топливная форсунка жидкостного ракетного двигателя (варианты). Форсунки ракетных двигателей


Топливная форсунка жидкостного ракетного двигателя (варианты)

 

Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя включает трубчатый корпус, а также закрепленную коаксиально внутри корпуса глухую трубку. В пилоне выполнено не менее, чем одно входное отверстие. Канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным отверстием в пилоне. Основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода может быть выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия. Внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой может быть выполнен патрубок. Между патрубком и трубчатым корпусом может быть образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. Топливная форсунка со стороны выхода может быть снабжена насадком, между которым и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, выход из тракта которого расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, причём канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка. Изобретения позволят обеспечить эффективное смесеобразование в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей, а также позволят уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

Область техникиИзобретение относится к ракетному двигателестроению, а более конкретно к смесеобразующим форсункам жидкостных ракетных двигателей.Предшествующий уровень техникиИз анализа уровня техники известны двухкомпонентные форсунки с глухим осевым каналом и тангенциальными сквозными отверстиями, простирающимися от наружной поверхности форсунки до пересечения с этим осевым каналом. Таковой форсункой является форсунка камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей РД-107, РД-108 (см., например, энциклопедию "Космонавтика", М., 1985, стр.426, параграф "Форсуночная головка"). Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретения. Недостаток аналога в том, что в нем не может быть использован третий компонент топлива, а также в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя.Из анализа уровня техники известна также газожидкостная двухкомпонентная струйно-струйная форсунка жидкостного ракетного двигателя РД-253 (см. учебник для вузов, авторы Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.14, поз.1). Эту форсунку принимаем также в качестве аналога.Недостаток аналога в том, что в нем нельзя использовать третий компонент топлива, а кроме того эта форсунка имеет резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостных ракетных двигателей, работающих на двухкомпонентном топливе.Известны форсунки, образующие антипульсационные перегородки головки двигателя SSME (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.135, рис.7.12, поз.3). Эти форсунки - двухкомпонентные, выдвинутые выходной своей частью в огневое пространство камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретений.Известна газожидкостная форсунка смесительной головки кислородно-водородного двигателя (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.13, поз.2). Форсунка содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с осевым каналом и коаксиально закрепленную внутри корпуса глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом. В пилонах выполнены сквозные отверстия, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входными сквозными отверстиями в пилоне.Эту форсунку принимаем в качестве прототипа топливной форсунки.Недостаток прототипа в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги двигателя, а кроме того в нем нельзя использовать третий компонент топлива.Раскрытие изобретенияВ основу изобретения положена задача реализации смесеобразования, заключающегося в том, чтобы из форсунки в огневое пространство камеры сгорания выходила кольцевая струя окислительной среды, внутри которой располагалась струя горючего, а окружала струю окислительной среды также кольцевая струя горючего.Целесообразно, чтобы так работала как обычная форсунка, так и форсунка, выступающая в огневое пространство камеры сгорания, которая чаще всего предназначается для образования антипульсационных перегородок в огневом пространстве камер сгорания жидкостных ракетных двигателей.Необходимость разработки таких форсунок продиктована как целесообразностью улучшения смесеобразования в камере сгорания, в частности, для повышения удельного импульса тяги двигателей, работающих на двух компонентах, так и потребностью в создании трехкомпонентных форсунок для жидкостных ракетных двигателей, в которых используются три компонента топлива.В случае применения двухкомпонентного топлива в предлагаемых форсунках в качестве окислительной среды используется окислительный газогенераторный газ, а в обеих окружающих его струях одно и то же горючее.В случае применения трехкомпонентного топлива (один окислитель и два разных компонента горючего) в качестве окислительной среды используется газогенераторный окислительный газ, один из компонентов горючего идет в наружной кольцевой струе, а другой - во внутренней.Предлагаемое изобретение содержит ряд новых и существенных признаков.Сущность первого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевые вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне. Отверстия в пилоне могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом.В частном случае глухая трубка может быть закреплена коаксиально трубчатому корпусу внутри него также и на двух, радиально направленных и, например, равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено не менее одного, например, два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, которые могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.В частном случае глухая трубка закреплена внутри корпуса на двух, радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем тангенциальные отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.Также возможно выполнение форсунки из двух частей - входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее выходной части. При этом возможно, что для удобства сборки и пайки камеры сгорания трубчатый корпус снабжен кольцевым утолщением.Сущность другого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, в котором выполнены сквозные боковые отверстия со стороны глухого конца кармана, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом.В частном случае в изобретении боковые сквозные отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными радиально к оси форсунки, а также возможно, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону выхода из форсунок или, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону глухого конца кармана. Эти отверстия одновременно могут быть направлены тангенциально относительно оси кармана.Сущность третьего варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.Отличительная особенность этой топливной форсунки заключается в том, что она снабжена насадком со стороны выхода. Между насадком и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, причем выход из тракта регенеративного охлаждения насадка расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, например, за счет выполнения в насадке радиальных отверстий, причем в форсунке канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка, например, за счет расположения пилонов в основном осевом канале трубчатого корпуса со стороны входа за пределами участка перекрытия трубчатого корпуса насадком.В частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен с продольным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. В другом частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен со спиральным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. Еще в следующих двух частных случаях возможно, когда на наружной поверхности насадка выполнено защитное, например, хромовое покрытие толщиной 40...50 мкм, а также когда сопряжение насадка с трубчатым корпусом выполнено ступенчатым с увеличенным диаметром со стороны выхода из форсунки, при этом на каждой ступени трубчатого корпуса форсунки выполнено оребрение, а между ступенями образован кольцевой коллектор.Технический результат от реализации изобретения заключается в том, что созданы топливные форсунки (варианты) для камер сгорания жидкостных ракетных двигателей, которые существенно меняют смесеобразование в камерах сгорания и, как следствие, позволяют повысить удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя, либо уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги относительно достигнутого в настоящее время уровня. Дополнительный технический результат заключается в том, что создана трехкомпонентная форсунка, обеспечивающая эффективное смесеобразование в жидкостных ракетных двигателях, работающих на трехкомпонентном топливе.Краткое описание чертежей.На фиг.1 - топливная форсунка с двумя пилонами, со ступенчатым расширением и тангенциальными сквозными отверстиями.На фиг.2 - сечение А-А (см. фиг.1).На фиг.3 - сечение В-В (см. фиг.1).На фиг.4 - топливная форсунка с двумя пилонами и двумя входными отверстиями в каждом из них.На фиг.5 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и кольцевым торцевым карманом.На фиг.6 - сечение С-С (см. фиг.5).На фиг.7 - топливная форсунка со сварным корпусом и кольцевым утолщением.На фиг.8 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и боковыми отверстиями.На фиг.9 - сечение D-D (см. фиг.8).На фиг.10 - топливная форсунка с каналом глухой трубки, разобщенным с трактом регенеративного охлаждения насадка.На фиг.11 - сечение Е-Е (см. фиг.10).На фиг.12 - сечение F-F (см. фиг.10).На фиг.13 - сечение К-К (см. фиг.10).Примеры реализации изобретенияНа фиг.1 изображен в разрезе трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. На фиг.2 и 3 изображены сечения А-А и В-В соответственно (см. фиг.1). В трубчатом корпусе 1 закреплена на двух пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1 (см. фиг.2). В пилонах 3 выполнено по одному входному сквозному отверстию 5, простирающемуся вдоль пилона от наружной поверхности 6 форсунки до осевого канала 7 в глухой трубке 4. Канал глухой трубки 4 образован со стороны входа входными сквозными отверстиями 5 в пилонах 3, а со стороны выхода - глухим осевым каналом 7 глухой трубки 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу 7. Основной осевой канал 2 трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен ступенчатым, состоящим из двух внутренних цилиндрических поверхностей 10 и 11, между которыми выполнен внутренний торец 12. Расширенную часть 10 основного осевого канала 2 у торца 12 пересекают равнорасположенные по окружности одинаковые отверстия 8, направленные тангенциально к оси 9 форсунки.Эти отверстия простираются от наружной поверхности корпуса до пересечения с основным осевым каналом 2.В модифицированном этом варианте форсунки в каждом пилоне выполнено по два поперечных относительно оси форсунки отверстия 5 (см. фиг.4). В остальном форсунка фиг.4 повторяет форсунку фиг.1.На фиг.5 и 6 представлена топливная форсунка с коаксиальным патрубком 13 и кольцевым торцевым карманом 14. В остальном эта топливная форсунка повторяет форсунку фиг.4.Рассматриваемый в данном примере вариант топливной форсунки (как и ряд других вариантов) может быть выполнен из двух частей (см. фиг.7) - выходной 15 и входной 16, герметично соединенных сварным швом. Трубчатый корпус 1 для удобства сборки и пайки камеры сгорания снабжен кольцевым утолщением 17 (на чертежах камера сгорания не представляется).В остальном эта конструкция повторяет конструкцию топливной форсунки, изображенной на фиг.4.Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.На фиг.8 изображена в разрезе топливная форсунка, в которой имеется коаксиальный патрубок 13 и образуемый им совместно с корпусом 1 торцевой карман 14, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. В корпусе 1 со стороны глухого конца торцевого кармана 14 выполнены боковые отверстия 18, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом 14. В остальном конструкция второго варианта топливной форсунки повторяет конструкцию форсунки, приведенной на фиг.4. На фиг.9 приведено сечение D-D (фиг.8).В приведенной на фиг.8 и 9 форсунке боковые отверстия 18 расположены радиально относительно ее оси. Возможно и другое направление этих отверстий. Они могут быть равными, равнорасположенными по окружности, лежащими в осевой плоскости форсунки и отклоненными под острым углом в сторону выхода из форсунки. Эти отверстия 18 могут быть также направлены тангенциально карману 14 и одновременно заданным образом отклонены в сторону глухого конца кармана.Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.Топливная форсунка представлена в разрезе на фиг.10 с сечениями на фиг.11, 12, 13. Конструкция содержит трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. В трубчатом корпусе 1 закреплена на пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1. В пилонах 3 выполнены входные сквозные отверстия 5, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности 6 до глухого осевого канала 7 в глухой трубке 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к глухому осевому каналу 7. Топливная форсунка снабжена насадком 19, закрепленным на трубчатом корпусе 1. Трубчатый корпус 1 в местах установки насадка 19 снабжен оребрениями 20, 21. В полости между трубчатым корпусом 1 и насадком 19 образованы коллекторы 22 и 23, примыкающие к оребрениям 20 и 21. Межреберные каналы оребрений 20, 21 и коллекторы 22 и 23 образуют тракт регенеративного охлаждения насадка 19. Насадок снабжен отверстиями 24, непосредственно сообщающимися с коллектором 23. Насадок 19 скреплен с трубчатым корпусом 1 пайкой или запрессовкой.Материал форсунки - медный сплав. Наружная поверхность насадка 19 может быть снабжена защитным, например, хромовым покрытием толщиной 40...50 мкм.Работа топливных форсунокРаботу заявляемых топливных форсунок рассмотрим на примере трехкомпонентной форсунки фиг.1. В качестве окислителя используют газогенераторный газ с избытком кислорода. В качестве горючего используются компоненты, например, керосин и водород. В начале через каналы форсунок (на примере форсунки фиг.1) по направлению указанных на чертежах стрелок осуществляют продувку инертным газом или азотом. Затем прекращают продувку, после чего в основной осевой канал 2 подается газогенераторный газ с избытком кислорода. Через входные отверстия 5 в пилонах 3 подается водород, а через тангенциальные отверстия 8 подается керосин.В результате из форсунки компоненты попадают в огневое пространство камеры сгорания в виде трехслойной струи, в центре которой находится водород, его охватывает кольцевая струя газогенераторного газа с избытком кислорода, а ее, в свою очередь, охватывает струя керосина. После прекращения подачи топлива в форсунку производят продувку инертным газом или азотом.Заявленные форсунки аналогично могут работать и как двухкомпонентные. В этом случае, например, для форсунки на фиг.1 через входные отверстия 5 в пилонах 3 и тангенциальные отверстия 8 при работе подают одно и тоже горючее, например, керосин.Промышленная применяемостьПатентуемые для камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя форсунки могут работать и как трехкомпонентные, и как двухкомпонентные. Они готовы к промышленному использованию.

