Жидкостный ракетный двигатель малой тяги

Авторы патента:

F02K9/52 - распылительные головки (вообще B05B)

Владельцы патента RU 2755862:

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

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям малой тяги. Жидкостный ракетный двигатель малой тяги содержит камеру со смесительной головкой, струйные форсунки горючего и окислителя с пересекающимися осями, смесительные экраны с обращенным в предкамеру ребром, предкамеру и камеру сгорания. Согласно изобретению смесительные экраны выполнены цилиндрическими, по касательной к экранам расположены струйные форсунки, а выход из смесительных экранов совмещен с началом предкамеры камеры сгорания.

Смесительные экраны выполнены в виде вихревых камер. Дополнительно, вихревые камеры сформированы цилиндрическими гнездами в корпусе смесительной головки и эксцентричными проточками на торцах втулок горючего и окислителя. Изобретение обеспечивает повышение энергетических характеристик жидкостного ракетного двигателя малой тяги. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно к жидкостным ракетным двигателям малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива. Изобретение также может быть использовано в авиационно-космической технике и агрегатах промышленной энергетики.

Известны смесительные элементы жидкостного ракетного двигателя с пересекающимися струями горючего и окислителя (М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1968, стр. 74) и смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги на базе смесительных элементов с пересекающимися струями (патент RU №2463469, F02K 9/52, С2, опубликовано 10.10.2012, бюл. №28). Известные смесительные элементы состоят из струйных форсунок, оси которых пересекаются. Под действием внешних и внутренних сил, в т.ч. механического воздействия друг на друга струи распадаются на капли окислителя и горючего, которые перемешивают и образуют топливную смесь.

В известной смесительной головке струйные форсунки выходят в смесительную камеру. Смесительная камера переходит в расширяющуюся к выходу в камеру сгорания форкамеру. Смесительный элемент имеет струйные форсунки с пересекающимися под углом 45÷65° осями.

Основным недостатком известных смесительных элементов и смесительной головки является технологическая сложность исполнения и контроля качества пересечения осей струйных форсунок диаметром 0,2 мм и менее, а также обеспечения пересечения осей самих струй из-за влияния на направление распыливания конструктивных параметров и характеристик струйных форсунок - шероховатости внутренней поверхности, погрешности формы, качества входных и выходных кромок. Вследствие этого, невозможно создать условия для равномерного распределения компонентов топлива и равномерного (или заданного) распределения соотношения компонентов топлива по сечению камеры сгорания, что приводит либо к неполному сгоранию, либо к перегреву смесительной головки, стенок камеры сгорания и сопла.

Проблема равномерного распределения компонентов топлива по сечению камеры сгорания известной смесительной головкой путем предварительного смешения компонентов топлива в смесительной камере, выполненной в виде глухого отверстия, в которую выходят форсунки окислителя и горючего, решается частично, но не полностью. В дополнение к вышеперечисленным недостаткам в известной смесительной головке происходит сепарация компонентов топлива на противоположной относительно соответствующей форсунки стороне форкамеры, что приводит к расслоению компонентов в топливной смеси и ухудшению эффективности смесеобразования и горения.

Известна также камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги с клиновым смесительным элементом (смесительным экраном, отражателем) в смесительной головке (Пути совершенствования рабочего процесса ЖРДМТ на самовоспламеняющихся компонентах топлива [Текст] / В.Е. Нигодюк, А.В. Сулинов // Вестник СГАУ. -2012. - №3 (34). - С. 105, рисунок 2). Известная камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги состоит из смесительной головки с клиновым смесительным элементом и камеры сгорания с соплом. В смесительной головке выполнены каналы, подводящие компоненты топлива в камеру, и попарные струйные форсунки с пересекающимися осями, подающие горючее и окислитель в камеру. Между струйными форсунками горючего и окислителя расположен клиновый смесительный элемент, обращенный смесительными экранами к струйным форсункам, а ребром в предкамеру.

Струи компонентов топлива подают под углом на смесительные экраны, путем соударения с экранами превращают в пелены и направляют к ребру смесительного элемента, где смешивают и создают в предкамере топливную смесь. Далее топливную смесь воспламеняют и сжигают в камере сгорания с образованием высокотемпературных продуктов сгорания.

