Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги

Авторы патента:

F02K9/52 - распылительные головки (вообще B05B)

Владельцы патента RU 2720657:

Акционерное общество "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (АО "НИИМаш") (RU)

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к смесительным головкам жидкостных ракетных двигателей малой тяги и особо малой тяги (0,3-0,5 Н) на самовоспламеняющихся компонентах топлива. Смесительная головка состоит из корпуса, струйных форсунок окислителя и горючего с пересекающимися струями, смесительной камеры с постоянной площадью поперечного сечения, переходящей в зоне завершения жидкофазной индукции в расширяющуюся к выходу форкамеру. Согласно изобретению в расширяющейся части форкамеры между выходом из смесительной камеры и выходом из предкамеры выполнен кольцевой буртик. Предкамера выполнена в виде конической полости, в которой кольцевой буртик, обращенный в сторону оси конуса, сформирован у вершины тонкостенного усеченного конуса, закрепленного в конической полости предкамеры. Площадь поперечного сечения смесительной камеры находится в диапазоне 1,2-1,7 суммарной площади поперечных сечений струйных форсунок окислителя и горючего. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к средствам организации смесеобразования в жидкостных ракетных двигателях малой тяги и особо малой тяги (0,3-0,5 Н) на самовоспламеняющихся компонентах топлива.

Известен струйный смесительный элемент со сталкивающимися струями окислителя и горючего (Волков Е.Б., Головков Л.Г., Сырицын Т.А., «Жидкостные ракетные двигатели», М. Воениздат, 1970, стр. 42, рис. 1.4., а). Такие смесительные элементы применяются на двигателях больших и средних тяг. Большие скорости истечения компонентов топлива из форсунок гарантируют глубокое проникновение одной жидкости в другую, большое количество смесительных элементов - равномерность распределения по сечению камеры и заданное их соотношение. В двигателях малой тяги такие смесительные элементы неэффективны из-за малых скоростей струй (3…5 м/с) и не обеспечивают необходимое соотношение компонентов топлива по сечению камеры сгорания.

Известна смесительная головка (см. патент РФ №2463469), состоящая из расширяющейся к выходу форкамеры и смесительной камеры со струйными форсунками окислителя и горючего, каналов подвода окислителя и горючего. Форкамера на участке подвода струйных форсунок имеет смесительную камеру с постоянной площадью поперечного сечения, равной 1,0-1,2 суммарной площади поперечных сечений форсунок и длиной, равной длине пробега совместной струи до окончания периода жидкофазной индукции топлива. В предпочтительном варианте исполнения смесительная головка имеет струйные форсунки с пересекающимися под углом 45-65° осями.

Смесительная камера имеет цилиндрическую форму и сопряжена с конической форкамерой, расширяющейся к выходу.

Недостатком такой схемы смесеобразования является отсутствие возможности получения высокой степени перемешивания топлива в смесительной камере, в форкамере и далее - в камере, в результате чего трудно обеспечить высокую полноту сгорания в камере и высокие энергетические характеристики двигателя. Причина этого кроется в том, что для двигателей малой и особо малой тяги характерными являются малые расходы компонентов топлива (доходящие до десятых и сотых долей грамма в секунду), что в свою очередь являются причиной низких скоростей истечения из форсунок струй окислителя и горючего (например, скорости истечения струй окислителя и горючего для двигателей тягой ~0,5 Н составляют ~3-5 м/с).

Работы, проводимые на двигателях тягой до 0,5 Н показали, что полнота смешения топлива (и полнота сгорания) находятся на низком уровне и практически мало зависят от угла столкновения струй.

При столкновении струй окислителя и горючего в смесительной камере не происходит взаимное проникновение струй друг в друга; струи вступают в химическую реакцию по границе соприкосновения с образованием жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов и проскальзывают друг относительно друга за счет разности скоростей, образуя слой смешения толщиной от нескольких микрон до нескольких десятков микрон (это зависит от скоростей сталкивающихся струй). Вокруг слоя смешения по камере смешения продолжают движение в направлении к форкамере неперемешанные окислитель и горючее, которые, прогревшись от тепла, выделяющегося из химически реагирующего слоя смешения, испаряются и самостоятельно продолжают движение в виде паровых слоев, слабо перемешиваясь с продуктами реакции, что приводит к потере топлива, выбрасываемого непрореагировавшим, через сопло. Подтверждением являются результаты отработки ЖРД особо малой тяги (~0,5 Н) с различными приведенными длинами камеры, отличавшимися друг от друга ~ на 50%; экономичность двигателя при этом возрастала незначительно.

Задачей изобретения является создание смесительной головки, способной обеспечить высокие энергетические и динамические характеристики ЖРД особо малой тяги.

