RU2679047C1

RU2679047C1 - Jet centrifugal sprayer

Info

Publication number: RU2679047C1
Application number: RU2018102849A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Черниченко
Original assignee: Владимир Викторович Черниченко
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-02-05

Abstract

FIELD: rocket equipment.SUBSTANCE: jet-centrifugal nozzle includes the housing consisting of two cylinders of different diameter, which are interconnected with the formation of an annular step, formed by the end of a larger cylinder, while in the body there is a central axial shaped channel with expanding and cylindrical parts interconnected to form an internal ledge, and tangential channels connecting the cavities of the components with the cavity of the combustion chamber and the nozzles opening into the mixing cavity. Tangential channels are made in such a way that the projections of the longitudinal axes of any two diametrically opposite tangential channels when they are projected onto a plane passing through the longitudinal axis of the nozzle and parallel to it, form an obtuse angle at the apex, while the mentioned vertex is located on the longitudinal axis of the nozzle.EFFECT: invention can be used to create nozzle heads for chambers of liquid rocket engines (LRE).1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании форсуночных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).The invention relates to the field of rocket technology and can be used to create the nozzle heads of the combustion chambers of liquid rocket engines (LRE).

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.Currently, one of the main problems in creating a rocket engine is to obtain a high specific impulse of thrust by providing extremely high completeness of fuel combustion. The completeness of fuel combustion is provided, inter alia, by the organization of the onset of mixture formation directly in the nozzle cavity.

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 (патент RU №2231668, заявка №2003103417/06 от 02.06.2003 г. МПК: F02K 9/52).Known nozzle head of the combustion chamber of a liquid-propellant rocket engine of a closed system, comprising a housing and a fire plate with nozzles installed in them with central and tangential channels. The central channel is made profiled with a tapering input and expanding output parts with the formation of a minimum passage section at the place of their transition, while the end of the output section of the nozzle central channel is located in the area of the tangential channels, and the output part of the central channel forms a visor over the tangential channels (patent RU No. 2231668 Application No. 2003103417/06 dated 06/02/2003 IPC: F02K 9/52).

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.This solution provides a high degree of mixture formation at various engine operating modes by providing a more uniform distribution of the generator gas flow rate over the nozzles and more intensive mixing with the liquid component in the nozzle mixing chambers, but requires an nozzle and, accordingly, nozzle head with a long nozzle length behind the enlarged mixing chamber.

Известна 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, 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 (Патент РФ №2525787, заявка: №2013107623/06 от 20.02.2013, МПК: F02K 9/52 - прототип).Known nozzle head of the combustion chamber of the rocket engine, containing a housing and a firing plate with nozzles installed in them, having a central profiled and tangential channels connecting the cavity of the components with the cavity of the combustion chamber, while the end section of the expanding part of the expanding part of the central channel of the nozzle is located in front of the holes of the tangential channel of the nozzle, and the step h between the central and tangential channels is not more than 20% d, where d is the diameter of the tangential channel of the nozzle (RF Patent No. 2525787, application: No. 2013107623/06 dated 02.20.2013, IPC: F02K 9/52 - prototype).

Указанная форсуночная головка работает следующим образом.The specified nozzle head operates as follows.

В полость блока окислителя, расположенную в корпусе, подается окислительный генераторный газ и распределяется по форсункам. Генераторный газ, пройдя через минимальное проходное сечение, принудительно расширяется и поступает и камеру смешения форсунки. В полость камеры смешения форсунки горючее поступает через тангенциальные каналы, расположенные за торцом выходного сечения центрального канала, и образует тонкую пленку жидкости, прижатую к стенке форсунки центробежными силами. Окислительный генераторный газ в камере смешения взаимодействует с кольцевой пеленой горючего внутри форсунки.An oxidizing generator gas is supplied to the cavity of the oxidizer block located in the housing and is distributed among the nozzles. The generator gas, having passed through the minimum passage section, is forcibly expanded and the nozzle mixing chamber enters. Fuel enters the cavity of the nozzle mixing chamber through tangential channels located behind the end face of the outlet section of the central channel and forms a thin film of liquid pressed against the nozzle wall by centrifugal forces. The oxidizing generator gas in the mixing chamber interacts with the annular fuel sheet inside the nozzle.