Формула изобретения

1. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом.2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что глухая трубка закреплена коаксиально корпусу внутри него на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия.3. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что глухая трубка закреплена внутри корпуса на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса в месте ступенчатого расширения выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем тангенциальные отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.4. Топливная форсунка по п.2, отличающаяся тем, что выполнена из двух частей, входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее выходной части.5. Топливная форсунка по п.4, отличающаяся тем, что для удобства сборки и пайки камер сгорания трубчатый корпус снабжен кольцевым утолщением.6. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, а внутри трубчатого корпуса в месте ступенчатого расширения выполнен патрубок коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, а со стороны глухого конца кармана отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.7. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными радиально к оси форсунки.8. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону выхода из форсунки.9. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону глухого конца кармана.10. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что топливная форсунка снабжена насадком со стороны выхода, между насадком и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, причем выход из тракта регенеративного охлаждения насадка расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, например, за счет выполнения в насадке радиальных отверстий, причем в форсунке канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка, например, за счет расположения пилонов в основном осевом канале трубчатого корпуса со стороны входа за пределами участка перекрытия трубчатого корпуса насадком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13

www.findpatent.ru

топливная форсунка жидкостного ракетного двигателя (варианты) - патент РФ 2232916

Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя включает трубчатый корпус, а также закрепленную коаксиально внутри корпуса глухую трубку. В пилоне выполнено не менее, чем одно входное отверстие. Канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным отверстием в пилоне. Основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода может быть выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия. Внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой может быть выполнен патрубок. Между патрубком и трубчатым корпусом может быть образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. Топливная форсунка со стороны выхода может быть снабжена насадком, между которым и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, выход из тракта которого расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, причём канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка. Изобретения позволят обеспечить эффективное смесеобразование в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей, а также позволят уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