Основным недостатком смесительной головки с клиновым смесительным элементом известной камеры является технологическая сложность получения требуемого направления течения (ориентации) пелен горючего и окислителя друг относительно друга. На направление течения пелены по экрану оказывают влияние те же сложные для изготовления, трудно контролируемые параметры струйных форсунок - шероховатости внутренней поверхности, погрешности формы, качества входных и выходных кромок отверстий. В случае отклонения направления течения пелен происходит их смещение друг относительно друга и неравномерное распределение компонентов топлива на ребре. Кроме того, из-за физических особенностей процесса растекания струи на стенке пелены имеют неравномерную толщину в поперечном сечении и жгутование компонента по краям пелен (Агеенко Ю.И. Исследование параметров смесеобразования и методический подход к расчетам и проектированию ЖРДМТ со струйно-центробежной схемой смешения компонентов AT и НДМГ на стенке камеры сгорания [Текст] // Вестник СГАУ. - 2009. - №3 (19). - С. 173, рисунок 2). Вследствие этих недостатков, невозможно создать условия для равномерного распределения компонентов топлива и равномерного (или заданного) распределения соотношения компонентов топлива на ребре клинового смесительного элемента и далее по сечению предкамеры и камеры сгорания, что приводит также, как и в рабочем процессе с пересекающимися струями, к неполному сгоранию или к местному перегреву смесительной головки, стенок предкамеры, камеры сгорания и сопла.

Целью изобретения является обеспечение высоких энергетических характеристик жидкостного ракетного двигателя малой тяги при удовлетворительном тепловом состоянии.

Указанная цель достигается тем, что в жидкостном ракетном двигателе малой тяги, содержащем камеру со смесительной головкой, струйные форсунки горючего и окислителя с пересекающимися осями, смесительные экраны с обращенным в предкамеру ребром, предкамеру и камеру сгорания, согласно изобретению, смесительные экраны выполнены цилиндрическими, по касательной к экранам расположены струйные форсунки, а выход из смесительных экранов совмещен с началом предкамеры камеры сгорания.

В предпочтительном варианте смесительные экраны выполнены в виде вихревых камер. Дополнительно, вихревые камеры сформированы цилиндрическими гнездами в корпусе смесительной головки и эксцентричными проточками на торцах втулок горючего и окислителя.

Устройство предлагаемого жидкостного ракетного двигателя малой тяги раскрыто на фиг. 1-5 прилагаемого чертежа. На фиг. 1 показан общий вид жидкостного ракетного двигателя малой тяги, на фиг. 2 приведено взаимное расположение втулок горючего и окислителя в смесительной головке, на фиг. 3 в увеличенном масштабе представлено взаимное расположение смесительных экранов в районе входа в предкамеру, на фиг. 4 в увеличенном масштабе показано взаимное расположение струйных форсунок и соответствующих смесительных экранов, на фиг. 5 изображен вариант исполнения смесительной головки, в котором струйные форсунки выполнены непосредственно в корпусе головки.

Жидкостный ракетный двигатель малой тяги содержит корпус камеры 1 с камерой сгорания и соплом, смесительную головку 2 с предкамерой, клапаны окислителя 3 и горючего 4. В смесительную головку установлены втулки окислителя 5 и горючего 6. В корпусе смесительной головки выполнены цилиндрические смесительные экраны 7 и 8. На входе трактов горючего и окислителя установлены съемные форсунки окислителя 9 с отверстием струйной форсунки 10 и горючего 12 с отверстием струйной форсунки 13.

Торец и прилегающая к ней часть цилиндрического гнезда под втулкой образуют смесительные экраны 7 и 8, которые предназначены для превращения струй под действием центробежных сил, возникающих при движении закрученного цилиндрической частью экрана потока компонентов топлива, в пелены и подачи этих пелен вдоль оси предкамеры.

Форсунки горючего и окислителя установлены в корпусе смесительной головки таким образом, что струи компонентов топлива входят в цилиндрические смесительные экраны по касательной перпендикулярно образующей.

В предпочтительном варианте смесительные экраны могут быть сформированы в виде вихревых камер сопряжением цилиндрических гнезд в корпусе смесительной головки и концевых элементов втулок горючего и окислителя, где выполнены эксцентричные проточки 11 и 14. В поперечном сечении вихревые камеры представляют собой прямоугольники 7 и 8 (фиг. 3). Ширина смесительных экранов одинаковая и равна расчетной ширине пелен компонентов топлива, а высота должна быть больше, чем толщина наибольшей пелены.

Из-за высоких требований к качеству изготовления отверстий форсунки выделены в отдельную деталь, хотя в случае создания технологии бездефектного изготовления отверстий и контроля качества распыливания возможно выполнение подводов 15 с форсункой 16 и 17 и форсункой 18 в составе корпуса смесительной головки (фиг. 5).