Задача решается конструкцией смесительной головки, состоящей из корпуса, струйных форсунок окислителя и горючего с пересекающимися струями, смесительной камеры с постоянной площадью поперечного сечения, переходящей в зоне завершения жидкофазной индукции в расширяющуюся к выходу форкамеру. Согласно изобретению в расширяющейся части форкамеры между выходом из смесительной камеры и выходом из предкамеры выполнен кольцевой буртик.

Кроме того, предкамера может быть выполнена в виде конической полости, в которой закреплен насадок представляющий собой тонкостенный усеченный конус, у вершины которого сформирован кольцевой буртик, обращенный в сторону оси конуса.

Предлагаемое решение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показан продольный разрез головки, на фиг. 2 - чертеж насадка. Смесительная головка состоит из корпуса 1, подводящего канала окислителя 2, подводящего канала горючего 3, струйной форсунки окислителя 4, струйной форсунки горючего 5, смесительной камеры 6, форкамеры 7, насадка 8 с кольцевым буртиком 9. Площадь поперечного сечения смесительной камеры 6 подбирается из условия обеспечения площади ее, равной примерно 1,2-1,7 суммарной площади поперечных сечений струйных форсунок окислителя и горючего, а длина смесительной камеры, выполненной в виде цилиндрического канала, подбирается таким образом, чтобы время пребывания компонентов топлива на этом участке при совместном движении перемешивающихся струй примерно соответствовало времени завершения периода жидкофазной индукции для применяемого топлива.

Период жидкофазной индукции для различных самовоспламеняющихся топлив различен. Например, для пары азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин составляет ~1⋅10^-4 с (см. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3 (19), 2009, стр. 316 "Исследование закономерностей жидкофазного взаимодействия компонентов СЖРТ").

Подбор длины смесительной камеры указанным способом исключает запирание при прохождении через нее перемешанных окислителя и горючего. Форкамера выполнена расширяющейся к выходу и также не допускает запирания ее при выделении из продуктов взаимодействия газофазных промежуточных продуктов и последующем резком повышении давления.

Предлагаемая смесительная головка работает следующим образом. Окислитель, пройдя через подводящий канал 2, поступает в струйную форсунку окислителя 4 и далее - в смесительную камеру 6. Горючее, пройдя через подводящий канал 3, поступает в струйную форсунку 5, а затем - в смесительную камеру 6, где сталкивается с окислителем. Поступившие в смесительную камеру 6 окислитель и горючее сталкиваются и перемешиваются по линии соприкосновения (столкновение окислителя и горючего неминуемо, поскольку площадь поперечного сечения смесительной камеры подбирается чуть большей суммы площадей поперечных сечений струйных форсунок окислителя 4 и горючего 5). Подбор длины смесительной камеры 6 предполагает прохождение химических реакций в жидкой фазе с образованием жидкофазных промежуточных продуктов с выделением небольшого количества тепла, поэтому в ней исключаются повышение давления и запирание. Далее жидкофазные промежуточные продукты поступают из смесительной камеры 6 в форкамеру 7, где начинается активное выделение газофазных промежуточных продуктов, сопровождающееся повышением температуры и давления; накопление газофазных промежуточных продуктов приводит к воспламенению их и образованию продуктов неполного сгорания.

Здесь следует отметить тот факт, что в смесительной камере 6 происходит неполное смешение окислителя и горючего и, как было отмечено выше, только по линии соприкосновения сталкивающихся струй, поэтому остается большая доля неперемешанных окислителя и горючего, которые, частично испарившись, продолжают движение к форкамере 7; при этом образовавшиеся пары продолжают движение обособленно в виде струек тока, не вступая в химическое взаимодействие с промежуточными жидкофазными продуктами. И так продолжается до столкновения с препятствием, установленным в форкамере 7 - насадком 8 с буртиком 9. Столкнувшись с буртиком 9, неперемешанные окислитель и горючее резко меняют направление движения к оси смесительной головки, где вынуждены перемешаться с промежуточными жидкофазными и выделившимися из них газофазными промежуточными продуктами. Подбором расстояния l от смесительной камеры 6 до буртика 9 и диаметра d проходного сечения буртика 9 можно в широких пределах регулировать полноту смешения топлива и, что чрезвычайно важно, регулировать тепловое состояние двигателя.

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить полноту смешения и полноту сгорания топлива и, как следствие, повысить экономичность и улучшить динамические характеристики ЖРД особо малой тяги.