Рисунки к патенту РФ 2232916

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13 Область техникиИзобретение относится к ракетному двигателестроению, а более конкретно к смесеобразующим форсункам жидкостных ракетных двигателей.Предшествующий уровень техникиИз анализа уровня техники известны двухкомпонентные форсунки с глухим осевым каналом и тангенциальными сквозными отверстиями, простирающимися от наружной поверхности форсунки до пересечения с этим осевым каналом. Таковой форсункой является форсунка камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей РД-107, РД-108 (см., например, энциклопедию "Космонавтика", М., 1985, стр.426, параграф "Форсуночная головка"). Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретения. Недостаток аналога в том, что в нем не может быть использован третий компонент топлива, а также в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя.Из анализа уровня техники известна также газожидкостная двухкомпонентная струйно-струйная форсунка жидкостного ракетного двигателя РД-253 (см. учебник для вузов, авторы Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.14, поз.1). Эту форсунку принимаем также в качестве аналога.Недостаток аналога в том, что в нем нельзя использовать третий компонент топлива, а кроме того эта форсунка имеет резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостных ракетных двигателей, работающих на двухкомпонентном топливе.Известны форсунки, образующие антипульсационные перегородки головки двигателя SSME (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.135, рис.7.12, поз.3). Эти форсунки - двухкомпонентные, выдвинутые выходной своей частью в огневое пространство камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретений.Известна газожидкостная форсунка смесительной головки кислородно-водородного двигателя (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.13, поз.2). Форсунка содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с осевым каналом и коаксиально закрепленную внутри корпуса глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом. В пилонах выполнены сквозные отверстия, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входными сквозными отверстиями в пилоне.Эту форсунку принимаем в качестве прототипа топливной форсунки.Недостаток прототипа в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги двигателя, а кроме того в нем нельзя использовать третий компонент топлива.Раскрытие изобретенияВ основу изобретения положена задача реализации смесеобразования, заключающегося в том, чтобы из форсунки в огневое пространство камеры сгорания выходила кольцевая струя окислительной среды, внутри которой располагалась струя горючего, а окружала струю окислительной среды также кольцевая струя горючего.Целесообразно, чтобы так работала как обычная форсунка, так и форсунка, выступающая в огневое пространство камеры сгорания, которая чаще всего предназначается для образования антипульсационных перегородок в огневом пространстве камер сгорания жидкостных ракетных двигателей.Необходимость разработки таких форсунок продиктована как целесообразностью улучшения смесеобразования в камере сгорания, в частности, для повышения удельного импульса тяги двигателей, работающих на двух компонентах, так и потребностью в создании трехкомпонентных форсунок для жидкостных ракетных двигателей, в которых используются три компонента топлива.В случае применения двухкомпонентного топлива в предлагаемых форсунках в качестве окислительной среды используется окислительный газогенераторный газ, а в обеих окружающих его струях одно и то же горючее.В случае применения трехкомпонентного топлива (один окислитель и два разных компонента горючего) в качестве окислительной среды используется газогенераторный окислительный газ, один из компонентов горючего идет в наружной кольцевой струе, а другой - во внутренней.Предлагаемое изобретение содержит ряд новых и существенных признаков.Сущность первого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевые вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне. Отверстия в пилоне могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом.В частном случае глухая трубка может быть закреплена коаксиально трубчатому корпусу внутри него также и на двух, радиально направленных и, например, равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено не менее одного, например, два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, которые могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.В частном случае глухая трубка закреплена внутри корпуса на двух, радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем тангенциальные отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.Также возможно выполнение форсунки из двух частей - входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее выходной части. При этом возможно, что для удобства сборки и пайки камеры сгорания трубчатый корпус снабжен кольцевым утолщением.Сущность другого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, в котором выполнены сквозные боковые отверстия со стороны глухого конца кармана, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом.В частном случае в изобретении боковые сквозные отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными радиально к оси форсунки, а также возможно, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону выхода из форсунок или, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону глухого конца кармана. Эти отверстия одновременно могут быть направлены тангенциально относительно оси кармана.Сущность третьего варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.Отличительная особенность этой топливной форсунки заключается в том, что она снабжена насадком со стороны выхода. Между насадком и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, причем выход из тракта регенеративного охлаждения насадка расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, например, за счет выполнения в насадке радиальных отверстий, причем в форсунке канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка, например, за счет расположения пилонов в основном осевом канале трубчатого корпуса со стороны входа за пределами участка перекрытия трубчатого корпуса насадком.В частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен с продольным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. В другом частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен со спиральным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. Еще в следующих двух частных случаях возможно, когда на наружной поверхности насадка выполнено защитное, например, хромовое покрытие толщиной 40...50 мкм, а также когда сопряжение насадка с трубчатым корпусом выполнено ступенчатым с увеличенным диаметром со стороны выхода из форсунки, при этом на каждой ступени трубчатого корпуса форсунки выполнено оребрение, а между ступенями образован кольцевой коллектор.Технический результат от реализации изобретения заключается в том, что созданы топливные форсунки (варианты) для камер сгорания жидкостных ракетных двигателей, которые существенно меняют смесеобразование в камерах сгорания и, как следствие, позволяют повысить удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя, либо уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги относительно достигнутого в настоящее время уровня. Дополнительный технический результат заключается в том, что создана трехкомпонентная форсунка, обеспечивающая эффективное смесеобразование в жидкостных ракетных двигателях, работающих на трехкомпонентном топливе.Краткое описание чертежей.На фиг.1 - топливная форсунка с двумя пилонами, со ступенчатым расширением и тангенциальными сквозными отверстиями.На фиг.2 - сечение А-А (см. фиг.1).На фиг.3 - сечение В-В (см. фиг.1).На фиг.4 - топливная форсунка с двумя пилонами и двумя входными отверстиями в каждом из них.На фиг.5 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и кольцевым торцевым карманом.На фиг.6 - сечение С-С (см. фиг.5).На фиг.7 - топливная форсунка со сварным корпусом и кольцевым утолщением.На фиг.8 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и боковыми отверстиями.На фиг.9 - сечение D-D (см. фиг.8).На фиг.10 - топливная форсунка с каналом глухой трубки, разобщенным с трактом регенеративного охлаждения насадка.На фиг.11 - сечение Е-Е (см. фиг.10).На фиг.12 - сечение F-F (см. фиг.10).На фиг.13 - сечение К-К (см. фиг.10).Примеры реализации изобретенияНа фиг.1 изображен в разрезе трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. На фиг.2 и 3 изображены сечения А-А и В-В соответственно (см. фиг.1). В трубчатом корпусе 1 закреплена на двух пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1 (см. фиг.2). В пилонах 3 выполнено по одному входному сквозному отверстию 5, простирающемуся вдоль пилона от наружной поверхности 6 форсунки до осевого канала 7 в глухой трубке 4. Канал глухой трубки 4 образован со стороны входа входными сквозными отверстиями 5 в пилонах 3, а со стороны выхода - глухим осевым каналом 7 глухой трубки 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу 7. Основной осевой канал 2 трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен ступенчатым, состоящим из двух внутренних цилиндрических поверхностей 10 и 11, между которыми выполнен внутренний торец 12. Расширенную часть 10 основного осевого канала 2 у торца 12 пересекают равнорасположенные по окружности одинаковые отверстия 8, направленные тангенциально к оси 9 форсунки.Эти отверстия простираются от наружной поверхности корпуса до пересечения с основным осевым каналом 2.В модифицированном этом варианте форсунки в каждом пилоне выполнено по два поперечных относительно оси форсунки отверстия 5 (см. фиг.4). В остальном форсунка фиг.4 повторяет форсунку фиг.1.На фиг.5 и 6 представлена топливная форсунка с коаксиальным патрубком 13 и кольцевым торцевым карманом 14. В остальном эта топливная форсунка повторяет форсунку фиг.4.Рассматриваемый в данном примере вариант топливной форсунки (как и ряд других вариантов) может быть выполнен из двух частей (см. фиг.7) - выходной 15 и входной 16, герметично соединенных сварным швом. Трубчатый корпус 1 для удобства сборки и пайки камеры сгорания снабжен кольцевым утолщением 17 (на чертежах камера сгорания не представляется).В остальном эта конструкция повторяет конструкцию топливной форсунки, изображенной на фиг.4.Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.На фиг.8 изображена в разрезе топливная форсунка, в которой имеется коаксиальный патрубок 13 и образуемый им совместно с корпусом 1 торцевой карман 14, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. В корпусе 1 со стороны глухого конца торцевого кармана 14 выполнены боковые отверстия 18, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом 14. В остальном конструкция второго варианта топливной форсунки повторяет конструкцию форсунки, приведенной на фиг.4. На фиг.9 приведено сечение D-D (фиг.8).В приведенной на фиг.8 и 9 форсунке боковые отверстия 18 расположены радиально относительно ее оси. Возможно и другое направление этих отверстий. Они могут быть равными, равнорасположенными по окружности, лежащими в осевой плоскости форсунки и отклоненными под острым углом в сторону выхода из форсунки. Эти отверстия 18 могут быть также направлены тангенциально карману 14 и одновременно заданным образом отклонены в сторону глухого конца кармана.Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.Топливная форсунка представлена в разрезе на фиг.10 с сечениями на фиг.11, 12, 13. Конструкция содержит трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. В трубчатом корпусе 1 закреплена на пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1. В пилонах 3 выполнены входные сквозные отверстия 5, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности 6 до глухого осевого канала 7 в глухой трубке 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к глухому осевому каналу 7. Топливная форсунка снабжена насадком 19, закрепленным на трубчатом корпусе 1. Трубчатый корпус 1 в местах установки насадка 19 снабжен оребрениями 20, 21. В полости между трубчатым корпусом 1 и насадком 19 образованы коллекторы 22 и 23, примыкающие к оребрениям 20 и 21. Межреберные каналы оребрений 20, 21 и коллекторы 22 и 23 образуют тракт регенеративного охлаждения насадка 19. Насадок снабжен отверстиями 24, непосредственно сообщающимися с коллектором 23. Насадок 19 скреплен с трубчатым корпусом 1 пайкой или запрессовкой.Материал форсунки - медный сплав. Наружная поверхность насадка 19 может быть снабжена защитным, например, хромовым покрытием толщиной 40...50 мкм.Работа топливных форсунокРаботу заявляемых топливных форсунок рассмотрим на примере трехкомпонентной форсунки фиг.1. В качестве окислителя используют газогенераторный газ с избытком кислорода. В качестве горючего используются компоненты, например, керосин и водород. В начале через каналы форсунок (на примере форсунки фиг.1) по направлению указанных на чертежах стрелок осуществляют продувку инертным газом или азотом. Затем прекращают продувку, после чего в основной осевой канал 2 подается газогенераторный газ с избытком кислорода. Через входные отверстия 5 в пилонах 3 подается водород, а через тангенциальные отверстия 8 подается керосин.В результате из форсунки компоненты попадают в огневое пространство камеры сгорания в виде трехслойной струи, в центре которой находится водород, его охватывает кольцевая струя газогенераторного газа с избытком кислорода, а ее, в свою очередь, охватывает струя керосина. После прекращения подачи топлива в форсунку производят продувку инертным газом или азотом.Заявленные форсунки аналогично могут работать и как двухкомпонентные. В этом случае, например, для форсунки на фиг.1 через входные отверстия 5 в пилонах 3 и тангенциальные отверстия 8 при работе подают одно и тоже горючее, например, керосин.Промышленная применяемостьПатентуемые для камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя форсунки могут работать и как трехкомпонентные, и как двухкомпонентные. Они готовы к промышленному использованию.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом.2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что глухая трубка закреплена коаксиально корпусу внутри него на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия.3. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что глухая трубка закреплена внутри корпуса на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса в месте ступенчатого расширения выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем тангенциальные отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.4. Топливная форсунка по п.2, отличающаяся тем, что выполнена из двух частей, входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее выходной части.5. Топливная форсунка по п.4, отличающаяся тем, что для удобства сборки и пайки камер сгорания трубчатый корпус снабжен кольцевым утолщением.6. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, а внутри трубчатого корпуса в месте ступенчатого расширения выполнен патрубок коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, а со стороны глухого конца кармана отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.7. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными радиально к оси форсунки.8. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону выхода из форсунки.9. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону глухого конца кармана.10. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что топливная форсунка снабжена насадком со стороны выхода, между насадком и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, причем выход из тракта регенеративного охлаждения насадка расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, например, за счет выполнения в насадке радиальных отверстий, причем в форсунке канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка, например, за счет расположения пилонов в основном осевом канале трубчатого корпуса со стороны входа за пределами участка перекрытия трубчатого корпуса насадком.

www.freepatent.ru

Топливная форсунка жидкостного ракетного двигателя (варианты)

Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя включает трубчатый корпус, а также закрепленную коаксиально внутри корпуса глухую трубку. В пилоне выполнено не менее, чем одно входное отверстие. Канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным отверстием в пилоне. Основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода может быть выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия. Внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой может быть выполнен патрубок. Между патрубком и трубчатым корпусом может быть образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. Топливная форсунка со стороны выхода может быть снабжена насадком, между которым и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, выход из тракта которого расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, причём канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка. Изобретения позволят обеспечить эффективное смесеобразование в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей, а также позволят уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