Основными недостатками является недостаточно высокая экономичность работы смесительной головки, обусловленная тем, что тонкая пленка горючего, прижатая к стенке форсунки центробежными силами, недостаточно интенсивно реагирует с газообразным окислителем, что приводит к потерям удельного импульса тяги.The main disadvantages are the insufficiently high efficiency of the mixing head, due to the fact that a thin film of fuel pressed against the nozzle wall by centrifugal forces does not react intensively with the gaseous oxidizer, which leads to loss of specific impulse of thrust.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение высокой экономичности работы камеры и удельного импульса тяги при минимальных осевых габаритах форсуночной головки за счет обеспечения оптимальных условий смешения газа и жидкого компонента в форсунке.The task of the invention is to remedy these disadvantages and ensure high efficiency of the chamber and the specific impulse of traction with minimum axial dimensions of the nozzle head by providing optimal conditions for mixing gas and liquid component in the nozzle.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенной струйно-центробежной форсунке, содержащей корпус, состоящий из двух цилиндров разного диаметра, соединенных между собой с образованием кольцевой ступеньки, образованной торцом большего цилиндра, при этом в корпусе выполнены центральный осевой профилированный канал с расширяющейся и цилиндрической частями, соединенными между собой с образованием внутреннего уступа, и тангенциальные каналы, соединяющие полости компонентов с полостью камеры сгорания и открывающиеся в полость смешения форсунки, согласно изобретению, тангенциальные каналы расположены таким образом, что проекции продольных осей двух любых диаметрально противоположно расположенных тангенциальных каналов при их проецировании на плоскость, проходящую через продольную ось форсунки и параллельную ей, образуют тупой угол при вершине, при этом упомянутая вершина располагается на продольной оси форсунки.The solution to this problem is achieved by the fact that in the proposed jet-centrifugal nozzle containing a housing consisting of two cylinders of different diameters, interconnected to form an annular step formed by the end face of a larger cylinder, the central axial shaped channel with expanding and cylindrical parts interconnected to form an inner ledge, and tangential channels connecting the component cavities with the cavity of the combustion chamber and opening into the cavity mixing nozzles, according to the invention, the tangential channels are arranged so that the projections of the longitudinal axes of any two diametrically opposed tangential channels when projecting onto a plane passing through the longitudinal axis of the nozzle and parallel to it, form an obtuse angle at the apex, while the aforementioned vertex is located on nozzle longitudinal axis.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана смесительная головка с предложенной струйно-центробежной форсункой, на фиг. 2 - предложенная форсунка в аксонометрии.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a mixing head with the proposed jet-centrifugal nozzle, FIG. 2 - the proposed nozzle in a perspective view.

Предложенная струйно-центробежная форсунка рассмотрена в составе форсуночной головки. Форсуночная головка камеры ЖРД содержит корпус 1 головки и огневое днище 2 с установленными в них струйно-центробежными форсунками 3. Струйно-центробежные форсунки 3 имеют центральный осевой профилированный канал 4 и тангенциальные каналы 5, выполненные в корпусе 6 каждой форсунки. Указанные каналы 4 и 5 соединяют полости блоков окислителя 7 и горючего 8 с полостью камеры сгорания 9. Тангенциальные каналы 5 расположены таким образом, что проекции продольных осей 10 двух любых диаметрально противоположно расположенных тангенциальных каналов 5 при их проецировании на плоскость, проходящую через продольную ось форсунки и параллельную ей, образуют тупой угол при вершине, при этом упомянутая вершина располагается на продольной оси форсунки. Каждая форсунка имеет камеру смешения 11, в которую открываются центральный осевой профилированный канал 4 и тангенциальные каналы 5.The proposed jet-centrifugal nozzle is considered as part of the nozzle head. The nozzle head of the LRE chamber contains a head housing 1 and a firing bottom 2 with installed jet centrifugal nozzles 3. The jet centrifugal nozzles 3 have a central axial profiled channel 4 and tangential channels 5 made in the body 6 of each nozzle. These channels 4 and 5 connect the cavity of the blocks of the oxidizer 7 and fuel 8 with the cavity of the combustion chamber 9. The tangential channels 5 are arranged so that the projections of the longitudinal axes 10 of any two diametrically opposed tangential channels 5 when they are projected onto a plane passing through the longitudinal axis of the nozzle and parallel to it, form an obtuse angle at the apex, while the aforementioned apex is located on the longitudinal axis of the nozzle. Each nozzle has a mixing chamber 11, into which the central axial profiled channel 4 and tangential channels 5 open.