Для включения предложенного жидкостного ракетного двигателя малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива подают команды на открытие клапанов 3 и 4. Клапаны открываются, компоненты топлива поступают на входы 15 и 17 в струйные форсунки горючего 13 и окислителя 10 (или 16 и 18) смесительной головки 2. Струйные форсунки направляют струи компонентов топлива на смесительные экраны 7 и 8 (или 14 и 11). Под действием центробежных сил струи на цилиндрической поверхности соответствующих смесительных экранов преобразуются в пристеночные слои горючего и окислителя. Пристеночные слои истекают из смесительных экранов вдоль приосевой области предкамеры в виде сплошных плоских пелен горючего и окислителя определенной толщины и ширины. После выхода из смесительных экранов плоские пелены окислителя и горючего под действием внутренних и внешних сил распадаются на капли горючего и окислителя, максимальные диаметры которых соответствуют толщинам соответствующих пелен. Капли горючего и окислителя направляют по траекториям, определяемым радиальными и осевыми скоростями пелен на выходе из смесительных экранов, сталкивают в приосевой области предкамеры, разбивают друг друга на более мелкие капли, перемешивают и образуют топливную смесь. Происходит жидкофазный контакт, воспламенение, горение компонентов топлива и формирование высокотемпературного ядра потока в приосевой области камеры сгорания.

По мере движения непрореагировавших капель вдоль оси камеры сгорания продукты смесеобразования и неполного сгорания интенсифицируют процессы смесеобразования массообмена и горения в ядре потока до полного выгорания компонентов топлива, повышая полноту сгорания.

Останов жидкостного ракетного двигателя малой тяги производится закрытием клапанов. Клапаны закрываются, подача компонентов топлива в камеру прекращается, жидкостной ракетный двигатель малой тяги выключается.

При повторном включении жидкостного ракетного двигателя малой тяги вышеописанный принцип работы повторяется вновь.

Наиболее успешно заявленный жидкостный ракетный двигатель малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива может быть использован для двигателей тягой менее 10 Н, где по технологическим и эксплуатационным причинам нет возможности выполнения необходимого и достаточного количества форсунок.

1. Жидкостный ракетный двигатель малой тяги, содержащий камеру со смесительной головкой, струйные форсунки горючего и окислителя с пересекающимися осями, смесительные экраны с обращенным в предкамеру ребром, предкамеру и камеру сгорания, отличающийся тем, что смесительные экраны выполнены цилиндрическими, по касательной к экранам расположены струйные форсунки, а выход из смесительных экранов совмещен с началом предкамеры камеры сгорания.

2. Жидкостный ракетный двигатель малой тяги по п. 1, отличающийся тем, что смесительные экраны выполнены в виде вихревых камер.

3. Жидкостный ракетный двигатель малой тяги по п. 2, отличающийся тем, что вихревые камеры сформированы цилиндрическими гнездами в корпусе смесительной головки и эксцентричными проточками на торцах втулок горючего и окислителя.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании регулируемых ракетных двигателей. Смесительная головка камеры ЖРД, работающая по схеме с дожиганием генераторного газа, содержит патрубки подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними двухкомпонентными форсунками, согласно изобретению полость генераторного газа форсунки выполнена в виде сопла Лаваля с кольцевой с ребрами входной частью, внутри которой установлен подпружиненный профилированный штырь с торцом, наружная поверхность которого взаимодействует с внутренней поверхностью кольцевой с ребрами входной частью, в торце штыря выполнены отверстия, со стороны входа форсунки в кольцевую с ребрами входную часть установлена герметично задняя стенка, а в центральной части штыря выполнено отверстие, на наружной поверхности торца штыря выполнены лабиринтные канавки, наружная поверхность торца штыря покрыта серебром.

Смесительная головка камеры жрд, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа // 2742216

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании регулируемых ракетных двигателей. Cмесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа, содержащая магистрали подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними с помощью пайки и гаек двухкомпонентными форсунками, в стенках которых выполнены отверстия для подачи жидкого компонента, согласно изобретению в полости жидкого компонента между корпусом и огневым днищем на наружной поверхности форсунка выполнен уступ, в который упирается подпружиненный плунжер, на наружной поверхности которого расположена гильза, соединенная с кольцом, установленным на наружной поверхности гайки, а в форсунке выполнены дополнительные тангенциальные отверстия, соединяющие внутреннюю полость гильзы с полостью форсунки, плунжер выполнен с козырьком с одного конца и двумя уступами под пружину с другого конца, на внутренних поверхностях плунжера и гильзы выполнены лабиринтные канавки, кольцо установлено в гильзу герметично, внутренние и наружные поверхности плунжера покрыты серебром.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2741530

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя содержит наружное днище, двухкомпонентные форсунки, закрепленные в корпусе и огневом днище, запальное устройство и подводные магистрали горючего и окислителя, при этом периферийная часть состоит из двух колец, соединенных между собой в торцевой части стенкой с отверстиями, образующих кольцевую газовую полость, в стенках которых выполнены маленькие отверстия 0,5÷1,2 мм на расстоянии между собой от 2 до 5 калибров, соединяющие ее через полость коллектора с автономной магистралью подвода горючего, а центральная часть содержит двухкомпонентные форсунки, закрепленные в корпусе и огневом днище, полости которых соединены через полости коллекторов с основными магистралями подвода окислителя и горючего, и в центре их расположена магистраль запального устройства.