Область техникиИзобретение относится к ракетному двигателестроению, а более конкретно к смесеобразующим форсункам жидкостных ракетных двигателей.Предшествующий уровень техникиИз анализа уровня техники известны двухкомпонентные форсунки с глухим осевым каналом и тангенциальными сквозными отверстиями, простирающимися от наружной поверхности форсунки до пересечения с этим осевым каналом. Таковой форсункой является форсунка камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей РД-107, РД-108 (см., например, энциклопедию "Космонавтика", М., 1985, стр.426, параграф "Форсуночная головка"). Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретения. Недостаток аналога в том, что в нем не может быть использован третий компонент топлива, а также в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя.Из анализа уровня техники известна также газожидкостная двухкомпонентная струйно-струйная форсунка жидкостного ракетного двигателя РД-253 (см. учебник для вузов, авторы Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.14, поз.1). Эту форсунку принимаем также в качестве аналога.Недостаток аналога в том, что в нем нельзя использовать третий компонент топлива, а кроме того эта форсунка имеет резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги жидкостных ракетных двигателей, работающих на двухкомпонентном топливе.Известны форсунки, образующие антипульсационные перегородки головки двигателя SSME (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.135, рис.7.12, поз.3). Эти форсунки - двухкомпонентные, выдвинутые выходной своей частью в огневое пространство камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Эту форсунку принимаем в качестве аналога изобретений.Известна газожидкостная форсунка смесительной головки кислородно-водородного двигателя (см. Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М., 1989 г., стр.136, рис.7.13, поз.2). Форсунка содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с осевым каналом и коаксиально закрепленную внутри корпуса глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом. В пилонах выполнены сквозные отверстия, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входными сквозными отверстиями в пилоне.Эту форсунку принимаем в качестве прототипа топливной форсунки.Недостаток прототипа в том, что в нем имеется резерв для улучшения смесеобразования и повышения удельного импульса тяги двигателя, а кроме того в нем нельзя использовать третий компонент топлива.Раскрытие изобретенияВ основу изобретения положена задача реализации смесеобразования, заключающегося в том, чтобы из форсунки в огневое пространство камеры сгорания выходила кольцевая струя окислительной среды, внутри которой располагалась струя горючего, а окружала струю окислительной среды также кольцевая струя горючего.Целесообразно, чтобы так работала как обычная форсунка, так и форсунка, выступающая в огневое пространство камеры сгорания, которая чаще всего предназначается для образования антипульсационных перегородок в огневом пространстве камер сгорания жидкостных ракетных двигателей.Необходимость разработки таких форсунок продиктована как целесообразностью улучшения смесеобразования в камере сгорания, в частности, для повышения удельного импульса тяги двигателей, работающих на двух компонентах, так и потребностью в создании трехкомпонентных форсунок для жидкостных ракетных двигателей, в которых используются три компонента топлива.В случае применения двухкомпонентного топлива в предлагаемых форсунках в качестве окислительной среды используется окислительный газогенераторный газ, а в обеих окружающих его струях одно и то же горючее.В случае применения трехкомпонентного топлива (один окислитель и два разных компонента горючего) в качестве окислительной среды используется газогенераторный окислительный газ, один из компонентов горючего идет в наружной кольцевой струе, а другой - во внутренней.Предлагаемое изобретение содержит ряд новых и существенных признаков.Сущность первого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевые вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне. Отверстия в пилоне могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом.В частном случае глухая трубка может быть закреплена коаксиально трубчатому корпусу внутри него также и на двух, радиально направленных и, например, равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено не менее одного, например, два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, которые могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу в глухой трубке.В частном случае глухая трубка закреплена внутри корпуса на двух, радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем тангенциальные отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.Также возможно выполнение форсунки из двух частей - входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее выходной части. При этом возможно, что для удобства сборки и пайки камеры сгорания трубчатый корпус снабжен кольцевым утолщением.Сущность другого варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.Отличительная особенность топливной форсунки заключается в том, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, а внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, выполнен патрубок коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, в котором выполнены сквозные боковые отверстия со стороны глухого конца кармана, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом.В частном случае в изобретении боковые сквозные отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными радиально к оси форсунки, а также возможно, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону выхода из форсунок или, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону глухого конца кармана. Эти отверстия одновременно могут быть направлены тангенциально относительно оси кармана.Сущность третьего варианта изобретения заключается в том, что топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны его глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне.Отличительная особенность этой топливной форсунки заключается в том, что она снабжена насадком со стороны выхода. Между насадком и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, причем выход из тракта регенеративного охлаждения насадка расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, например, за счет выполнения в насадке радиальных отверстий, причем в форсунке канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка, например, за счет расположения пилонов в основном осевом канале трубчатого корпуса со стороны входа за пределами участка перекрытия трубчатого корпуса насадком.В частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен с продольным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. В другом частном случае тракт регенеративного охлаждения насадка выполнен со спиральным оребрением на наружной поверхности трубчатого корпуса. Еще в следующих двух частных случаях возможно, когда на наружной поверхности насадка выполнено защитное, например, хромовое покрытие толщиной 40...50 мкм, а также когда сопряжение насадка с трубчатым корпусом выполнено ступенчатым с увеличенным диаметром со стороны выхода из форсунки, при этом на каждой ступени трубчатого корпуса форсунки выполнено оребрение, а между ступенями образован кольцевой коллектор.Технический результат от реализации изобретения заключается в том, что созданы топливные форсунки (варианты) для камер сгорания жидкостных ракетных двигателей, которые существенно меняют смесеобразование в камерах сгорания и, как следствие, позволяют повысить удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя, либо уменьшить длину огневого пространства камеры сгорания без снижения удельного импульса тяги относительно достигнутого в настоящее время уровня. Дополнительный технический результат заключается в том, что создана трехкомпонентная форсунка, обеспечивающая эффективное смесеобразование в жидкостных ракетных двигателях, работающих на трехкомпонентном топливе.Краткое описание чертежей.На фиг.1 - топливная форсунка с двумя пилонами, со ступенчатым расширением и тангенциальными сквозными отверстиями.На фиг.2 - сечение А-А (см. фиг.1).На фиг.3 - сечение В-В (см. фиг.1).На фиг.4 - топливная форсунка с двумя пилонами и двумя входными отверстиями в каждом из них.На фиг.5 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и кольцевым торцевым карманом.На фиг.6 - сечение С-С (см. фиг.5).На фиг.7 - топливная форсунка со сварным корпусом и кольцевым утолщением.На фиг.8 - топливная форсунка с коаксиальным патрубком и боковыми отверстиями.На фиг.9 - сечение D-D (см. фиг.8).На фиг.10 - топливная форсунка с каналом глухой трубки, разобщенным с трактом регенеративного охлаждения насадка.На фиг.11 - сечение Е-Е (см. фиг.10).На фиг.12 - сечение F-F (см. фиг.10).На фиг.13 - сечение К-К (см. фиг.10).Примеры реализации изобретенияНа фиг.1 изображен в разрезе трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. На фиг.2 и 3 изображены сечения А-А и В-В соответственно (см. фиг.1). В трубчатом корпусе 1 закреплена на двух пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1 (см. фиг.2). В пилонах 3 выполнено по одному входному сквозному отверстию 5, простирающемуся вдоль пилона от наружной поверхности 6 форсунки до осевого канала 7 в глухой трубке 4. Канал глухой трубки 4 образован со стороны входа входными сквозными отверстиями 5 в пилонах 3, а со стороны выхода - глухим осевым каналом 7 глухой трубки 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к осевому каналу 7. Основной осевой канал 2 трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен ступенчатым, состоящим из двух внутренних цилиндрических поверхностей 10 и 11, между которыми выполнен внутренний торец 12. Расширенную часть 10 основного осевого канала 2 у торца 12 пересекают равнорасположенные по окружности одинаковые отверстия 8, направленные тангенциально к оси 9 форсунки.Эти отверстия простираются от наружной поверхности корпуса до пересечения с основным осевым каналом 2.В модифицированном этом варианте форсунки в каждом пилоне выполнено по два поперечных относительно оси форсунки отверстия 5 (см. фиг.4). В остальном форсунка фиг.4 повторяет форсунку фиг.1.На фиг.5 и 6 представлена топливная форсунка с коаксиальным патрубком 13 и кольцевым торцевым карманом 14. В остальном эта топливная форсунка повторяет форсунку фиг.4.Рассматриваемый в данном примере вариант топливной форсунки (как и ряд других вариантов) может быть выполнен из двух частей (см. фиг.7) - выходной 15 и входной 16, герметично соединенных сварным швом. Трубчатый корпус 1 для удобства сборки и пайки камеры сгорания снабжен кольцевым утолщением 17 (на чертежах камера сгорания не представляется).В остальном эта конструкция повторяет конструкцию топливной форсунки, изображенной на фиг.4.Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.На фиг.8 изображена в разрезе топливная форсунка, в которой имеется коаксиальный патрубок 13 и образуемый им совместно с корпусом 1 торцевой карман 14, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса. В корпусе 1 со стороны глухого конца торцевого кармана 14 выполнены боковые отверстия 18, которые простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом 14. В остальном конструкция второго варианта топливной форсунки повторяет конструкцию форсунки, приведенной на фиг.4. На фиг.9 приведено сечение D-D (фиг.8).В приведенной на фиг.8 и 9 форсунке боковые отверстия 18 расположены радиально относительно ее оси. Возможно и другое направление этих отверстий. Они могут быть равными, равнорасположенными по окружности, лежащими в осевой плоскости форсунки и отклоненными под острым углом в сторону выхода из форсунки. Эти отверстия 18 могут быть также направлены тангенциально карману 14 и одновременно заданным образом отклонены в сторону глухого конца кармана.Материал форсунки - сплав меди или жаростойкий сплав.Топливная форсунка представлена в разрезе на фиг.10 с сечениями на фиг.11, 12, 13. Конструкция содержит трубчатый корпус 1 с основным осевым каналом 2. В трубчатом корпусе 1 закреплена на пилонах 3 глухая трубка 4, выполненная зацело с пилонами 3 и трубчатым корпусом 1. В пилонах 3 выполнены входные сквозные отверстия 5, простирающиеся вдоль пилона от наружной поверхности 6 до глухого осевого канала 7 в глухой трубке 4. Следует отметить, что отверстия 5 могут быть выполнены как радиальными, так и тангенциальными по отношению к глухому осевому каналу 7. Топливная форсунка снабжена насадком 19, закрепленным на трубчатом корпусе 1. Трубчатый корпус 1 в местах установки насадка 19 снабжен оребрениями 20, 21. В полости между трубчатым корпусом 1 и насадком 19 образованы коллекторы 22 и 23, примыкающие к оребрениям 20 и 21. Межреберные каналы оребрений 20, 21 и коллекторы 22 и 23 образуют тракт регенеративного охлаждения насадка 19. Насадок снабжен отверстиями 24, непосредственно сообщающимися с коллектором 23. Насадок 19 скреплен с трубчатым корпусом 1 пайкой или запрессовкой.Материал форсунки - медный сплав. Наружная поверхность насадка 19 может быть снабжена защитным, например, хромовым покрытием толщиной 40...50 мкм.Работа топливных форсунокРаботу заявляемых топливных форсунок рассмотрим на примере трехкомпонентной форсунки фиг.1. В качестве окислителя используют газогенераторный газ с избытком кислорода. В качестве горючего используются компоненты, например, керосин и водород. В начале через каналы форсунок (на примере форсунки фиг.1) по направлению указанных на чертежах стрелок осуществляют продувку инертным газом или азотом. Затем прекращают продувку, после чего в основной осевой канал 2 подается газогенераторный газ с избытком кислорода. Через входные отверстия 5 в пилонах 3 подается водород, а через тангенциальные отверстия 8 подается керосин.В результате из форсунки компоненты попадают в огневое пространство камеры сгорания в виде трехслойной струи, в центре которой находится водород, его охватывает кольцевая струя газогенераторного газа с избытком кислорода, а ее, в свою очередь, охватывает струя керосина. После прекращения подачи топлива в форсунку производят продувку инертным газом или азотом.Заявленные форсунки аналогично могут работать и как двухкомпонентные. В этом случае, например, для форсунки на фиг.1 через входные отверстия 5 в пилонах 3 и тангенциальные отверстия 8 при работе подают одно и тоже горючее, например, керосин.Промышленная применяемостьПатентуемые для камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя форсунки могут работать и как трехкомпонентные, и как двухкомпонентные. Они готовы к промышленному использованию.

