пристеночный слой с пониженным соотношением компонентов топлива.

Также часть горючего, для защиты огневой стенки от прогаров, подается через каналы в огневом днище в зазор между периферийными форсунками и стенкой камеры сгорания.

При подаче компонентов в камеру происходит их воспламенение и сгорание. При сгорании образуются обратные токи, которые размывают струю горючего, подаваемую в зазор между форсункой и стенкой камеры сгорания, что снижает эффективность охлаждения и приводит к прогарам огневой стенки камеры сгорания.

Также организация пристеночного слоя и подача части горючего не через форсунки, а через каналы в огневом днище приводит к неоптимальному режиму горения и снижению экономичности рабочего процесса.

Основными недостатками смесительной головки являются недостаточно высокая эффективность защиты внутренней стенки камеры и значительные потери, связанные с организацией внутреннего охлаждения.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание смесительной головки камеры ЖРД с улучшенными характеристиками.

Указанная задача достигается тем, что в предложенной смесительной головке камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащей газовод, блок окислителя, блок горючего с огневым днищем, коаксиальные соосно-струйные форсунки, состоящие из корпуса с наконечником и втулки, охватывающей с кольцевым зазором наконечник, установленные в блоках и соединяющие их полости с полостью камеры сгорания, каналы, расположенные на огневом днище между периферийными форсунками и огневой стенкой камеры сгорания и соединяющие полость блока горючего с полостью камеры сгорания, согласно изобретению каналы выполнены в виде трубок, входная часть которых установлена в огневом днище, а выходная - на одной оси с форсункой.

Для обеспечения наиболее оптимальных условий подачи части горючего из каналов в зазор между стенкой камеры сгорания и периферийными форсунками каналы могут быть выполнены длиной (3-6)D, где D-внутренний диаметр наконечника окислителя.

Нижний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при угле раскрытия струи окислителя, равном 6-12°, струя окислителя ближе указанного предела не попадает на стенку камеры сгорания, в то время как обратные токи начинают размывать струю горючего, начиная от огневого днища.

Верхний предел выбран исходя из того, что при дальнейшем его увеличении струя горючего не попадает на место контакта струи окислителя со стенкой камеры сгорания.

Для уменьшения габаритных размеров смесительной головки и камеры в целом каналы могут быть расположены между периферийными форсунками, причем входная часть канала установлена между форсунками, а выходная - на одной оси с форсункой.

Для улучшения условий подачи струи водорода на огневую стенку камеры сгорания выходная часть канала выполнена профилированной на длине не менее 2d, где d - внутренний диаметр трубки. При меньшем значении струя горючего не успевает изменить форму перед подачей в камеру сгорания. Профилирование выходной части канала в виде плоской щели позволяет охватить большую площадь поверхности огневого днища.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области техники показал, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения «новизна».

При анализе других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены, а изложенная совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Соответствие предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость» следует из приведенного ниже примера конкретного выполнения смесительной головки камеры ЖРД.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предложенной смесительной головки, на фиг.2 - вид справа, на фиг.3 - вид справа в варианте, когда входные части каналов расположены между форсунками, на фиг.4 - вид на профилированный канал подачи горючего.

Основными элементами предложенной смесительной головки являются:

1 - газовод;

2 - блок окислителя;

3 - блок горючего;

4 - огневое днище;

5 - периферийная коаксиальная соосно-струйная форсунка;

6 - центральная коаксиальная соосно-струйная форсунка;

7 - огневая стенка камеры сгорания;

8 - корпус с наконечником;

9 - втулка;

10 - канал.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя, содержит газовод 1, блок окислителя 2, блок горючего 3 с огневым днищем 4. В блоках установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки, периферийные 5 и центральные 6, соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания.

Каждая форсунка состоит из корпуса с наконечником 8 и втулки 9, охватывающей с кольцевым зазором наконечник.

Между периферийными форсунками 5 и огневой стенкой камеры сгорания 7 выполнены каналы 10, выходная часть которых расположена на одной оси с форсункой.

Предложенная смесительная головка работает следующим образом.

Генераторный газ из полости газовода 1 через форсунки 5, 6 подается в камеру сгорания. Окислитель из полости блока окислителя 2 через корпус с наконечником 8 подается в камеру сгорания.

Горючее из полости блока горючего 3 через отверстия в корпусе блока горючего 3 и втулки 9 форсунок также подается в камеру сгорания.

Часть горючего, минуя зону обратных токов, образующихся при сгорании компонентов топлива, подается через каналы 10 между струей окислителя и огневой стенкой камеры сгорания.

При подаче части горючего через каналы 10 струя сохраняет свою целостность за счет того, что не происходит размывания струи на участке от огневого днища до места контакта струи окислителя с огневой стенкой камеры сгорания, и весь расход горючего поступает к месту контакта струи окислителя с огневой стенкой. Такая подача горючего позволяет более эффективно организовать охлаждение внутренней огневой стенки камеры в зоне воздействия на нее струи окислителя за счет локального понижения соотношения компонентов топлива и образования локальной завесы.

Для уменьшения габаритных размеров смесительной головки и камеры в целом каналы могут быть расположены между периферийными форсунками, причем входная часть канала установлена между форсунками, а выходная - на одной оси с форсункой.

Для улучшения условий подачи струи водорода на огневую стенку камеры сгорания выходная часть канала может быть выполнена профилированной на длине не менее 2d, где d - внутренний диаметр трубки.

Использование предложенного технического решения позволит создать смесительную головку для кислородно-водородного ЖРД, обеспечивающую более эффективную защиту внутренней стенки камеры, и уменьшить потери, связанные с организацией внутреннего охлаждения.

1. Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащая газовод, блок окислителя, блок горючего с огневым днищем, коаксиальные соосно-струйные форсунки, состоящие из корпуса с наконечником и втулки, охватывающей с кольцевым зазором наконечник, установленные в блоках и соединяющие их полости с полостью камеры сгорания, каналы, расположенные на огневом днище между периферийными форсунками и огневой стенкой камеры сгорания и соединяющие полость блока горючего с полостью камеры сгорания, отличающийся тем, что каналы выполнены в виде трубок, входная часть которых установлена в огневом днище, а выходная - на одной оси с форсункой.

2. Смесительная головка по п.1, отличающаяся тем, что каналы выполнены длиной (3-6)D, где D - внутренний диаметр наконечника окислителя.

3. Смесительная головка по п.1, отличающаяся тем, что каналы расположены между периферийными форсунками, причем входная часть канала установлена между форсунками, а выходная - на одной оси с форсункой.

4. Смесительная головка по п.1, отличающаяся тем, что выходная часть канала выполнена профилированной на длине не менее 2d, где d - внутренний диаметр трубки.