Форсуночный элемент ракетного двигателя // 2739851

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Форсуночный элемент жидкостного ракетного двигателя включает в себя канал для окислителя, центральную полость, соединенную по текучей среде с каналом для окислителя ниже по потоку от канала для окислителя, первое кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя и соединенное по текучей среде с источником воспламеняющей жидкости ниже по потоку от источника воспламеняющей жидкости, и второе кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя и соединенное по текучей среде с источником горючего ниже по потоку от источника горючего.

Камера сгорания // 2738391

Изобретение относится к ракетной технике. Камера сгорания с сечением, близким к прямоугольному, состоящая из смесительной головки с антипульсационной перегородкой и корпуса камеры с участком у головки, имеющим угол расширения, согласно изобретению антипульсационная перегородка состоит из частей, выполненных под углами к стенкам камеры.

Способ изготовления смесительной головки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (жрд) // 2731688

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для изготовления смесительных головок форсуночного типа камер сгорания (КС) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Осуществляют сборку блока форсунок смесительной головки под пайку, высокотемпературную пайку в вакууме, контроль качества, испытания на прочность и герметичность, и при выявлении негерметичности (непропаях) некоторых форсунок с днищами смесительной головки осуществляют их локальную пайку.

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги // 2727736

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Камера жидкостного ракетного двигателя содержит камеру сгорания, сопло и смесительную головку, с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой, с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок.

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги // 2726862

Изобретение относится к камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги. Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги, содержащая камеру сгорания, сопло и смесительную головку, с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой, с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок, при этом в коллекторе наружной форсунки на внешней ее поверхности в зоне входных тангенциальных каналов герметично установлено кольцо, образующее дополнительный коллектор, который соединен с основным коллектором тангенциальными каналами, расположенными в полости, смещенной относительно плоскости входных каналов наружной центробежной форсунки, и направлеными в сторону, совпадающую с направлением закрутки тангенциальных каналов наружной форсунки.

Щелевая смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2725397

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. В щелевой смесительной головке камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащей 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 торцевая часть колец с трактами охлаждения и отверстиями для подачи жидкого компонента выполнена в виде волновой поверхности (например, синусоиды) с величиной амплитуды ~ 0,1÷0,3 диаметра цилиндрической части камеры.

Ракетный двигатель малой тяги на несамовоспламеняющихся жидком горючем и газообразном окислителе // 2724069

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к ракетным двигателям малой тяги на несамовоспламеняющихся газообразном окислителе и жидком горючем. Ракетный двигатель содержит агрегат зажигания и свечу, электропневмоклапаны окислителя «О» и горючего «Г», смесительную головку с воспламенительным устройством, камеру сгорания и сопло.

Агрегат реактивной тяги и способ эксплуатации агрегата реактивной тяги // 2757376

Для улучшения агрегата реактивной тяги, включающего в себя камеру сгорания реактивной тяги, имеющую полость реактивной тяги, которая имеет первую секцию, примыкающую к ней вторую секцию и примыкающую ко второй секции третью секцию, причем полость реактивной тяги во всех трех секциях ограничена внешней стенкой сопла с внешней поверхностью полости реактивной тяги, причем внешняя поверхность полости реактивной тяги в первой и второй секции сужается к третьей секции, в третьей секции расширяется от второй секции, и на переходе от второй секции к третьей секции выполнен самый узкий участок, причем первая секция ограничена внутренней стенкой сопла с внутренней поверхностью полости реактивной тяги, которая сужается ко второй секции, причем между внутренней поверхностью полости реактивной тяги и внешней поверхностью полости реактивной тяги выполнена кольцевая камера сгорания, которая простирается по первой секции, причем агрегат реактивной тяги включает в себя также несколько первых топливных впускных отверстий для первого топливного компонента и несколько вторых топливных впускных отверстий для второго топливного компонента, при этом, чтобы была повышена эффективность агрегата реактивной тяги, внешняя стенка сопла включает в себя, по меньшей мере, часть из нескольких первых топливных впускных отверстий. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 13 ил.