RU2571997C1 - Способ подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к камерам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Способ подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя заключается в подаче компонентов топлива при помощи форсунок из соответствующих полостей смесительной головки. Смесительную головку выполняют содержащей наружное, среднее и огневое днища, при помощи которых образуют блоки подачи горючего, окислителя и, предпочтительно, охлаждения огневого днища. Указанные днища скрепляют между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, причем форсунки горючего и окислителя выполняют преимущественно однокомпонентными и располагают в центральной зоне головки в огневом днище в шахматном порядке с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям. Штифты располагают по окружности в периферийной зоне смесительной головки. В центральной зоне огневого днища из форсунок образуют квадрат, причем форсунки, расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполняют выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки. Каждую периферийную, выступающую относительно огневого днища форсунку соединяют с полостью блока горючего и располагают в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок. Указанные лучи выполняют продолжением сторон квадрата, которыми соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки. В каждом штифте выполняют как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью блока горючего, образованной средним и огневым днищами, причем выходную часть указанных каналов располагают параллельно оси камеры сгорания. Основную часть расхода горючего и весь расход окислителя подают через форсунки, установленные в шахматном порядке, а оставшуюся часть расхода горючего подают через форсунки горючего, расположенные в периферийной зоне головки, и каналы, выполненные в штифтах. Изобретение обеспечивает повышение надежности и устойчивости работающей смесительной головки, а также повышение удельного импульса тяги. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к камерам жидкостных ракетных двигателей и входящим в них устройствам и деталям, и может быть использовано при создании высокоэкономичных смесительных головок и камер ЖРД для перспективных средств выведения.

Известна смесительная головка камеры ЖРД SSME, содержащая корпус, в котором установлено 600 форсунок, расположенных 13-ю концентрическими рядами. Форсунки выполнены в виде двойных коаксиальных трубок и являются двухкомпонентными. Смесительная головка также содержит форсунки, которые выступают из огневого днища, образуя антипульсационные перегородки в виде кольца с 5 расходящимися лучами от центра к периферии лучами (Энциклопедия "Космонавтика", гл. ред. В.П. Глушко, М., 1985, стр. 382).

Недостатком указанной головки является то, что конструкция антипульсационных перегородок применима для смесительных головок с расположением форсунок по концентрическим окружностям. Данная конструкция неприемлема для шахматного расположения форсунок, которое имеет место в ряде смесительных головок современных ЖРД ("Конструирование и проектирование жидкостных ракетных двигателей" под общей редакцией Г.Г. Гахуна, М., Машиностроение, 1989 г., стр. 130, рис. 7,5).

Известна камера ЖРД РД-107, работающая на жидком кислороде и керосине. В смесительной головке камеры ЖРД РД-107 по концентрическим окружностям установлены двухкомпонентные форсунки.

На периферии смесительной головки равномерно по двум концентрическим окружностям установлены штифты (Альбом конструкций ЖРД, часть 3, составленный под руководством В. П. Глушко. М.: Военное издательство Минобороны СССР, 1969, стр. 36, фиг. 52). Смесительная головка имеет огневое, среднее и наружное днища.

Недостаток этой головки в том, что в камерах с такой смесительной головкой возможна высокочастотная неустойчивость рабочего процесса.

Известен способ подачи компонентов топлива в камеру ЖРД и смесительная головка камеры ЖРД РД-111 для реализации указанного способа (см. вышеуказанный «Альбом конструкций ЖРД», стр. 155, фиг. 379), содержащая форсунки для подачи компонентов топлива, установленные в наружном, среднем и огневом днищах. Днища скреплены между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой. Форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям. На периферии смесительной головки расположены равномерно по окружностям штифты.

Недостатком указанной головки является то, что в нем возможна в отдельных экземплярах камер высокочастотная неустойчивость рабочего процесса, особенно в условиях форсированных режимов.

Известны способ подачи компонентов топлива в камеру ЖРД и смесительная головка камеры ЖРД для реализации указанного способа, содержащая наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух

лучах, протяженных от стороны квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная, выступающая относительно огневого днища форсунка является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок (патент РФ №2205973, МПК F02K 9/52, F02K 9/62 -прототип).

Основным недостатком данного способа является недостаточно высокая экономичность рабочего процесса, связанная со следующими факторами.

Достаточно большая часть форсунок, используемых для образования антипульсационных перегородок, работает в нерасчетном режиме из-за того, что указанные форсунки имеют длину больше, чем остальные, и их зона смесеобразования и горения отнесена дальше в камеру сгорания. Это приводит к неравномерности распределения компонентов по сечению головки, различной расходонапряженности, и, как следствие, потерям удельного импульса тяги.

Имеют место потери, связанные с неравномерностью, вызванной различием шагов между форсунками при переходе от шахматного расположения форсунок к их расположению по концентрическим окружностям.

