RU2607918C1

RU2607918C1 - Coaxial spray nozzle

Info

Publication number: RU2607918C1
Application number: RU2015156758A
Authority: RU
Inventors: Владислав Юрьевич Климов
Original assignee: Владислав Юрьевич Климов
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-01-11

Abstract

FIELD: engines.

SUBSTANCE: invention relates to devices for mixing and spraying fuel components of liquid-fuel rocket engine. Coaxial spray atomizer, mainly for liquid-fuel rocket engine chamber, contains, tip with shaped axial channel, which connects one fuel component cavity with combustion chamber cavity, and bushing, covering tip with annular clearance and connecting other fuel component cavity with combustion chamber cavity, wherein in tip outlet part pylons are made, interacting with bushing inner surface and aligning tip relative to bushing, wherein on tip cylindrical surface radial holes are made, uniformly arranged along circumference and connecting tip axial channel with bushing internal cavity.

EFFECT: invention provides more complete fuel combustion due to improved mixture formation.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя.The invention relates to devices for mixing and spraying fuel components of a liquid propellant rocket engine.

Одной из основных проблем, возникающих при создании устройств, предназначенных для перемешивания и распыления компонентов топлива, является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов топлива.One of the main problems that arise when creating devices designed for mixing and spraying fuel components is to ensure the maximum possible completeness of combustion of fuel components.

Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения - полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е. Алемасов и др. "Теория ракетных двигателей": Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1980, рис. 18.2, стр. 225-226).Known coaxial coaxial-jet nozzle containing a nozzle in the form of a hollow cylinder connecting the cavity of the liquid oxidizer to the combustion zone - the cavity of the combustion chamber, a sleeve covering the tip with a gap and connecting the cavity of the gaseous fuel to the combustion zone (V.E. Alemasov et al. " Theory of rocket engines ": A textbook for students of engineering specialties of universities. - M .: Engineering, 1980, Fig. 18.2, pp. 225-226).

В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего - форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива и, соответственно, к потерям удельного импульса тяги.In this nozzle, the oxidizing agent is fed into the combustion zone along the axial channel inside the tip, and the fuel through the annular gap between the sleeve and the tip. At the outlet of the nozzle, the oxidizer stream has the shape of a continuous cone, with its tip facing the nozzle tip, and the fuel stream has the shape of a hollow cone. The contact of fuel and oxidizer occurs on the surface of a continuous cone. Such a supply scheme does not provide a high-quality atomization of fuel components, which leads to a decrease in the coefficient of completeness of fuel combustion and, consequently, to the loss of specific impulse of thrust.

Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания. Внутренняя полость втулки выполнена профилированной в виде цилиндрических поверхностей различного диаметра и длины, образующих, по крайней мере, один кольцевой конфузор. Выходное сечение наконечника расположено от выходного сечения втулки на расстоянии, равном 0-1,3 внутреннего диаметра наконечника, а в наконечнике, перед кольцевым конфузором, на расстоянии, равном 1-4 внутреннего диаметра наконечника от выходного сечения втулки, выполнены сквозные каналы, площадь которых меньше площади проходного сечения наконечника (Патент РФ №2171427, MПK F02K 9/52, F23D 11/10 - прототип).Known coaxial coaxial-jet nozzle containing a hollow tip connecting the cavity of one component of the fuel with the cavity of the combustion chamber, and a sleeve covering the annular gap with the tip and connecting the cavity of the other component of the fuel with the cavity of the combustion chamber. The inner cavity of the sleeve is shaped in the form of cylindrical surfaces of various diameters and lengths, forming at least one annular confuser. The output section of the tip is located from the output section of the sleeve at a distance equal to 0-1.3 of the inner diameter of the tip, and in the tip, in front of the annular confuser, at a distance of 1-4 internal diameter of the tip from the output section of the sleeve, through channels are made, the area of which less than the area of the passage section of the tip (RF Patent No. 2171427, MPK F02K 9/52, F23D 11/10 - prototype).

Данная соосно-струйная форсунка работает следующим образом.This coaxial jet nozzle operates as follows.

Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.The oxidizing agent from the cavity of the oxidizing agent through the channel inside the tip enters the combustion chamber for further use.

