RU2390647C2

RU2390647C2 - Low-thrust fluid-propellant rocket engine mixing head

Info

Publication number: RU2390647C2
Application number: RU2007131046/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Захарович Андреев (RU); Юрий Захарович Андреев
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2010-05-27
Also published as: RU2007131046A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to devices designed to spray and mix self-igniting fuel components in fluid-propellant rocket engines. Proposed device consists of head casing with oxidiser and fuel feed channels and mixing element with two jet nozzles, each directed towards its reflecting surface. In compliance with proposed invention, aforesaid reflecting surfaces are arranged on opposite sides from mixing element axis representing a dead hole. Minimum distance between axes of oxidiser and fuel nozzles makes 1.5 to 2.0 of the sum of their diametres. In compliance with preferable version of nozzle head, dead hole cross section is a square, while axes of nozzles are directed perpendicular to lateral sides of said hole.

EFFECT: increased completeness of combustion and higher specific impulse.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для распыливания и смешения самовоспламеняющихся компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги, преимущественно тягой менее 1Н.The invention relates to devices for spraying and mixing self-igniting fuel components in liquid propellant rocket engines of low thrust, mainly with a thrust of less than 1N.

Известна конструкция смесительной головки (патент СССР №1828685), состоящей из корпуса, подводов окислителя и горючего, коллекторов окислителя и горючего, подводящих каналов окислителя, струйных форсунок окислителя и горючего, струйной форсунки горючего, смесительных камер и форкамеры. Такая смесительная головка обеспечивает двукратное столкновение и перемешивание жидких компонентов топлива и продуктов их взаимодействия. Первое столкновение жидких компонентов приводит к их перемешиванию в жидкой фазе, образованию жидкофазных промежуточных продуктов. Второе столкновение приводит к перемешиванию жидкофазных промежуточных продуктов и образованию газофазных промежуточных продуктов. Полное выделение газофазных промежуточных продуктов завершается в форкамере и камере сгорания.The known design of the mixing head (USSR patent No. 1828685), consisting of a housing, supply of oxidizer and fuel, collectors of oxidizer and fuel, feed channels of the oxidizer, jet nozzles of the oxidizer and fuel, jet nozzle of the fuel, mixing chambers and chamber. Such a mixing head provides a twofold collision and mixing of the liquid components of the fuel and the products of their interaction. The first collision of liquid components leads to their mixing in the liquid phase, the formation of liquid-phase intermediates. The second collision leads to mixing of the liquid-phase intermediates and the formation of gas-phase intermediates. The complete separation of gas-phase intermediates is completed in the prechamber and the combustion chamber.

Основным недостатком известной схемы смесеобразования является ограниченный диапазон использования в области сверхмалых тяг для двухкомпонентных двигателей на жидких самовоспламеняющихся компонентах топлива (область тяг 1Н и менее). Поскольку в таких двигателях расход компонентов топлива составляет доли грамма, и, соответственно, диаметр струйных форсунок не более 0,15 мм и для работы двигателя достаточно иметь по одной форсунке окислителя и горючего, в то время как в рассмотренной схеме смесеобразования должно быть не менее трех форсунок окислителя и горючего.The main disadvantage of the known mixture formation scheme is the limited range of use in the field of ultra-small thrusts for two-component engines based on liquid self-igniting fuel components (thrust region 1H or less). Since the consumption of fuel components in such engines is a fraction of a gram, and, accordingly, the diameter of the jet nozzles is not more than 0.15 mm, and for the engine to work it is enough to have one oxidizer and fuel nozzle, while in the considered mixture formation scheme there should be at least three oxidizer and fuel nozzles.

Наиболее близкая по существу схема смесеобразования приведена на рисунке 3.12в слева в книге «Жидкостные ракетные двигатели» под ред. М.В.Добровольского, М., «Машиностроение», 1968, стр.74., в которой через струйные форсунки горючее и окислитель подаются на разные поверхности и лишь потом смешиваются. Эти струи падают на отражатель под острым углом для образования пелен, которые за кромкой отражательной поверхности смыкаются и вступают в реакцию. Угол встречи таких пелен близок к нулю, и в результате образования промежуточных газофазных продуктов на границе слипания происходит их разделение. Результатом такого смешения является неустойчивое горение и низкая полнота сгорания.The closest essentially mixing scheme is shown in Figure 3.12c on the left in the book "Liquid Rocket Engines", ed. M.V.Dobrovolskogo, M., "Engineering", 1968, p. 74., In which, through jet nozzles, fuel and oxidizer are fed to different surfaces and only then mixed. These jets fall on the reflector at an acute angle to form diapers that close behind the edge of the reflective surface and react. The angle of encounter of such diapers is close to zero, and as a result of the formation of intermediate gas-phase products at the adhesion boundary, they separate. The result of such mixing is unstable combustion and low completeness of combustion.