1. Смесительная головка, состоящая из корпуса, струйных форсунок окислителя и горючего с пересекающимися струями, смесительной камеры с постоянной площадью поперечного сечения, переходящей в зоне завершения жидкофазной индукции в расширяющуюся к выходу форкамеру, отличающаяся тем, что в расширяющейся части форкамеры между выходом из смесительной камеры и выходом из предкамеры выполнен кольцевой буртик.

2. Смесительная головка по п. 1, отличающаяся тем, что форкамера выполнена в виде конической полости, в которой закреплен тонкостенный усеченный конус, у вершины которого сформирован кольцевой буртик, обращенный в сторону оси конуса.

3. Смесительная головка по п. 1, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения смесительной камеры составляет 1,2-1,7 суммарной площади поперечных сечений струйных форсунок окислителя и горючего.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя. Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая камеру и смесительную головку с размещенными в ней форсунками, при этом камера сгорания выполнена в яйцеобразной форме, а форсунки в камере сгорания расположены по вогнутой спирали.

Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги // 2716778

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к организации смесеобразования жидкостного ракетного двигателя особо малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2705924

Использование: для смешивания компонентов топлива. Сущность изобретения заключается в том, что смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит корпус с полостями подвода компонентов, пояса подачи компонентов, соединенные с соответствующими полостями компонентов при помощи каналов, при этом пояса подачи компонентов выполнены в виде нескольких коаксиально установленных обечаек, расположенных друг по отношению к другу с кольцевыми зазорами, и образующие замкнутые кольцевые полости, открывающиеся в камеру сгорания, причем кольцевые полости компонентов топлива равномерно чередуются между собой, при этом на торцах обечаек со стороны входа установлены торцевые профилированные днища, скрепленные между собой и с корпусом и образующие последовательно расположенные торцевые кольцевые полости, причем в указанных днищах и полостях выполнены изолированные каналы, соединяющие упомянутые торцевые полости через одну между собой, при этом указанные кольцевые полости компонентов топлива соединены с соответствующими полостями подвода компонентов через упомянутые торцевые полости, образованные профилированными днищами.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2705921

Использование: для смешивания компонентов топлива. Сущность изобретения заключается в том, что смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит корпус с полостями подвода компонентов, пояса подачи компонентов, соединенные с соответствующими полостями компонентов при помощи каналов, при этом пояса подачи компонентов выполнены в виде нескольких коаксиально установленных обечаек, расположенных друг по отношению к другу с кольцевыми зазорами, и образующими замкнутые кольцевые полости, открывающиеся в камеру сгорания, причем кольцевые полости компонентов топлива равномерно чередуются между собой, при этом на торцах обечаек со стороны входа установлены торцевые профилированные днища, скрепленные между собой и с корпусом, и образующие последовательно расположенные торцевые кольцевые полости, причем в указанных днищах и полостях выполнены изолированные каналы, диаметр которых уменьшается от периферии к центру смесительной головки, соединяющие упомянутые торцевые полости через одну между собой, при этом указанные кольцевые полости компонентов топлива соединены с соответствующими полостями подвода компонентов через упомянутые торцевые полости, образованные профилированными днищами.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2705919

Использование: для смешивания компонентов топлива. Сущность изобретения заключается в том, что смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит корпус с полостями подвода компонентов топлива, пояса подачи компонентов, соединенные с соответствующими полостями компонентов топлива при помощи каналов, при этом пояса подачи компонентов топлива выполнены в виде обечаек, расположенных друг по отношению к другу с кольцевыми зазорами, и образующими замкнутые кольцевые полости, объем которых монотонно уменьшается от периферии к центру, и открывающиеся в камеру сгорания, причем кольцевые полости компонентов топлива равномерно чередуются между собой, при этом на торцах обечаек со стороны входа установлены торцевые профилированные днища, скрепленные между собой и с корпусом, и образующие последовательно расположенные торцевые кольцевые полости, причем в указанных днищах и полостях выполнены изолированные каналы, соединяющие упомянутые торцевые полости через одну между собой, при этом указанные кольцевые полости компонентов топлива соединены с соответствующими полостями подвода компонентов через упомянутые торцевые полости, образованные профилированными днищами.

Смесительная головка камеры сгорания жрд // 2703889

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.

