RU2141052C1 - Combustion chamber of closed-loop liquid-propellant rocket engine - Google Patents
Combustion chamber of closed-loop liquid-propellant rocket engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2141052C1 RU2141052C1 RU95115469A RU95115469A RU2141052C1 RU 2141052 C1 RU2141052 C1 RU 2141052C1 RU 95115469 A RU95115469 A RU 95115469A RU 95115469 A RU95115469 A RU 95115469A RU 2141052 C1 RU2141052 C1 RU 2141052C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diameter
- gas
- liquid
- nozzles
- length
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к камерам сгорания жидкостных ракетных двигателей замкнутой схемы. The invention relates to combustion chambers of liquid rocket engines of a closed circuit.
Известна камера сгорания жидкостного ракетного двигателя J-2 фирмы Рокитдайдн (США), работающая на компонентах топлива водород-кислород. Головка этой камеры содержит двухкомпонентные форсунки, по центральному каналу которых подается жидкий кислород, по радиальным отверстиям - водород. Между кислородным и водородным каналами выполнена разделительная цилиндрическая втулка, подрезанная от сопла на некоторую величину (JA Schelke Astronatics 1962, Vor 7, N 2, p. 41, 98. Сборник переводов статей, опубликованных в иностранной печати "Водородные ракетные двигатели", ЦИАМ, инв. 8942, 1963 г. ). Однако, вследствие малой подрезки разделительная втулка препятствует смешению компонентов внутри форсунки и, следовательно, требуется большая длина камеры сгорания для обеспечения необходимой полноты сгорания топлива. Known combustion chamber of a liquid rocket engine J-2 company Rokitdaydn (USA), operating on components of hydrogen-oxygen fuel. The head of this chamber contains two-component nozzles, which supply liquid oxygen through the central channel and hydrogen through radial holes. Between the oxygen and hydrogen channels a cylindrical separation sleeve is made, cut off from the nozzle by a certain amount (JA Schelke Astronatics 1962, Vor 7,
Аналогичные струйно-центробежные двухкомпонентные форсунки использованы в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя замкнутой схемы SSME американской фирмы Рокидайн для многоразовой транспортной космической системы "Спейс Шаттл" (Левин В.Р., Ильин Д.В., Липатов И.Н., Галанкин Е.М., Американский кислородно-водородный ЖРД Рокидайн SSME, Труды ЦИАМ, инв. 1018, 1982 г.), В этих форсунках по центральному каналу также подается жидкий кислород, а по радиальным отверстиям - обогащенный водородом генераторный газ. Для улучшения смешения компонентов топлива внутри форсунки разделительная втулка подрезана на 6,1 мм при диаметре камеры смешения 6,35 мм (l/d = 0,96). Similar jet-centrifugal two-component nozzles were used in the combustion chamber of a closed-circuit SSME liquid rocket engine of the American company Rockidine for the Space Shuttle reusable space transport system (Levin V.R., Ilyin D.V., Lipatov I.N., Galankin E. M., American oxygen-hydrogen rocket engine Rockidine SSME, Proceedings of TsIAM, inv. 1018, 1982). In these nozzles, liquid oxygen is also supplied through the central channel and hydrogen-enriched generator gas is supplied through radial openings. To improve the mixing of fuel components inside the nozzle, the separation sleeve is cut to 6.1 mm with a mixing chamber diameter of 6.35 mm (l / d = 0.96).
Однако, и в таких форсунках эффективность смешения компонентов топлива является недостаточной из-за малой длины их контакта, наличия разделительной втулки между водородной газовой пеленой и жидкой струей кислорода. К тому же акустическая проводимость тангенциальных отверстий мала и не подается регулированию. Акустическая проводимость центрального канала форсунки также мала ввиду малого его диаметра и неоптимальной его длины. Поэтому конструкция камеры сгорания усложнена антипульсационными перегородками и акустическим поглотителем. However, in such nozzles the efficiency of mixing the fuel components is insufficient due to the short length of their contact, the presence of a separation sleeve between the hydrogen gas blanket and a liquid stream of oxygen. In addition, the acoustic conductivity of the tangential holes is small and not regulated. The acoustic conductivity of the central channel of the nozzle is also small due to its small diameter and non-optimal length. Therefore, the design of the combustion chamber is complicated by anti-pulsation partitions and an acoustic absorber.