Формула изобретения

1. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия, простирающиеся со стороны наружной поверхности форсунки до пересечения с основным осевым каналом.2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что глухая трубка закреплена коаксиально корпусу внутри него на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия.3. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что глухая трубка закреплена внутри корпуса на двух радиально направленных и равнорасположенных по окружности пилонах, внутри каждого из которых размещено два поперечных относительно оси форсунки входных сквозных отверстия, а внутри трубчатого корпуса в месте ступенчатого расширения выполнен патрубок, расположенный коаксиально между корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, причем тангенциальные отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.4. Топливная форсунка по п.2, отличающаяся тем, что выполнена из двух частей, входной и выходной, герметично соединенных сварным швом, причем пилоны расположены в ее выходной части.5. Топливная форсунка по п.4, отличающаяся тем, что для удобства сборки и пайки камер сгорания трубчатый корпус снабжен кольцевым утолщением.6. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода выполнен со ступенчатым расширением, а внутри трубчатого корпуса в месте ступенчатого расширения выполнен патрубок коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой, при этом между патрубком и трубчатым корпусом образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса, а со стороны глухого конца кармана отверстия простираются от наружной поверхности форсунки до пересечения с кольцевым торцевым карманом.7. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными радиально к оси форсунки.8. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону выхода из форсунки.9. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что боковые отверстия, простирающиеся от наружной поверхности форсунки до пересечения с карманом, выполнены равными, равнорасположенными по окружности, направленными под острым углом в сторону глухого конца кармана.10. Топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая имеющий осевой вход и выход трубчатый корпус с основным осевым каналом, а также не менее чем на одном пилоне закрепленную коаксиально корпусу внутри него глухую трубку, выполненную зацело с пилоном и трубчатым корпусом, причем в пилоне выполнено не менее чем одно входное сквозное отверстие, простирающееся вдоль пилона от наружной поверхности форсунки до осевого канала в глухой трубке со стороны ее глухого конца, при этом канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным сквозным отверстием в пилоне, отличающаяся тем, что топливная форсунка снабжена насадком со стороны выхода, между насадком и трубчатым корпусом выполнен тракт регенеративного охлаждения насадка, причем выход из тракта регенеративного охлаждения насадка расположен на выходном конце форсунки, а вход - на противоположном конце насадка, например, за счет выполнения в насадке радиальных отверстий, причем в форсунке канал глухой трубки со стороны входа разобщен с трактом регенеративного охлаждения насадка, например, за счет расположения пилонов в основном осевом канале трубчатого корпуса со стороны входа за пределами участка перекрытия трубчатого корпуса насадком.

bankpatentov.ru

Центробежные форсунки ракетных двигателей | Статьи - Промышленный каталог статей

Центробежные форсунки широко используются в жидкостных ракетных двигателях. Их конструкторы обходятся в основном теорией Абрамовича и экспериментальными данными.

Центробежные форсунки широко используются в жидкостных ракетных двигателях.

Их конструкторы обходятся в основном теорией Абрамовича и экспериментальными данными. Для расчета расходных характеристик, угла распыла однокомпонентных форсунок этот подход достаточен, но для более сложных задач уже возникают затруднения. Расчет течения внутри форсунки – первый шаг к расчету параметров распыла на выходе форсунки, когда получаются начальные условия для расчета дальнейшего дробления образующейся жидкой пелены на капли.

Проведено численное моделирование течения жидкости внутри двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки ЖРД, работающей на компонентах керосин – жидкий кислород. Результаты проливок форсунки в холодных модельных условиях на воде в барокамере, средой в которой был воздух, использовались для тестирования результатов численного моделирования.

Специальный акцент уделяется внутреннему потоку в форсунке, поэтому расчетные объемы, моделирующие предфорсуночные полости, и объем, в который происходит истечение из форсунки, для уменьшения объема вычислений, выполнены как можно меньшими. Ячейки в основном – шестигранники, тангенциальные каналы выполнены из четырехгранников и переходная область между ними выполнена из пирамид. Характерный размер ячейки в области, в которой необходимо описать интерфейс внутри форсунки, – 100 мкм. Минимальное число ячеек, размер которых уже не влияет на решение, - порядка 50000 ячеек на расчетный объем.

В качестве граничных поверхностей заданы стенки форсунки – как стенка со скольжением. На границах объемов, соответствующих предфорсуночным полостям, и объема, в который происходит истечение из форсунки, для давления задается заданное значение, а для скорости и объемной доли задается inlet-outlet. На плоскостях, вырезающих из всего объема форсунки расчетный объем, задаются циклические граничные условия. В качестве начальных условий задается нулевая скорость во всем расчетном объеме, давление равное давлению в выходном сечении форсунки, значение объемной доли равно нулю везде, кроме объемов предфорсуночных полостей.

Плотность жидкости равна плотности воды, плотность газа – плотности воздуха при давлении на выходе из форсунки. Вязкость соответствует вязкости воды и воздуха, коэффициент поверхностного натяжения равен нулю. Расчеты показывают наличие газового вихря внутри форсунки, который и определяет ее коэффициент расхода. Параметры этого газового вихря соответствуют параметрам, рассчитанным по теории Абрамовича для центробежной форсунки. Рассмотрено раздельное и совместное течение компонентов внутри форсунки при модельной работе форсунки, когда оба компонента моделируются водой. Расходная характеристика форсунки (зависимость расхода жидкой фазы от перепада давления) при раздельной работе форсунок горючего и окислителя получена численным моделированием при различных значениях давления на входе. Результаты численного моделирования течения компонентов топлива в двухкомпонентной жидкостной центробежной форсунке ЖРД, в частности, расходные характеристики и угол факела распыла, показывают хорошее совпадение с экспериментальными данными, и с расчетами по теории Абрамовича. Параметры течения, рассчитанные на выходе форсунки, могут служить начальными условиями для расчета дальнейшего дробления образующейся жидкой пелены на капли.

