RU2684765C1 - Method of stabilization of combustion process in its combustion chamber and apparatus for realizing said method - Google Patents
Method of stabilization of combustion process in its combustion chamber and apparatus for realizing said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2684765C1 RU2684765C1 RU2018107159A RU2018107159A RU2684765C1 RU 2684765 C1 RU2684765 C1 RU 2684765C1 RU 2018107159 A RU2018107159 A RU 2018107159A RU 2018107159 A RU2018107159 A RU 2018107159A RU 2684765 C1 RU2684765 C1 RU 2684765C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- combustion
- prechamber
- combustion chamber
- chamber
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 title abstract description 5
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title abstract description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 75
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000003380 propellant Substances 0.000 claims abstract 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 9
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 27
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 8
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 7
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 101000617550 Dictyostelium discoideum Presenilin-A Proteins 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000037452 priming Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
- F02K9/60—Constructional parts; Details not otherwise provided for
- F02K9/62—Combustion or thrust chambers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
Способ стабилизации процесса горения в камере сгорания ЖРД и устройство для его осуществления.The method of stabilization of the combustion process in the combustion chamber of the rocket engine and device for its implementation.
Устройство и способ относятся к ракетно-космической технике и могут быть использованы в ракетно-двигательных установках (РДУ), в частности, маршевых или рулевых двигателях, в двигателях космических летательных аппаратов (ЛА) с глубокой степенью дросселирования без дожигания генераторного газа, к которым предъявляют жесткие требования к надежной работе. Устройство и способ предусмотрены для РДУ, работающих на двухкомпонентном несамовоспламеняющемся топливе с насосной или вытеснительной системой подачи компонентов топлива в камеру сгорания (КС) в двигателях без дожигания генераторного газа.The device and method relate to rocket-space technology and can be used in rocket-propulsion systems (RDU), in particular, cruise or steering engines, in engines of spacecraft (LA) with a deep degree of throttling without generating the generator gas, to which they impose strict requirements for reliable operation. The device and method are provided for RDUs operating on a two-component non-self-igniting fuel with a pumping or displacing system for supplying fuel components to the combustion chamber (CS) in engines without generating generator gas.
Известен способ стабилизации процесса горения («Автоколебания газа в установках с горением», 2003 г., 173 стр.), где имеются описание и результаты исследований влияния впрыска водяного пара на неустойчивость горения в модельной КС газотурбинных двигателей (ГТД). Итог исследований заключается в том, что данная манипуляция водяного пара приводит к устранению акустических колебаний в КС, подавляя вибрационное горение.There is a method of stabilizing the combustion process (“Gas self-oscillations in plants with combustion”, 2003, 173 pp.), Where there is a description and results of studies of the effect of water vapor injection on the instability of combustion in a model CS of gas turbine engines (GTE). The result of the research lies in the fact that this manipulation of water vapor leads to the elimination of acoustic oscillations in the CS, suppressing vibrational combustion.
Недостатком данного способа является ухудшение параметров рабочего процесса, резкий спад температуры горения, снижается полнота сгорания, ухудшается эффективность (спад удельного импульса), а так же требуется восполнение утерянной энергии, в связи с ее уносом водяным паром. При этом для устранения вибрационного горения требуется тщательная дозировка водяного пара в связи с чем, требуются дополнительные затраты на систему подачи, что приводит к увеличению массы РДУ (система подачи, регулировки расхода водяного пара, дополнительная емкость для хранения жидкости). В случае неверной дозировки водяного пара или внезапного вмешательства на рабочий процесс в КС ЖРД, может привести к усилению автоколебательных процессов.The disadvantage of this method is the deterioration of the parameters of the working process, a sharp drop in the combustion temperature, reduced combustion efficiency, deteriorating efficiency (decline in specific impulse), and replenishment of the lost energy is also required due to its loss with water vapor. At the same time, in order to eliminate vibrational burning, careful dosing of water vapor is required and, therefore, additional costs for the supply system are required, which leads to an increase in the mass of the RDU (supply system, adjustment of the steam flow rate, additional capacity for storing the liquid). In the case of an incorrect dosage of water vapor or a sudden intervention on the working process in the COP LRE, it can lead to an increase in auto-oscillatory processes.