Задачей настоящего изобретения является повышение полноты сгорания топлива и высокочастотной акустической устойчивости рабочего процесса в камере сгорания с двухкомпонентными газожидкостными форсунками, имеющими центральный канал для подачи газообразного компонента и тангенциальные отверстия для подачи жидкого компонента. The objective of the present invention is to increase the completeness of fuel combustion and high-frequency acoustic stability of the working process in a combustion chamber with two-component gas-liquid nozzles having a central channel for supplying a gaseous component and tangential openings for supplying a liquid component.
Указанная задача достигнута тем, что два ряда тангенциальных отверстия расположены в центральном канале форсунок у места перехода меньшего диаметра в больший, длина камеры смещения l1 равна l1 = (1,4...1,5)d1, где d1 - выходной диаметр форсунки. Центральный канал непосредственно перед тангенциальными отверстиями выполнен в форме диффузора (фиг.2). Входной диаметр d3 диффузора назначен из условия обеспечения максимальной суммарной проницаемости форсунок по газу
где Dк - диаметр камеры, nф - число форсунок.This problem was achieved in that two rows of tangential openings are located in the central channel of the nozzles at the place of transition of a smaller diameter to a larger one, the length of the displacement chamber l 1 is equal to l 1 = (1.4 ... 1.5) d 1 , where d 1 - nozzle outlet diameter. The Central channel directly in front of the tangential holes is made in the form of a diffuser (figure 2). The input diameter d 3 of the diffuser is assigned from the condition of ensuring the maximum total permeability of the nozzles in gas
where D to - the diameter of the chamber, n f - the number of nozzles.
Выходной диаметр d2 диффузоров назначен из условия обеспечения высоты ступеньки, равной диаметру тангенциальных отверстий
и, следовательно, начальной толщине закрученной жидкой пелены. Выступающая в газовод часть форсунок выполнена длиной не менее 0,5 общей длины центрального канала. Общая длина центрального канала выбрана из условия обеспечения максимальной акустической проводимости.The output diameter d 2 of the diffusers is assigned from the condition of providing a step height equal to the diameter of the tangential holes
and, therefore, the initial thickness of the swirling liquid sheet. The nozzle part protruding into the gas duct is made at least 0.5 times the total length of the central channel. The total length of the central channel is selected from the condition of ensuring maximum acoustic conductivity.
Выполнение длины камеры смешения, равной l1 = (1,4...1,5)d1, выбрано по экспериментальным данным. При l1 < 1,4 d1 полнота сгорания топлива существенно снижается (фиг.3), при l1 > 1,5 d1 начинается перегрев сопла форсунки. Двухрядное расположение тангенциальных отверстий в условиях открытого контакта жидкой пелены и газовой струи оптимизирует характеристики крутки и смешения жидкого компонента с газообразным. Первый ряд закрученных струй жидкости подвергается более сильному воздействию газового потока и больше перемешивается с ним, сохраняя при этом характеристики крутки второго ряда и длительность контакта закрученной жидкости с газом. Выполнение диффузора в центральном канале непосредственно перед тангенциальными отверстиями увеличивает длину контакта компонентов внутри форсунок при постоянном соотношении l1/d1 и дополнительно повышает полноту сгорания топлива более чем на 0,5% (например, до φрк = 0,984 вместо 0,977). Наличие ступеньки на выходе из диффузора перед тангенциальными отверстиями также обеспечивает оптимальные характеристики закрученной жидкой пелены и способствует тем самым лучшему перемешиванию компонентов топлива внутри форсунки и, следовательно, повышению полноты сгорания топлива.The implementation of the length of the mixing chamber, equal to l 1 = (1.4 ... 1.5) d 1 , is selected according to experimental data. When l 1 <1.4 d 1, the completeness of fuel combustion is significantly reduced (figure 3), when l 1 > 1.5 d 1 overheating of the nozzle nozzle begins. The two-row arrangement of tangential openings under conditions of open contact between the liquid sheet and the gas stream optimizes the twisting and mixing characteristics of the liquid component with the gaseous one. The first row of swirling jets of liquid is more exposed to the gas stream and mixes more with it, while maintaining the twist characteristics of the second row and the duration of contact of the swirling liquid with gas. Implementation of the diffuser in the central channel immediately before the tangential holes increases the length of the contact components inside the injectors at a constant ratio l 1 / d 1 and further improves the combustion efficiency of more than 0.5% (e.g., up to φ = 0.984 pk instead 0.977). The presence of a step at the exit of the diffuser in front of the tangential openings also provides optimal characteristics of the swirling liquid sheet and thereby contributes to better mixing of the fuel components inside the nozzle and, consequently, to increase the completeness of fuel combustion.