Таким образом, методы численной гидродинамики могут служить надежным инструментом для разработки форсунок ЖРД.

www.12821-80.ru

Форсуночная головка камеры сгорания жрд

 

Форсуночная головка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит корпус и огневое днище с установленными в них форсунками. Форсунки содержат центральный и тангенциальный каналы, соединяющие полости компонентов с полостью камеры сгорания. Центральный канал форсунок выполнен профилированным с сужающейся входной и расширяющейся выходной частями с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения. Изобретение позволит повысить экономичность работы камеры сгорания, удельный импульс тяги и улучшить режимы запуска двигателя. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании смесительных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).В настоящее время одной из основных проблем при создании ЖРД является получение высокого значения удельного импульса тяги за счет обеспечения предельно высокой полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива обеспечивается распределением по форсункам компонентов с требуемой степенью равномерности, которая обуславливается гидравлическими характеристиками форсунок и полостей окислителя и горючего смесительной головки.Неравномерность распределения компонентов по форсункам смесительной головки приводит к ухудшению условий смесеобразования, уменьшению полноты сгорания топлива и соответственно потерям удельного импульса тяги.Известна камера сгорания ЖРД замкнутой системы, содержащая газовод, головку с двумя днищами и вмонтированные в них двухкомпонентные газожидкостные форсунки, выполненные в виде последовательно расположенных цилиндров меньшего диаметра на входе, выступающего в газовод, и большего на выходе. В центральном канале, у места перехода цилиндра меньшего диаметра в цилиндр большего диаметра, расположены два ряда тангенциальных отверстий для подачи жидкого компонента. Центральный канал непосредственно перед тангенциальными отверстиями выполнен в форме диффузора (пат. RU №2141052, заявка №95115469 от 31.08.95 г., РЖ. Авиационные и ракетные двигатели. №1. 2000, Москва, с.18).Данное решение не обеспечивает высокой степени смесеобразования на различных режимах работы двигателя.Известна форсуночная головка камеры сгорания ЖРД, содержащая корпус и огневое днище с установленными в них в определенном порядке двухкомпонентными газожидкостными форсунками, выполненными в виде последовательно соединенных цилиндров разного диаметра, входящих один в другой с образованием в месте их соединения камеры смешения, и соединяющими центральным и тангенциальным каналами полости компонентов с полостью камеры сгорания (см. Г.Г.Гахун и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1989 г., с.134, рис. 7.11 - прототип).В указанной форсуночной головке окислитель подается в камеру сгорания по центральному каналу, а горючее - по тангенциальным. При подаче горючего по тангенциальным каналам происходит его закрутка и интенсивное перемешивание со струей окислителя в камере смешения форсунки.Выравнивание распределения компонентов по форсункам в данной смесительной головке осуществляется только за счет профилирования полостей и днищ блоков горючего и окислителя, что не обеспечивает необходимой степени равномерности распределения компонентов, в особенности окислителя, по форсункам, снижает равномерность концентрации компонентов топлива по поперечному сечению камеры и приводит к уменьшению удельного импульса тяги.Кроме этого, данная конструкция форсунок, за счет выполнения центрального канала не профилированным, не обеспечивает расчетного режима истечения газообразного компонента при запуске и на основном режиме работы, что не позволяет создать требуемое противодавление для турбины и приводит к появлению высокой температуры в газогенераторе и забросу оборотов турбонасосного агрегата, независимо от момента подключения камеры в процессе запуска.Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности работы камеры сгорания и удельного импульса тяги за счет обеспечения более равномерного распределения расхода генераторного газа по форсункам и более интенсивного его перемешивания с горючим в камерах смешения форсунок.Указанная задача достигается тем, что в форсуночной головке камеры сгорания ЖРД, содержащей корпус и огневое днище с установленными в них форсунками с центральным и тангенциальным каналами, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, согласно изобретению центральный канал форсунок выполнен профилированным с сужающейся входной и расширяющейся выходной частями с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения.Кроме задач повышения экономичности камеры сгорания, данная конструкция форсунок позволяет значительно улучшить режимы запуска двигателя, независимо от времени подключения камер за счет появления критического режима истечения генераторного газа через данную форсунку с последующим уменьшением скорости истечения при выходе на основной режим тяги.Для обеспечения расчетного режима истечения и уменьшения гидравлических потерь при профилировании входной сужающейся части, начальная зона входной части профилированного центрального канала форсунки выполнена цилиндрической с последующим переходом в коническую, при этом радиус перехода от цилиндрической части к конической выполнен равным диаметру входа центрального канала r1=d1, a радиус перехода от конической части к минимальному сечению выполнен равным r=d, где: d - диаметр минимального проходного сечения, d1 - диаметр входа центрального канала.Указанные значения выбраны исходя из того, что при их изменении в любую сторону происходит увеличение гидравлического сопротивления тракта.Для обеспечения плавности течения в дозвуковой части форсунки и выравнивания поля скоростей в минимальном сечении, длина входной цилиндрической части центрального канала выполнена в соотношении Lц=(1…2)d1.Нижний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при его дальнейшем уменьшении не обеспечивается требуемая плавность течения компонента в канале.Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при его дальнейшем увеличении не происходит выравнивания поля скоростей в минимальном сечении с требуемой степенью точности.Для обеспечения дозвукового режима течения генераторного газа через форсунки на основном режиме работы двигателя, диаметр и длина минимального проходного сечения выполнены в соотношении d=(0,6…0,7)d1 и L=(0,05-0,1)d, где L - длина минимального проходного сечения.Нижние пределы указанных соотношений выбраны исходя из того, что при их дальнейшем уменьшении наступает критический режим истечения, что приводит к существенному повышению гидравлического сопротивления без улучшения смесеобразования и ухудшению энергетических характеристик двигателя.Верхние пределы указанных соотношений выбраны исходя из того, что при их дальнейшем увеличении не происходит улучшения условий смесеобразования с одновременным ростом габаритных размеров форсунок.Для обеспечения расчетного режима истечения и уменьшения гидравлических потерь при профилировании центрального канала, угол конусности входной сужающейся части выполнен =45-60.Нижний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при его дальнейшем уменьшении происходит значительный рост габаритных размеров форсунки.Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при его дальнейшем увеличении происходит уменьшение коэффициента расхода и увеличение гидравлического сопротивления.Для обеспечения восстановления давления газа при истечении угол конусности выходной расширяющейся части выполнен =6-8.Нижний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при его дальнейшем уменьшении происходит резкое увеличение габаритных размеров.Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при его дальнейшем увеличении происходит увеличение газодинамических потерь.Для обеспечения начального взаимодействия истекающего газа и тангенциально подаваемого жидкого компонента в пределах форсунки, торец выходного сечения центрального канала форсунки расположен в области тангенциальных каналов.Сущность предложенного изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан осевой разрез предложенной форсуночной головки камеры сгорания ЖРД, на фиг.2 - осевой разрез форсунки.Основными элементами предложенной форсуночной головки являются:1 - корпус;2 - огневое днище;3 - форсунка;4 - цилиндр;5 - цилиндр;6 - полость окислителя;7 - полость горючего;8 - центральный канал;9 - тангенциальный канал;10 - камера смешения;11 - сужающаяся входная часть;12 - минимальное проходное сечение;13 - расширяющаяся часть;14 - торец выходного сечения.Форсуночная головка представляет собой сварно-паяную конструкцию, содержащую корпус 1 с огневым днищем 2, в которых установлены форсунки 3, состоящие из полых цилиндров 4 и 5. В корпусе 1 с входной стороны выполнена полость окислителя 6, а с другой между днищем корпуса 1 и огневым днищем 2 выполнена полость горючего 7.В форсунках 3 выполнены центральный 8 и тангенциальные каналы 9, соединяющие полости компонентов с полостью камеры смешения 10, образованной в месте перехода цилиндра 4 в цилиндр 5. Центральный канал 8 форсунки 3 выполнен профилированным с сужающейся входной частью 11, минимальным проходным сечением 12 и расширяющейся частью 13. Торец 14 выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки 3 расположен в области тангенциальных каналов 9.Предложенная форсуночная головка работает следующим образом.В полость блока окислителя 6, расположенную в корпусе 1, подается окислительный генераторный газ и распределяется по форсункам 3. Благодаря тому, что в форсунках 3, образованных цилиндрами 4 и 5, центральный канал 8 выполнен профилированным с сужающейся входной 11 и расширяющейся выходной 13 частями с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения 12, на входе в центральный канал 8 форсунки 3 в момент запуска создается дополнительное сопротивление, что приводит к перераспределению и дальнейшему выравниванию расхода генераторного газа по форсункам и создает противодавление для турбины, исключающее появление высокой температуры в газогенераторе и заброс оборотов турбонасосного агрегата, независимо от момента подключения камеры в процессе запуска. Генераторный газ, пройдя через минимальное проходное сечение 12, принудительно расширяется и поступает в камеру смешения 10 форсунки 3.Горючее равномерно распределяется в полости горючего 7, образованной корпусом 1 и огневым днищем 2, по форсункам 3. В полость камеры смешения 10 форсунки 3 горючее поступает через тангенциальные каналы 9, расположенные в районе торца 14 выходного сечения центрального канала 8, и образует тонкую пленку жидкости, прижатую к стенке форсунки 3 центробежными силами.Окислительный генераторный газ в камере смешения 10 взаимодействует с кольцевой пеленой горючего внутри форсунки 3, что обеспечивает более интенсивное взаимодействие окислительного генераторного газа и горючего по сравнению с форсункой, имеющей постоянное проходное сечение по линии генераторного газа.Выполнение осевых каналов форсунок форсуночной головки с указанными геометрическими и линейными размерами позволит обеспечить необходимое противодавление в процессе запуска и наиболее полное перемешивание компонентов, получить качественное смесеобразование на запуске и малых режимах работы двигателя и увеличить значение удельного импульса тяги ЖРД.Экспериментальные работы, проведенные авторами и заявителем со смесительными головками, содержащими предложенные форсунки, показали, что значение удельного импульса тяги для топливной пары "керосин-кислород" увеличивается на 2-3% по сравнению со смесительными головками с обычными форсунками.