Предложенная струйно-центробежная форсунка в составе форсуночной головки работает следующим образом.The proposed jet-centrifugal nozzle as part of the nozzle head operates as follows.

В полость блока окислителя 7, расположенную в корпусе 1, подается окислительный генераторный газ и распределяется по форсункам 3. Далее, генераторный газ, пройдя через минимальное проходное сечение центрального осевого профилированного канала 4, принудительно расширяется и поступает и камеру смешения 11 форсунки 3 для смешения с горючим. В полость камеры смешения 11 форсунки 3 горючее поступает через тангенциальные каналы 5. За счет того, что тангенциальные каналы 5 выполнены таким образом, что проекции продольных осей двух любых диаметрально противоположно расположенных тангенциальных каналов при их проецировании на плоскость, проходящую через продольную ось форсунки и параллельную ей, образуют тупой угол при вершине, при этом упомянутая вершина располагается на продольной оси форсунки, струи жидкости получают не только тангенциальную, но и радиальную составляющую скорости, направленную к центру камеры смешения 11. Наличие радиальной составляющей скорости, которая стремится оторвать пленку жидкости от стенок камеры смешения 11, обеспечивает более интенсивное взаимодействие окислительного генераторного газа и горючего, позволяет улучшить условия разрушения тонкой струи жидкости, прижимаемой к стенкам камеры смешения 11 центробежными силами, что, в конечном итоге, дает возможность улучшить условия смесеобразования и повысить удельный импульс тяги.In the cavity of the oxidizer block 7, located in the housing 1, the oxidizing generator gas is supplied and distributed to the nozzles 3. Further, the generator gas, having passed through the minimum passage section of the central axial shaped channel 4, is forced to expand and the mixing chamber 11 of the nozzle 3 is also mixed for mixing with combustible. In the cavity of the mixing chamber 11 of the nozzle 3, the fuel enters through the tangential channels 5. Due to the fact that the tangential channels 5 are made in such a way that the projections of the longitudinal axes of any two diametrically opposed tangential channels when they are projected onto a plane passing through the longitudinal axis of the nozzle and parallel they form an obtuse angle at the apex, while the aforementioned apex is located on the longitudinal axis of the nozzle, the liquid jets receive not only the tangential, but also the radial component of the velocity axes directed to the center of the mixing chamber 11. The presence of a radial component of the velocity, which tends to tear the liquid film from the walls of the mixing chamber 11, provides a more intense interaction of the oxidizing generator gas and fuel, improves the conditions for the destruction of a thin stream of liquid pressed against the walls of the mixing chamber 11 by centrifugal forces, which, ultimately, makes it possible to improve the conditions of mixture formation and increase the specific impulse of thrust.

Использование предложенного технического решения позволит обеспечить наиболее полное перемешивание компонентов, получить качественное смесеобразование, увеличить значение удельного импульса тяги ЖРД и уменьшить осевые габариты форсуночной головки и камеры.Using the proposed technical solution will ensure the most complete mixing of the components, obtain high-quality mixture formation, increase the value of the specific thrust of the rocket engine and reduce the axial dimensions of the nozzle head and chamber.

Claims

A jet-centrifugal nozzle containing a housing consisting of two cylinders of different diameters, interconnected to form an annular step formed by the end face of a larger cylinder, with a central axial shaped channel with expanding and cylindrical parts interconnected to form an inner ledge , and tangential channels connecting the component cavities with the cavity of the combustion chamber and opening into the mixing cavity of the nozzle, characterized in that the tangential channel ly arranged such that the projections of the longitudinal axes of any two diametrically oppositely disposed tangential channels in their projection onto the plane passing through the longitudinal axis of the nozzle and parallel to it, form an obtuse angle at the apex, wherein said apex is located on the longitudinal axis of the injector.