Выполнение максимальной проницаемости форсунок по газу, оптимизация длины центрального канала и выступания форсунки в газоводе обеспечивает увеличение выноса волновой энергии из камеры сгорания в газовод, максимальную диссипацию волновой энергии и повышение тем самым устойчивости рабочего процесса по отношению к высокочастотным акустическим колебаниям. Влияние этих факторов подтверждено натурными экспериментальными испытаниями двигателей. Performing the maximum permeability of the nozzles in the gas, optimizing the length of the central channel and the protrusions of the nozzle in the gas duct increase the transfer of wave energy from the combustion chamber to the gas duct, maximize the dissipation of wave energy and thereby increase the stability of the working process with respect to high-frequency acoustic vibrations. The influence of these factors is confirmed by full-scale experimental tests of engines.
На фиг. 4 представлены сравнительные экспериментальные данные по амплитудам пульсаций давлений в камере сгорания двигателя замкнутой схемы в зависимости от температуры генераторного газа на входе в головку для форсунок длиной l/Dк = 0,13 и l/Dк = 0,23 с подрезкой разделительной втулки на l1/d1 = 0,66, 0,73 при l/Dк = 0,13 и на l1/d1 = 0,98 при l/Dк = 0,23.In FIG. Figure 4 presents comparative experimental data on the amplitudes of pressure pulsations in the combustion chamber of a closed-circuit engine depending on the temperature of the generator gas at the inlet to the head for nozzles of length l / D k = 0.13 and l / D k = 0.23 with trimming of the separation sleeve on l 1 / d 1 = 0.66, 0.73 for l / D k = 0.13 and for l 1 / d 1 = 0.98 for l / D k = 0.23.
Указанные данные свидетельствуют, что в камере с форсунками неоптимальной по акустической проводимости длины (l/Dк = 0,13) подрезка разделительной втулки на l1/d1 = 0,66 увеличивает амплитуду пульсаций при повышении режима по температуре окислительного газа с 200oC до 400oC в 3 раза, подрезка на l1/d1 = 0,73 - в 6 раз уже при tгаз = 300oC. С удлиненными форсунками (l/Dк= 0,23), выступающими под средним днищем в газоводе (l1/d1 = 0,5), амплитуда пульсаций в камере увеличилась всего в 1,7 раза даже на режиме с tгаз = 540oC. На номинальном режиме с tгаз = 300oC удлинение форсунок с l/Dк = 0,13 до l/Dк = 0,23 снизило амплитуду пульсаций более чем в 5 раз (фиг.4).These data indicate that in a chamber with nozzles of a length that is not optimal in acoustic conductivity (l / D k = 0.13), cutting the separation sleeve by l 1 / d 1 = 0.66 increases the amplitude of the pulsations when the temperature regime of the oxidizing gas increases from 200 o C to 400 o
На фиг. 3 приведена экспериментальная зависимость прироста полноты сгорания топлива от подрезки разделительной втулки с цилиндрическим и диффузорным каналом перед тангенциальными отверстиями. Из этого рисунка следует, что подрезка разделительной втулки до l1/D1 = 0,5 не влияет на полноту сгорания топлива, дальнейшее увеличение подрезки до l1/d1 = 1,46 повысило полноту сгорания топлива на 3%, выполнение диффузора в центральном канале непосредственно перед тангенциальными отверстиями - еще на 0,5%.In FIG. Figure 3 shows the experimental dependence of the increase in completeness of fuel combustion on the cutting of the separation sleeve with a cylindrical and diffuser channel in front of the tangential openings. From this figure it follows that trimming the separation sleeve to l 1 / D 1 = 0.5 does not affect the completeness of fuel combustion, a further increase in trimming to l 1 / d 1 = 1.46 increased the completeness of fuel combustion by 3%, the diffuser the central channel immediately in front of the tangential openings - another 0.5%.