Формула изобретения

1. Форсуночная головка камеры сгорания ЖРД, содержащая корпус и огневое днище с установленными в них форсунками с центральным и тангенциальным каналами, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, отличающаяся тем, что центральный канал форсунок выполнен профилированным с сужающейся входной и расширяющейся выходной частями с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения.2. Форсуночная головка по п.1, отличающаяся тем, что начальная зона входной части профилированного центрального канала форсунки выполнена цилиндрической формы с последующим переходом в коническую.3. Форсуночная головка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что радиус перехода от цилиндрической входной части канала к конической выполнен в соотношении r1=d1, а радиус перехода от конической части к минимальному сечению выполнен в соотношении r=d, где d - диаметр минимального проходного сечения, d1 - диаметр входа центрального канала.4. Форсуночная головка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что длина входной цилиндрической части центрального канала составляет Lц=(1-2)d1, где Lц - длина цилиндрической входной части.5. Форсуночная головка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что диаметр и длина минимального проходного сечения выполнены в соотношении d=(0,6-0,7)d1, и L=(0,05-0,1)d, где L - длина минимального проходного сечения.6. Форсуночная головка по п.1, отличающаяся тем, что угол конусности сужающейся части выполнен =45-60.7. Форсуночная головка по п.1, отличающаяся тем, что угол конусности расширяющейся части выполнен 1=6-8.8. Форсуночная головка по п.1 или 7, отличающаяся тем, что торец выходного сечения центрального канала форсунки расположен в области тангенциальных каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.12.2006        БИ: 36/2006

www.findpatent.ru

Жидкостные ракетные двигатели - часть 18

Практически число форсунок двигателя ограничивается кон­структивными и другими соображениями, в частности, необходимостью иметь не слишком малые проходные сечения каждой форсунки. При малых проход­ных сечениях форсунка может легко засориться механическими примесями, попавшими случайно в распыливаемую жидкость или образовавшимися в ней вследствие ее физической и химической нестойкости.

Для изготовления топливных форсунок в виде отдельных узлов приме­няются различные материалы, от низко- и высоколегированных сталей до бронзы и латуни.

Выбор материала для форсунок обусловливается видом и состоянием распыливаемых компонентов топлива, продолжительностью и условиями ра­боты двигателя, числом его запусков, требованиями прочности и другими фак­торами.

В случае применения химически активных компонентов топлива (на­пример азотной кислоты, жидкого фтора и т. п.) внутренняя поверхность мате­риала форсунок должна обладать высокой сопротивляемостью окислению и коррозии. Если у головки камеры двигателя будет значительная турбулизация горячих газов, вследствие которой в ряде мест форсунки будут нагреваться до 1300—1400° С, то материал этих форсунок должен обладать также высокой прочностью. При высокой температуре возможно оплавление сопел форсунок и нарушение их работы, что в результате может привести к аварии двигателя.

Во время работы двигателя форсунки охлаждаются потоком проходя­щей через них распыливаемой жидкости. Температура этой жидкости перед

поступлением в форсунки может быть отрицательной (в случае использования сжиженных компонентов топлива) и положительной, иногда даже близкой к температуре кипения при данном рабочем давлении, если жидкость предвари­тельно используется для охлаждения камеры двигателя.

6.13.Способы размещение топливных форсунок на плоских головках

камеры двигателя

Форсунки размещают на головке камеры после того, как выбраны конструкция головки, тип наиболее приемлемых форсунок и их количество, а также определены их геометрические параметры.

Рис.49

Схема расположения форсунок на плоских головках.

а - шахматное; б - сотовое; в - круговое; О- форсунки окислителя; «форсунки горючего

При выборе схемы расположения форсунок на головке камеры проек­тируемого ЖРД необходимо учесть требования, предъявляемые к распылу компонентов топлива, и данные по распылу на существующих двигателях.

В настоящее время форсунки горючего и окислителя размещают на го­ловке камеры ЖРД в шахматном, сотовом, кольцевом и групповом порядках, рис. 49

При шахматном расположении форсунки горючего и окислителя че­редуются между собой. При этом каждая форсунка горючего окружена че­тырьмя форсунками окислителя.

Недостаток такого размещения форсунок состоит в том, что количест­во форсунок горючего примерно равно количеству форсунок окислителя боль­шей производительности, так как окислителя в топливе почти в 2—5 раз боль­ше, чем горючего. Вследствие этого мощная струя окислителя плохо смешива­ется со слабой струёй горючего, сбивая ее в сторону, что отрицательно сказы­вается на качестве смесеобразования.

Наиболее совершенным является сотовое расположение форсунок.

При сотовом расположении количество форсунок окислителя больше количества форсунок горючего. При этом каждая форсунка горючего окружена

шестью форсунками окислителя, в результате чего смесеобразование сравни­тельно с шахматным расположением улучшается. В данном случае образуется столько отдельных пучков капель, сколько единичных групп форсунок распо­ложено на головке камеры.

При сотовом расположении можно иметь лишь вполне определенное количество форсунок горючего и окислителя.

Шахматное и сотовое расположение форсунок можно осуществить, применяя плоскую головку с двумя полостями, расположенными одна над дру­гой. Такая головка обеспечивает примерно одинаковый перепад давлений в форсунках каждого из компонентов топлива.

По конструктивным соображениям в нижнюю полость головки обычно подают тот компонент топлива, который охлаждает камеру двигателя.

При концентричном расположении форсунок, т. е. по поясам головки камеры, форсунки горючего и окислителя между собой чередуются.

Удобство этого способа состоит в том, что при его применении упро­щается подвод компонентов топлива к форсункам. Однако этот способ имеет небольшое применение. Для двигателей с плоской головкой камеры в основ­ном применяют шахматное и сотовое расположение форсунок.

При групповом расположении форсунки располагаются отдельными группами на огневом днище для обеспечения рационального температурно­го поля в объеме камеры ЖРД.

Соответствующим расположением на головке форсунок горючего и окислителя можно защитить оболочку камеры от чрезмерного ее нагрева и прогара, создавая избыток горючего около ее поверхности. В этом случае при­ходится несколько нарушить выбранный принцип чередования форсунок и на периферии головки размещать избыточное количество форсунок горючего, которое могло бы создавать завесу горючего около поверхности оболочки.

Для уменьшения расхода горючего на образование защитной завесы эти периферийные форсунки иногда выполняют с уменьшенным расходом то­плива относительно основных форсунок.

Защитить оболочку от перегрева горючим проще при сотовом распо­ложении. При шахматном расположении форсунок по периферии головки не­обходимо устанавливать форсунки с уменьшенным расходом горючего; если расстояние от крайних форсунок до оболочки камеры будет велико, то около поверхности оболочки образуются мощные конвективные газовые токи, кото­рые будут размывать пристеночный слой горючего, служащий для защиты обо­лочки от перегрева.

Соответствующим расположением на головке форсунок горючего и окислителя можно защитить оболочку камеры от чрезмерного ее нагрева и прогара, создавая избыток горючего около ее поверхности. В этом случае при­ходится несколько нарушить выбранный принцип чередования форсунок и на периферии головки размещать избыточное количество форсунок горючего, которое могло бы создавать завесу горючего около поверхности оболочки.

Для уменьшения расхода горючего на образование защитной завесы эти периферийные форсунки иногда выполняют с уменьшенным расходом то­плива относительно основных форсунок.

Защитить оболочку от перегрева горючим проще при сотовом распо­ложении. При шахматном расположении форсунок по периферии головки не­обходимо устанавливать форсунки с уменьшенным расходом горючего; если расстояние от крайних форсунок до оболочки камеры будет велико, то около поверхности оболочки образуются мощные конвективные газовые токи, кото­рые будут размывать пристеночный слой горючего, служащий для защиты обо­лочки от перегрева.