Щелевая смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2700801

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Щелевая смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащая наружное днище, корпус с установленными в нем кольцами с трактом охлаждения и отверстиями для подачи жидкого компонента, зазоры между которыми образуют кольцевые каналы подвода газообразного компонента, пусковую форсунку горючего, согласно изобретению кольца с каналами охлаждения смещены друг относительно друга в сторону камеры на расстояние от 0,4 части до ширины кольцевого газового канала, образуя общую величину смещения примерно 0,1÷0,3 величины диаметра цилиндрической части камеры.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2700482

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Смесительная головка камеры ЖРД, содержащая наружное днище, корпус, огневое днище, двухкомпонентные форсунки, закрепленные в корпусе и огневом днище, кольцевую периферийную часть, магистрали подачи жидкого и газообразного компонента, согласно изобретению в корпусе выполнено три ряда отверстий, один ряд, выполненный в цилиндрической части корпуса, и второй ряд отверстий, выполненный в полостной стенке корпуса, соединяют полость, коллектора жидкого компонента с кольцевой периферийной частью, третий ряд отверстий, выполненный в плоской стенке корпуса, соединяет полость камеры жидкого компонента с жидкой полостью центральной части, а между отверстиями третьего ряда в плоской части корпуса выполнены дозирующие отверстия для подачи газообразного компонента в кольцевую периферийную часть и полости двухкомпонентных форсунок и периферийная кольцевая полость через полости коллекторов соединена с магистралями подвода жидкого и газообразного компонентов топлива.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2699899

Использование: для смесеобразования компонентов топлива. Сущность изобретения заключается в том, что смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит корпус с полостями подвода компонентов, пояса подачи компонентов, соединенные с соответствующими полостями компонентов при помощи каналов, при этом пояса подачи компонентов выполнены в виде нескольких коаксиально установленных обечаек, расположенных друг по отношению к другу с кольцевыми зазорами и образующих замкнутые кольцевые полости, открывающиеся в камеру сгорания, причем кольцевые полости компонентов топлива равномерно чередуются между собой, при этом на торцах обечаек со стороны входа установлены торцевые профилированные днища, скрепленные между собой и с корпусом и образующие последовательно расположенные торцевые кольцевые полости, причем в указанных днищах и полостях выполнены изолированные каналы разного диаметра, причем диаметр каналов монотонно уменьшается от периферии к центру головки, соединяющие упомянутые торцевые полости через одну между собой, при этом указанные кольцевые полости компонентов топлива соединены с соответствующими полостями подвода компонентов через упомянутые торцевые полости, образованные профилированными днищами.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2699898

Использование: для смесеобразования компонентов топлива. Сущность изобретения заключается в том, что смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит корпус с полостями подвода компонентов, пояса подачи компонентов, соединенные с соответствующими полостями компонентов при помощи каналов, при этом пояса подачи компонентов выполнены в виде нескольких коаксиально установленных обечаек, расположенных по отношению друг к другу с кольцевыми зазорами, и образующими замкнутые кольцевые полости, открывающиеся в камеру сгорания, причем на охватываемых обечайках выполнены винтовые каналы, при этом кольцевые полости компонентов топлива равномерно чередуются между собой, а на торцах обечаек со стороны входа установлены торцевые профилированные днища, скрепленные между собой и с корпусом и образующие последовательно расположенные торцевые кольцевые полости, причем в указанных днищах и полостях выполнены изолированные каналы, соединяющие упомянутые торцевые полости через одну между собой, при этом указанные кольцевые полости компонентов топлива соединены с соответствующими полостями подвода компонентов через упомянутые торцевые полости, образованные профилированными днищами.

Способ организации рабочего процесса в жидкостном газогенераторе // 2724067

Изобретение относится к ракетно-космической технике и касается способа организации рабочего процесса в жидкостном газогенераторе. Способ заключается в подаче горючего и окислителя с помощью смесительной головки с использованием соосных центробежных форсунок при близком к стехиометрическому соотношении компонентов топлива, жидкофазном смешении пелен распыла компонентов топлива, сжигании полученной смеси и разбавлении продуктов сгорания одним из компонентов топлива путем подачи его через струйные форсунки. В предлагаемом изобретении компоненты топлива подают через соосные центробежные форсунки внешнего смешения, а разбавляющий компонент подают через пояс струйных форсунок, расположенных равномерно вокруг соосных центробежных форсунок, причем струями разбавляющего компонента топлива пронизывают пелены распыла центробежных форсунок после их столкновения и сжигают часть компонента в ядре потока, а оставшуюся часть газифицируют с доведением соотношения компонентов топлива на выходе камеры сгорания до заданного. Часть разбавляющего компонента топлива можно подавать через струйные форсунки с образованием на стенке камеры сгорания ЖГГ первого пояса вблизи смесительной головки, а остальную часть - с образованием второго пояса на стенке камеры сгорания вблизи выхода из нее. Соотношение компонентов топлива смесительной головки и первого пояса струйных форсунок может быть близко к стехиометрическому, а после подачи струйными форсунками разбавляющего компонента второго пояса соответствует заданному для жидкостного газогенератора. Изобретение обеспечивает повышение качества процессов смесеобразования. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.