На фиг. 1 изображена камера сгорания. In FIG. 1 shows a combustion chamber.
На фиг. 2 - центральный канал форсунок. In FIG. 2 - the central channel of the nozzles.
На фиг. 3 - зависимость полноты сгорания от отношения l1/d1.In FIG. 3 - dependence of the completeness of combustion on the ratio l 1 / d 1 .
На фиг. 4 - зависимость амплитуды пульсаций давления от температуры. In FIG. 4 - dependence of the amplitude of pressure pulsations on temperature.
Эскиз предлагаемой камеры сгорания представлен на фиг. 2. Камера сгорания содержит газовод 1, пристеночные 2 и основные 3 двухкомпонентные форсунки, среднее днище 4, огневое днище 9. Центральный канал 5 выполнен диаметром d3 на входе, имеет диффузор 6 с выходным диаметром d2 и камеру смешения 11 с тангенциальными отверстиями 7. На стыке диффузора 6 с камерой смешения 11 выполнена ступенька 10, равная диаметру тангенциальных отверстий dт. Основные форсунки 3 выступают над средним днищем 4 и газоводе 1 на длину l3 не менее 0,5 общей длины центрального канала. Длина камеры смешения 11 выполнена длиной l1 = (1,4...1,5). Проницаемость форсунок по газу, равная отношению суммарной площади центральных каналов форсунки к площади зоны горения 11 камеры, назначается по условию:
Общая длина центрального канала форсунки выбрана из условия обеспечения максимальной акустической проводимости.A sketch of the proposed combustion chamber is shown in FIG. 2. The combustion chamber contains a
The total length of the central channel of the nozzle is selected from the condition of ensuring maximum acoustic conductivity.
Генераторный газ, обогащенный кислородом, поступает из газовода 1 по центральному каналу 5 форсунок 3 и через диффузор 6 в камеру смешения 11, жидкий компонент при помощи тангенциальных отверстий 7 в камере смешения 11 закручивается вокруг газовой струи и перемешивается с ней. Полученная смесь поступает в зону горения 8. Генерируемая в зоне горения волновая энергия выносится через центральные каналы 5 форсунок в газоводе 1, где происходит ее диссипация между выступающими над средним днищем 4 форсунками. Максимальный вынос волновой энергии обеспечивается оптимизацией длины и диаметра центрального канала для достижения максимальной акустической проводимости. Oxygen-rich generator gas flows from the
Акустические характеристики цилиндрической трубы, а следовательно, и струйных газовых форсунок изложены в работе Кукинова А.Г. "Одномерные колебания потока в цилиндрической трубе", Труды ЦАГИ, выпуск 1231, М, изд. отдел ЦАГИ, 1970 г. The acoustic characteristics of a cylindrical pipe, and therefore of jet gas nozzles, are described in the work of A.G. Kukinov "One-dimensional flow oscillations in a cylindrical pipe", Transactions of TsAGI, issue 1231, M, ed. TsAGI department, 1970
Таким образом, применение предложенной камеры сгорания позволит повысить экономичность и устойчивость рабочего процесса в жидкостных ракетных двигателях замкнутой схемы. Thus, the use of the proposed combustion chamber will improve the efficiency and stability of the working process in liquid rocket engines of a closed circuit.