Горючее из полости горючего по кольцевому каналу между наконечником и втулкой подается в камеру сгорания. В месте расположения сквозных каналов, выполненных в наконечнике, перед кольцевым конфузором, горючее разделяется на две части. Одна часть горючего поступает в полость камеры сгорания, проходя через конфузор и кольцевой канал, образованный наконечником и втулкой. Вторая часть горючего поступает в сквозные каналы наконечника. Так как давление горючего перед сквозными каналами больше давления окислителя внутри наконечника, горючее поступает по сквозным каналам в канал наконечника. Струи горючего, поступающего по сквозным каналам, деформируют сплошную струю окислителя, придавая ей на выходе из наконечника форму звезды с несколькими радиальными лучами, по числу сквозных каналов. Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную позволяет улучшить условия разрушения струи, уменьшить характерный поперечный размер струи окислителя и увеличить периметр контакта окислителя с горючим. Таким образом, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается.Fuel from the fuel cavity through the annular channel between the tip and the sleeve is fed into the combustion chamber. At the location of the through channels made in the tip, in front of the annular confuser, the fuel is divided into two parts. One part of the fuel enters the cavity of the combustion chamber, passing through the confuser and the annular channel formed by the tip and the sleeve. The second part of the fuel enters through the channels of the tip. Since the pressure of the fuel in front of the through channels is greater than the pressure of the oxidizing agent inside the tip, the fuel enters through the channels through the channel of the tip. The jets of fuel coming through the through channels deform a continuous stream of oxidizer, giving it a star shape with several radial rays at the exit from the tip, according to the number of through channels. Changing the shape of the oxidizer jet from round to star-shaped allows one to improve the conditions for the destruction of the jet, reduce the characteristic transverse size of the jet of oxidizer, and increase the perimeter of the contact of the oxidizer with fuel. Thus, at the exit from the tip, the oxidizer jet is more prone to loss of its integrity and decomposes faster.

Основным недостатком данной соосно-струйной форсунки является недостаточно высокое значение полноты сгорания компонентов топлива, обусловленное несовершенством принятой схемы смесеобразования.The main disadvantage of this coaxial-jet nozzle is the insufficiently high value of the completeness of combustion of the fuel components, due to the imperfection of the adopted mixture formation scheme.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка и повышение полноты сгорания компонентов топлива за счет улучшения качества смесеобразования.The objective of the invention is to eliminate this drawback and increase the completeness of combustion of fuel components by improving the quality of mixture formation.

Решение указанной задачи достигается тем, что предложенная соосно-струйная форсунка, преимущественно для камеры жидкостного ракетного двигателя, согласно изобретению содержит наконечник с профилированным осевым каналом, соединяющим полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, причем на цилиндрической поверхности наконечника выполнены радиальные отверстия, равномерно расположенные по окружности и соединяющие осевой канал наконечника с внутренней полостью втулки.The solution to this problem is achieved by the fact that the proposed coaxial-jet nozzle, mainly for a liquid-propellant rocket engine chamber, according to the invention comprises a tip with a profiled axial channel connecting the cavity of one fuel component with the cavity of the combustion chamber, and a sleeve covering the tip and connecting the cavity with an annular gap another component of the fuel with the cavity of the combustion chamber, while in the output of the tip made pylons interacting with the inner surface of the sleeve and rubbing the tip relative to the sleeve, and on the cylindrical surface of the tip there are made radial holes uniformly spaced around the connecting axial channel of the tip with the inner cavity of the sleeve.

Предлагаемая соосно-струйная форсунка, преимущественно для камер жидкостного ракетного двигателя, за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение полноты сгорания компонентов топлива за счет улучшения качества смесеобразования.The proposed coaxial-jet nozzle, mainly for chambers of a liquid propellant rocket engine, due to its distinguishing features, provides a solution to the technical problem - increasing the completeness of combustion of fuel components by improving the quality of mixture formation.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид форсунки в продольном разрезе в составе смесительной головки камеры жидкостного ракетного двигателя, на фиг. 2 - сечение Α-A форсунки, на фиг. 3 - сечение Б-Б форсунки.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a General view of the nozzle in longitudinal section in the composition of the mixing head of the chamber of a liquid rocket engine, FIG. 2 is a section Α-A of the nozzle, in FIG. 3 - section BB nozzle.