Расположение штифтов в смесительной головке, между форсунками и стенкой камеры, ведет к росту диаметральных размеров камеры, ее массы и массы двигателя в целом.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа подачи компонентов топлива в камеру ЖРД, применение которого позволит создать надежно и устойчиво работающую смесительную головку камеры ЖРД при высоком качестве смесеобразования, которое обеспечит высокий удельный импульс тяги ЖРД.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя, заключающемся в подаче компонентов топлива при помощи форсунок из соответствующих полостей смесительной головки, согласно изобретению смесительную головку выполняют содержащей наружное, среднее и огневое днища, при помощи которых образуют блоки подачи горючего, окислителя и охлаждения огневого днища, при этом указанные днища скрепляют между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, причем форсунки горючего и окислителя располагают в центральной зоне головки в огневом днище в шахматном порядке с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, а штифты располагают по окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом в центральной зоне огневого днища из форсунок образуют квадрат, причем форсунки, расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполняют выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, причем каждую периферийную, выступающую относительно огневого днища форсунку соединяют с полостью блока горючего и располагают в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок, при этом указанные лучи выполняют продолжением сторон квадрата, которыми соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки, а в каждом штифте выполняют как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью блока горючего, образованной средним и огневым днищами, причем выходную часть указанных каналов располагают параллельно оси камеры сгорания, при этом основную часть расхода горючего и весь расход окислителя подают через форсунки, установленные в шахматном порядке, а оставшуюся часть расхода

горючего подают через форсунки горючего, расположенные в периферийной зоне головки и каналы, выполненные в штифтах.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - показано продольное сечение смесительной головки камеры ЖРД, на фиг. 2 - вид А - вид смесительной головки спереди, на фиг. 3 - продольный разрез двухкомпонентной форсунки, образующей антипульсационные перегородки.

Предложенный способ может быть реализован при помощи смесительной головки камеры ЖРД, имеющей следующую конструкцию.

Смесительная головка камеры ЖРД содержит наружное 1, среднее 2 и огневое 3 днища, скрепленные между собой форсунками 4 горючего и форсунками 5 окислителя, штифтами 6. Расстояние между днищами и объемы межфорсуночных полостей определяются размерами форсунок 4 и 5.

Форсунки горючего 4 и окислителя 5 выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище 3 с переходом в периферийной зоне головки 7 к расположению по окружностям. Штифты 6 расположены на окружности в периферийной зоне 7 смесительной головки. Форсунки 8, расположенные на сторонах квадрата 9 в центральной части 10 смесительной головки, а также форсунки 11, находящиеся для каждой из сторон квадрата 9 на двух лучах 12, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище 3, образуя антипульсационные перегородки 13. Указанные лучи 12 являются продолжением сторон квадрата 9 и соединяют его вершины с периферийной зоной 7 смесительной головки. В каждом штифте 6 выполнено как минимум три канала 14, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним 2 и огневым 3 днищами, причем выходная часть указанных каналов 15 расположена параллельно оси камеры сгорания.

Предложенный способ при помощи указанной смесительной головки реализуется следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по форсункам окислителя 5 подают в камеру сгорания. Горючее из полости горючего по форсункам горючего 4 подают в камеру сгорания, где оно перемешивается с окислителем, воспламеняется и сгорает.

При горении, на режиме запуска, могут возникать высокочастотные колебания, ведущие к неустойчивости процесса горения, связанные с нестационарностью переходных режимов запуска. Для предотвращения возможности появления таких процессов поверхность огневого днища 3 при помощи квадрата 9 и лучей 12, состоящих из выступающих форсунок 8 и 11 и образующих антипульсационные перегородки 13, разделяют на несколько изолированных друг от друга зон, что препятствует распространению колебаний из одной зоны в другую. В этом случае, при возникновении колебаний в одной зоне, они не распространяются далее по всему огневому днищу и затухают.

Для обеспечения требуемого качества смесеобразования и защиты огневых стенок камеры от прогаров часть расхода горючего подают через каналы 14 штифтов 6, которые в этом случае играют роль однокомпонентных форсунок.

Выполнение форсунок, образующих антипульсационные перегородки, двухкомпонентными позволит улучшить качество смесеобразования за счет обеспечения подачи горючего и окислителя в одной плоскости.

Форсунки, образующие антипульсационные перегородки 13, выполняют двухкомпонентными, причем каждая форсунка содержит корпус с наконечником с внутренним каналом, соединяющим полость окислителя с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость горючего с полостью камеры сгорания. В выходной части указанного канала и втулки

устанавливают завихрители для придания соответствующему потоку компонента топлива вращательного движения. Перепад давления каждого канала компонента топлива упомянутой двухкомпонентной форсунки обеспечивают равным перепаду давления соответствующей однокомпонентной форсунки. Геометрические характеристики факелов распыла компонентов топлива также обеспечивают равными соответствующим геометрическим характеристикам факелов распыла упомянутых однокомпонентных форсунок.

Использование предложенного технического решения позволит создать надежную и устойчиво работающую смесительную головку ЖРД при высоком качестве смесеобразования, которое обеспечит высокий удельный импульс ЖРД.

Claims (1)

1. Способ подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя, заключающийся в подаче компонентов топлива при помощи форсунок из соответствующих полостей смесительной головки, отличающийся тем, что смесительную головку выполняют содержащей наружное, среднее и огневое днища, при помощи которых образуют блоки подачи горючего, окислителя и охлаждения огневого днища, при этом указанные днища скрепляют между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, причем форсунки горючего и окислителя располагают в центральной зоне головки в огневом днище в шахматном порядке с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, а штифты располагают по окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом в центральной зоне огневого днища из форсунок образуют квадрат, причем форсунки, расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполняют выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, причем каждую периферийную, выступающую относительно огневого днища форсунку соединяют с полостью блока горючего и располагают в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок, при этом указанные лучи выполняют продолжением сторон квадрата, которыми соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки, а в каждом штифте выполняют как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью блока горючего, образованной средним и огневым днищами, причем выходную часть указанных каналов располагают параллельно оси камеры сгорания, при этом основную часть расхода горючего и весь расход окислителя подают через форсунки, установленные в шахматном порядке, а оставшуюся часть расхода горючего подают через форсунки горючего, расположенные в периферийной зоне головки, и каналы, выполненные в штифтах.

Images