В ЖРДМТ тягой менее 1Н надежно перемешать горючее и окислитель и получить продукты сгорания с φ_β≥0,8 - задача чрезвычайно сложная.In an engine with a thrust less than 1 N, reliably mix the fuel and oxidizer and obtain combustion products with φ _β ≥0.8 - this is an extremely difficult task.

Основной задачей изобретения является обеспечение надежного перемешивания окислителя и горючего, поступающих на отражательные поверхности всего через две струйные форсунки с целью получения высокой полноты сгорания и, следовательно, высокого удельного импульса тяги при удовлетворительном тепловом состоянии смесителя и камеры сгорания.The main objective of the invention is to ensure reliable mixing of the oxidizing agent and fuel entering the reflective surfaces through only two jet nozzles with the aim of obtaining a high completeness of combustion and, therefore, a high specific impulse of thrust with a satisfactory thermal state of the mixer and the combustion chamber.

Поставленная задача решается с помощью форсуночной головки жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из корпуса головки с каналами подвода окислителя и горючего и смесительного элемента с двумя струйными форсунками, направленными каждая на свою отражательную поверхность. Отличие предлагаемой форсуночной головки состоит в том, что отражательные поверхности расположены по разные стороны от оси смесительного элемента, выполненного в виде глухого отверстия, а наименьшее расстояние между осями форсунок окислителя и горючего составляет 1,5-2,0 суммы их диаметров.The problem is solved using the nozzle head of a liquid propellant small thrust engine, consisting of a head housing with channels for supplying an oxidizer and a fuel and mixing element with two jet nozzles, each directed to its reflective surface. The difference of the proposed nozzle head is that the reflective surfaces are located on different sides from the axis of the mixing element, made in the form of a blind hole, and the smallest distance between the axes of the oxidizer and fuel nozzles is 1.5-2.0 sum of their diameters.

В предпочтительном варианте форсуночной головки сечение глухого отверстия квадратное, а оси форсунок направлены перпендикулярно боковым поверхностям этого отверстия.In a preferred embodiment of the nozzle head, the cross section of the blind hole is square, and the axis of the nozzles are directed perpendicular to the side surfaces of the hole.

Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 приведена форсуночная головка в разрезе, на фиг.2 - смесительный элемент.The proposed solution is illustrated by drawings. In Fig.1 shows the nozzle head in section, in Fig.2 - a mixing element.

Форсуночная головка состоит из корпуса головки 1 с подводящими каналами окислителя 2 и горючего 3, смесительного элемента 4 со струйными форсунками окислителя 5 и горючего 6, имеющими диаметры d₁ и d₂ соответственно. Смесительный элемент 4 соединен с корпусом головки 1 пайкой. В смесительном элементе 4 выполнено глухое отверстие 7, которое может иметь в поперечном сечении форму круга, квадрата, овала или прямоугольника. В случае, когда отверстие 7 имеет прямоугольное сечение, оси струйных форсунок окислителя 5 и горючего 6 направлены перпендикулярно плоским боковым поверхностям глухого отверстия 7.The nozzle head consists of a head housing 1 with inlet channels of the oxidizing agent 2 and fuel 3, a mixing element 4 with jet nozzles of the oxidizing agent 5 and fuel 6 having diameters d ₁ and d _2, respectively. The mixing element 4 is connected to the housing of the head 1 by soldering. A blind hole 7 is made in the mixing element 4, which may have a cross-sectional shape of a circle, square, oval or rectangle. In the case when the hole 7 has a rectangular cross section, the axis of the jet nozzles of the oxidizing agent 5 and fuel 6 are directed perpendicular to the flat side surfaces of the blind hole 7.