Предложенная соосно-струйная форсунка содержит наконечник 1 с профилированным осевым каналом 2, соединяющим полость окислителя 3 с полостью камеры сгорания 4, и втулку 5, охватывающую с кольцевым зазором наконечник 1 и соединяющую полость горючего 6 с полостью камеры сгорания 4, при этом в выходной части наконечника 1 выполнены пилоны 7, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки 5 и центрирующие наконечник 1 относительно втулки 5, причем на цилиндрической поверхности наконечника 1 выполнены радиальные отверстия 8, равномерно расположенные по окружности и соединяющие осевой канал 2 наконечника 1 с внутренней полостью втулки.The proposed coaxial-jet nozzle comprises a tip 1 with a profiled axial channel 2 connecting the oxidizer cavity 3 with the cavity of the combustion chamber 4, and a sleeve 5 covering the tip 1 with an annular gap and connecting the fuel cavity 6 with the cavity of the combustion chamber 4, while in the output part tip 1 made pylons 7, interacting with the inner surface of the sleeve 5 and centering the tip 1 relative to the sleeve 5, and on the cylindrical surface of the tip 1 there are made radial holes 8, evenly spaced connected around the circumference and connecting the axial channel 2 of the tip 1 with the inner cavity of the sleeve.

Предложенная соосно-струйная форсунка работает следующим образом.The proposed coaxial jet nozzle operates as follows.

Горючее, поступающее из полости горючего 6 смесительной головки в соосно-струйную форсунку, разделяется на две части. Первая часть горючего, через радиальные отверстия 8, поступает в профилированный осевой канал 2 наконечника 1. Струя горючего, выходящая из каждого радиального отверстия 8, внедряется в поперечный поток жидкого окислителя, поступающего из полости окислителя 3 смесительной головки по профилированному осевому каналу 2 наконечника 1 в полость камеры сгорания 4, и интенсивно смешивается с ним. Распределенное в потоке жидкого окислителя в виде пузырьков газа горючее сжимается до давления жидкого окислителя и частично растворяется в нем. При истечении жидкого окислителя из наконечника 1 в полость камеры сгорания 4 давление в пузырьках горючего быстро сбрасывается до давления в полости камеры сгорания 4, при этом происходит резкое расширение пузырьков, что приводит к распаду струи окислителя на мелкие капли.The fuel coming from the fuel cavity 6 of the mixing head into the coaxial-jet nozzle is divided into two parts. The first part of the fuel, through the radial holes 8, enters the profiled axial channel 2 of the tip 1. The fuel jet exiting from each radial hole 8 is introduced into the transverse stream of liquid oxidizer coming from the cavity of the oxidizing agent 3 of the mixing head through the profiled axial channel 2 of the tip 1 in cavity of the combustion chamber 4, and is intensively mixed with it. The fuel distributed in the liquid oxidizer stream in the form of gas bubbles is compressed to the pressure of the liquid oxidizer and partially dissolved in it. When the liquid oxidizer flows from the tip 1 into the cavity of the combustion chamber 4, the pressure in the fuel bubbles rapidly drops to the pressure in the cavity of the combustion chamber 4, while the bubbles expand sharply, which leads to the disintegration of the oxidizer stream into small droplets.

Вторая часть горючего поступает в полость камеры сгорания 4, проходя через кольцевой канал, образованный наконечником 1 и втулкой 5, где взаимодействует со струей газожидкостной смеси. Происходит дробление струи газожидкостной смеси спутной струей газообразного горючего, имеющей форму полого конуса, вблизи выхода форсунки.The second part of the fuel enters the cavity of the combustion chamber 4, passing through an annular channel formed by a tip 1 and a sleeve 5, where it interacts with a jet of gas-liquid mixture. A jet of a gas-liquid mixture is crushed by a satellite jet of gaseous fuel having the shape of a hollow cone near the nozzle exit.

Использование предложенного технического решения позволит повысить полноту сгорания компонентов топлива за счет улучшения качества смесеобразования.Using the proposed technical solution will improve the completeness of combustion of fuel components by improving the quality of mixture formation.

Claims

Coaxial-jet nozzle, mainly for a liquid-propellant rocket engine chamber, characterized in that it comprises a tip with a profiled axial channel connecting the cavity of one component of the fuel to the cavity of the combustion chamber, and a sleeve covering the tip with an annular gap and connecting the cavity of the other fuel component to the cavity combustion chamber, while in the output part of the tip made pylons interacting with the inner surface of the sleeve and centering the tip relative to the sleeve, radial holes are made on the cylindrical surface of the tip, uniformly spaced around the circumference and connecting the axial channel of the tip with the inner cavity of the sleeve.