6.14. Назначение, схемы и конструктивные особенности топливных баков

Топливные баки являются конструктивной составной частью (подсис­темой) пневмогидравлической системы ЖРДУ, Они служат емкостями для размещения компонентов жидкого топлива и осуществления их подачи в каме­ры ЖРД. Топливные баки двухкомпонентных ЖРДУ обычно объединяются в отдельные агрегаты — баковые отсеки.

Основными конструктивными элементами топливных баков являются оболочки (обечайки) и днища, образующие емкость; устройства для сбора топ­лива и ввода газа; заправочные и дренажные горловины; демпферы, разделите­ли и другие устройства.

Конструкция топливных баков зависит от типа и параметров ЖРДУ и особенностей летательных аппаратов, применяемых компонентов топлива, типа системы подачи, числа включений двигателя, максимальной и минималь­ной величин тяги, способов ее регулирования, величин действующих продоль­ных и поперечных перегрузок, невесомости, места размещения баков на лета­тельном аппарате, условий их нагружения и некоторых других специфических особенностей компоновки ЖРДУ на ЛА.

К конструкции топливных баков предъявляется ряд требований:

— размещение (хранение) заданного объема компонентов топлива;

— обеспечение устойчивой подачи компонентов топлива в двигатель при всех допустимых режимах полета и колебаниях топлива в баках;

— обеспечение минимальной массы баков при выполнении условий прочности и жесткости в диапазоне действующих эксплуатационных нагрузок;

— применение оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих про­грессивные технологические методы изготовления и испытаний;

— применение рациональной компоновки баков на летательном аппарате, обеспечивающей удобства эксплуатации и заправки топливом и дающей ми­нимальные перемещения центра масс в процессе выработки топлива;

— изготовление из материалов, обладающих высокими удельными прочност­ными характеристиками, коррозионной стойкостью (для агрессивных компо­нентов), пластичностью при низких температурах (для криогенных компонен­тов).

Конструкции топливных баков в зависимости от восприятия обечайка­ми баков внешних нагрузок разделяют на несущие и ненесущие.

В несущих баках обечайки совмещают в себе функции стенок баков и обшивки корпуса и воспринимают как внешние нагрузки на корпус летатель­ного аппарата, так и внутреннее давление наддува баков. Создаваемые избы­точным давлением наддува растягивающие напряжения в обечайках уменьша­ют сжимающие напряжения от внешних нагрузок, что повышает устойчивость

конструкции корпуса и позволяет уменьшить толщину стенок. Поэтому в кон­структивном отношении несущие баки наиболее совершенны. Их широко при­меняют как в маломаневренных, так и в высокоманевренных летательных ап­паратах. Баки, устанавливаемые внутри корпуса летательного аппарата и не воспринимающие внешние нагрузки, называются ненесущими. Они обычно применяются на маломаневренных летательных аппаратах, когда конструкцию баков следует изолировать от внешнего воздействия либо по конструктивным или эксплуатационным требованиям нельзя совмещать стенки баков с обшив­кой корпуса. На летательных аппаратах могут применяться баки, подвешивае­мые под корпусом или крылом и сбрасываемые после их опорожнения. Такие топливные баки позволяют уменьшить полетную массу и аэродинамическое сопротиэление летательного аппарата после их сбрасывания.

mirznanii.com

форсуночная головка камеры сгорания жрд - патент РФ 2525787

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Форсуночная головка камеры сгорания ЖРД содержит корпус и огневое днище с установленными в них форсунками, имеющими центральный профилированный и тангенциальный каналы, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, при этом торец выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки расположен перед отверстиями тангенциального канала форсунки, а уступ h между центральным и тангенциальным каналами составляет не более 20% d, где d - диаметр тангенциального канала форсунки. Изобретение обеспечивает повышение экономичности работы камеры сгорания и повышения удельного импульса тяги. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2525787

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

В настоящее время одной из основных проблем при создании ЖРД является получение высокого значения удельного импульса тяги за счет обеспечения предельно высокой полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива обеспечивается, в том числе, организацией начала смесеобразования непосредственно в полости форсунки.

Известна форсуночная головка камеры сгорания ЖРД замкнутой системы, содержащая корпус и огневое днище с установленными в них форсунками с центральным и тангенциальным каналами. Центральный канал выполнен профилированным с сужающейся входной и расширяющейся выходной частями с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения, при этом торец выходного сечения центрального канала форсунки расположен в области тангенциальных каналов, а выходная часть центрального канала образует козырек над тангенциальными каналами (пат.RU № 2231668, заявка № 2003103417/06 от 02.06.2003 г.).

Данное решение обеспечивает высокую степень смесеобразования на различных режимах работы двигателя за счет обеспечения более равномерного распределения расхода генераторного газа по форсункам и более интенсивного его перемешивания с жидким компонентом в камерах смешения форсунок, но требует выполнения форсунки и, соответственно, форсуночной головки с большой длиной из-за увеличенной камеры смешения.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокой экономичности работы камеры сгорания и удельного импульса тяги при минимальных осевых габаритах форсуночной головки за счет обеспечения минимальной длины камеры смешения газа и жидкого компонента в форсунке.

Указанная задача достигается тем, что в форсуночной головке камеры сгорания ЖРД, содержащей корпус и огневое днище с установленными в них форсунками, имеющими центральный профилированный (с сужающейся входной и расширяющейся выходной частями с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения) и тангенциальный каналы, согласно изобретению торец выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки расположен перед отверстиями тангенциального канала форсунки, а уступ h между центральным и тангенциальным каналами находится в диапазоне 0-20% d, где d - диаметр тангенциального канала форсунки.

Нижний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что он обеспечивает наиболее раннее взаимодействие газа и жидкого компонента в камере смешения форсунки и, соответственно, ее минимальную длину. Однако при этом может быть не обеспечено надежное охлаждение тангенциального канала форсунки.

Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при его дальнейшем увеличении происходит значительный рост габаритных размеров форсунки и, соответственно, форсуночной головки.

Сущность предложенного изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан осевой разрез предложенной форсуночной головки камеры сгорания ЖРД, на фиг.2 - осевой разрез форсунки.

Основными элементами предложенной форсуночной головки являются:

1 - корпус;

2 - огневое днище;

3 - форсунка;

4 - цилиндр;

5 - цилиндр;

6 - полость окислителя;

7 - полость горючего;

8 - центральный канал;

9 - отверстия тангенциального канала;

10 - камера смешения;

11 - сужающаяся входная часть;

12 - минимальное проходное сечение;

13 - расширяющаяся часть;

14 - торец выходного сечения;

h - уступ между центральным и тангенциальным каналами;

d - диаметр тангенциального канала форсунки.

Форсуночная головка представляет собой паяно-сварную конструкцию, содержащую корпус 1 с огневым днищем 2, в которых установлены форсунки 3, состоящие из полых цилиндров 4 и 5. В корпусе 1 с входной стороны выполнена полость окислителя 6, а с другой между днищем корпуса 1 и огневым днищем 2 выполнена полость горючего 7.

В форсунках 3 выполнены центральный 8 и тангенциальные каналы 9, соединяющие полости компонентов с полостью камеры смешения 10, образованной в месте перехода цилиндра 4 в цилиндр 5. Центральный канал 8 форсунки 3 выполнен профилированным с сужающейся входной частью 11, минимальным проходным сечением 12 и расширяющейся частью 13. Торец 14 выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки расположен перед отверстиями 9 тангенциального канала форсунки.

Предложенная форсуночная головка работает следующим образом.

В полость блока окислителя 6, расположенную в корпусе 1, подается окислительный генераторный газ и распределяется по форсункам 3. Генераторный газ, пройдя через минимальное проходное сечение 12, принудительно расширяется и поступает и камеру смешения 10 форсунки 3. В полость камеры смешения 10 форсунки 3 горючее поступает через тангенциальные каналы 9, расположенные за торцом 14 выходного сечения центрального канала 8, и образует тонкую пленку жидкости, прижатую к стенке форсунки 3 центробежными силами. Окислительный генераторный газ в камере смешения 10 взаимодействует с кольцевой пеленой горючего внутри форсунки 3. Благодаря тому, что торец 14 выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки расположен перед отверстиями 9 тангенциального канала форсунки, а уступ между центральным и тангенциальным каналами выполнен минимально необходимым, обеспечивается более интенсивное взаимодействие окислительного генераторного газа и горючего, а также меньший линейный габарит форсуночной головки и, соответственно, минимальная масса и габариты камеры, но сравнению с форсункой, имеющей козырек над тангенциальными каналами, образованный выходной частью центрального канала.

Выполнение выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки перед отверстиями тангенциального канала форсунки и уступа между центральным и тангенциальным каналами с указанными геометрическими размерами позволит обеспечить наиболее полное перемешивание компонентов, получить качественное смесеобразование, увеличить значение удельного импульса тяги ЖРД и уменьшить осевых габариты форсуночной головки и камеры.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Форсуночная головка камеры сгорания ЖРД, содержащая корпус и огневое днище с установленными в них форсунками, имеющими центральный профилированный и тангенциальный каналы, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, отличающаяся тем, что торец выходного сечения расширяющейся части центрального канала форсунки расположен перед отверстиями тангенциального канала форсунки, а уступ h между центральным и тангенциальным каналами составляет не более 20% d, где d - диаметр тангенциального канала форсунки.

www.freepatent.ru