Claims (1)
где Dк - диаметр камеры;
nф - количество форсунок,
а выходной диаметр d2 - из условия обеспечения высоты ступеньки, равной диаметру тангенциальных отверстий
выступающая в газовод часть форсунок имеет длину не менее 0,5 общей длины l центрального канала, которая выбрана из условия обеспечения максимальной акустической проводимости.The combustion chamber of a closed-circuit liquid-propellant rocket engine containing a gas duct, a head with two bottoms and two-component gas-liquid nozzles mounted in them, made in the form of sequentially arranged cylinders of a smaller diameter at the inlet protruding into the gas duct and larger at the outlet, characterized in that in the central channel nozzles at the transition point of a smaller diameter into a larger one are two rows of tangential holes with a diameter of d t for feeding a liquid component, the mixing chamber is made of length l 1 = (1.4 - 1.5) d 1 where d 1 is the outlet diameter of the nozzle of the nozzle, the central channel immediately in front of the tangential holes is made in the form of a diffuser, the input diameter of d 3 of which is assigned from the condition of ensuring the maximum total permeability of the nozzles in gas
where D to - the diameter of the chamber;
n f - the number of nozzles,
and the output diameter d 2 - from the condition of ensuring the height of the steps equal to the diameter of the tangential holes
the nozzle part protruding into the gas duct has a length of at least 0.5 of the total length l of the central channel, which is selected from the condition of ensuring maximum acoustic conductivity.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95115469A RU2141052C1 (en) | 1995-08-31 | 1995-08-31 | Combustion chamber of closed-loop liquid-propellant rocket engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95115469A RU2141052C1 (en) | 1995-08-31 | 1995-08-31 | Combustion chamber of closed-loop liquid-propellant rocket engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU95115469A RU95115469A (en) | 1997-08-27 |
RU2141052C1 true RU2141052C1 (en) | 1999-11-10 |
Family
ID=20171806
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU95115469A RU2141052C1 (en) | 1995-08-31 | 1995-08-31 | Combustion chamber of closed-loop liquid-propellant rocket engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2141052C1 (en) |
-
1995
- 1995-08-31 RU RU95115469A patent/RU2141052C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5557921A (en) | Power plant | |
JP4406127B2 (en) | Fuel injection rod for gas turbine engine combustor with trap vortex cavity | |
RU2495263C2 (en) | Combustion chamber of gas turbine, and method of reduction of pressure on it | |
JP3169663U (en) | Premix burner used in gas turbine combustor | |
JP3904644B2 (en) | Burner used for heat generator | |
US20070113555A1 (en) | Mixer Assembly | |
RU96124093A (en) | METHOD AND INSTALLATION FOR IMPROVING PERFORMANCE CHARACTERISTICS AND STEAM MIXING IN A NUCLEAR POWER SYSTEM | |
JP2002507717A (en) | Combustor, method of using the same, and method of reducing combustion vibration | |
KR20220038541A (en) | Fuel injector, combustor, and gas turbine | |
RU97121010A (en) | TWO-THREAD TANGENTIAL INPUT INJECTOR AND WITH SEPARATE TORCH | |
US7047746B2 (en) | Catalytic burner | |
RU2002134603A (en) | THE IMPROVED COMBINATION OF THE PRELIMINARY MIXING CHAMBER AND THE COMBUSTION CHAMBER WITH A SMALL EMISSION OF EMISSIONS FOR GAS TURBINES OPERATING LIQUID AND LIQUID-LIQUID | |
RU2141052C1 (en) | Combustion chamber of closed-loop liquid-propellant rocket engine | |
US10557439B2 (en) | Injection device, combustor, and rocket engine with restrictors shaped to amplify predetermined pressure oscillation | |
EP2580448B1 (en) | Gas turbine and method for operating said gas turbine | |
RU2517940C2 (en) | Jet engine composed by set of jet engines | |
RU2205289C2 (en) | Injector assembly of liquid-propellant rocket engine | |
CA1317577C (en) | Gas flow amplifier | |
EP0900982A2 (en) | Gas turbine combustor | |
RU2159349C1 (en) | Gas-generator module | |
US6263676B1 (en) | Burner having a frame for operating an internal combustion machine | |
RU2195574C2 (en) | Central part of nozzle with dual-flow tangential entry | |
EP0244972A2 (en) | Liquid fuel combustor | |
RU36724U1 (en) | FRONT DEVICE OF COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE | |
JPH10213308A (en) | Hydrogen/oxygen burner |