Форсуночная головка работает следующим образом. Окислитель по подводящему каналу 2 поступает в смесительный элемент 4 и через струйную форсунку 5 в полость глухого отверстия 7. Истекая из струйной форсунки, окислитель ударяется о противоположную поверхность отверстия 7 и за счет удара о поверхность распыливается на мелкие капли в виде тумана, при этом капли окислителя частично испаряются. При соударении с поверхностью часть окислителя растекается по ней в виде пелены.The nozzle head operates as follows. The oxidizing agent through the inlet channel 2 enters the mixing element 4 and through the jet nozzle 5 into the cavity of the blind hole 7. Expiring from the jet nozzle, the oxidizing agent hits the opposite surface of the hole 7 and is sprayed onto small droplets in the form of fog due to the impact on the surface, with the droplets the oxidizing agent partially evaporates. Upon impact with the surface, part of the oxidizing agent spreads over it in the form of a veil.

Горючее в этот же момент по подводящему каналу 3 поступает в смесительный элемент 4 и через струйную форсунку 6 в полость отверстия 7. За счет удара о противоположную стенку горючее распыливается на мелкие капли в виде тумана и частично испаряется. Часть горючего растекается по поверхности отверстия 7 в виде пелены. Повышению качества перемешивания компонентов топлива способствует пронизывание пелен окислителя и горючего струями горючего и окислителя соответственно. Капли окислителя и горючего сталкиваются друг с другом в полости отверстия 7 и вступают в химическую реакцию в жидкой фазе. Пелены окислителя и горючего, растекающиеся по поверхности отверстия 7, также вступают в химическую реакцию в жидкой фазе. Происходит выделение жидкофазных промежуточных продуктов, при взаимодействии которых с парами окислителя и горючего выделяются газофазные промежуточные продукты горения, при этом резко повышается температура продуктов сгорания. Время, необходимое для выделения газофазных промежуточных продуктов, для топлива AT+НДМГ составляет ~ 0,5·10^-4 с, поэтому для предотвращения перегрева конструкции форсуночной головки необходимо ограничить объем и длину полости глухого отверстия 7 смесительного элемента и тем самым перевести процессы горения в камеру сгорания (не показана). С этой целью выбирается диапазон расстояний между осями форсунок в пределах 1,5-2,0 суммы диаметров форсунок горючего и окислителя, что исключает пересечение струй и одновременно обеспечивает плотный контакт компонентов топлива в жидкой фазе, промежуточных жидкофазных продуктов и газофазных промежуточных продуктов в объеме полости глухого отверстия 7. При такой организации рабочего процесса достижение φ_D≥0,8 не составляет проблем для двигателей с уровнем тяги менее 1 Н.At the same time, the fuel enters the mixing element 4 through the inlet channel 3 and through the jet nozzle 6 into the cavity of the hole 7. Due to the impact on the opposite wall, the fuel is sprayed onto small droplets in the form of fog and partially evaporates. Part of the fuel spreads over the surface of the opening 7 in the form of a shroud. The quality of mixing the components of the fuel contributes to the penetration of the veil of the oxidizer and fuel by the jets of fuel and oxidizer, respectively. Drops of oxidizing agent and fuel collide with each other in the cavity of the hole 7 and enter into a chemical reaction in the liquid phase. Shroud of oxidizer and fuel, spreading over the surface of the hole 7, also enter into a chemical reaction in the liquid phase. Liquid phase intermediates are released, during the interaction of which gas-phase intermediate combustion products are released with oxidizer and fuel vapors, and the temperature of the combustion products rises sharply. The time required for the isolation of gas-phase intermediate products for AT + UDMH fuel is ~ 0.5 · 10 ^-4 s, therefore, to prevent overheating of the nozzle head design, it is necessary to limit the volume and cavity length of the blind hole 7 of the mixing element and thereby transfer combustion processes to combustion chamber (not shown). For this purpose, a range of distances between the axes of the nozzles is selected within the range of 1.5-2.0 of the sum of the diameters of the fuel and oxidizer nozzles, which eliminates the intersection of jets and at the same time provides tight contact between the fuel components in the liquid phase, intermediate liquid-phase products, and gas-phase intermediate products in the cavity volume blind hole 7. With this organization of the working process, achieving φ _D ≥0.8 is not a problem for engines with a traction level of less than 1 N.

Claims

1. The nozzle head of a liquid propellant small thrust engine, consisting of a head housing with channels for supplying an oxidizer and a fuel and a mixing element with two jet nozzles, each directed to its reflective surface, characterized in that the reflective surfaces are located on different sides from the axis of the mixing element, made in the form of a blind hole, and the smallest distance between the axes of the oxidizer and fuel nozzles is 1.5-2.0 the sum of their diameters.

2. The nozzle head according to claim 1, characterized in that the cross section of the blind hole is made square, and the axis of the nozzles are directed perpendicular to the side surfaces of this hole.