Известны способы уменьшения амплитуды автоколебаний («Уменьшение амплитуды автоколебаний «поющего» пламени Хиггинса с помощью ступенчатого сгорания топлива», Промышленная теплотехника, 2010 г., т. 32, №2, 73-81 стр.; «Проблема термоакустических колебаний и вибрационного горения», Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика, 2009 г., вып. 1, 5 стр.), где рассматривается и исследуется явление автоколебаний в трубе при одноступенчатом и двухступенчатом подводе теплоты. При двухступенчатом подводе тепла происходит более интенсивное снижение амплитуды акустических колебаний и колебаний давления в полости трубы при естественном и вынужденном движении среды.There are ways to reduce the amplitude of self-oscillations ("Reducing the amplitude of self-oscillations of the" singing "Higgins flame using stepwise combustion of fuel", Industrial Heat Engineering, 2010, vol. 32, No. 2, 73-81 pp .; "The problem of thermo-acoustic oscillations and vibrational combustion" , Technical Thermophysics and Industrial Thermal Power Engineering, 2009, Issue 1, 5 p.), Where the phenomenon of self-oscillations in a pipe with one-step and two-stage heat supply is considered and investigated. With a two-stage heat supply, a more intensive decrease in the amplitude of acoustic oscillations and pressure oscillations in the tube cavity occurs with natural and forced medium movement.
Недостаток данного способа заключается в том, что данный способ подавления механизма автоколебательного процесса не актуален для использования в РДУ, т.к. в КС РД введение дополнительного теплового потока необходимо осуществлять непосредственно в зону преобразования и воспламенения топлива, а не в КС посреди рабочего процесса (горения).The disadvantage of this method is that this method of suppressing the mechanism of the self-oscillation process is not relevant for use in the RDU, since in CS RD, the introduction of additional heat flux must be carried out directly in the zone of conversion and ignition of fuel, and not in the COP in the middle of the working process (combustion).
Наиболее близким аналогом способа стабилизации процесса горения является двухступенчатый подвод тепла при вынужденном движении среды, описанный в журнале «Промышленная теплотехника», 2010 год, т. 32, №2, стр. 77-80. В данном случае снижение амплитуды колебаний вибрационного горения осуществляется путем двухразового теплоподвода от сгорания топлива в двух сечениях по высоте вертикальной трубки, влияя на такую характеристику, как тепловое сопротивление.The closest analogue of the method of stabilizing the combustion process is a two-stage heat supply during forced movement of the medium, described in the journal Industrial Heat Technology, 2010, vol. 32, No. 2, pp. 77-80. In this case, the decrease in the amplitude of vibrational combustion oscillations is carried out by a two-time heat supply from the combustion of fuel in two sections along the height of the vertical tube, affecting such a characteristic as thermal resistance.
Недостаток данного способа заключается в том, что данный способ подавления механизма автоколебательного процесса не актуален для использования в РДУ, поскольку в КС РД параметры рабочего процесса и их стабильность на определенном режиме работы двигателя (давление, температура, тепловые потоки и т.д.), зависят от процесса преобразования топлива. В связи с этим, подвод дополнительного теплового потока должен осуществляться в зону преобразования топлива, тем самым воздействуя на процесс преобразования топлива путем восполнения недостающей энергии, таким образом, влияя на такую характеристику, как время преобразования топлива. Восполнение энергии и подвод дополнительного теплового потока должно осуществляться устройством форкамерно-факельного типа.The disadvantage of this method is that this method of suppressing the mechanism of the self-oscillation process is not relevant for use in the RDU, because in the CS RD the parameters of the workflow and their stability in a certain mode of engine operation (pressure, temperature, heat flux, etc.), depend on the fuel conversion process. In this regard, the supply of additional heat flow must be carried out in the fuel conversion zone, thereby affecting the process of fuel conversion by filling in the missing energy, thus affecting such a characteristic as the fuel conversion time. Energy replenishment and supply of additional heat flow should be carried out by a prechamber-flare type device.
Известна РДУ, в которой используется запальное устройство форкамерно-факельного типа для кислородно-водородного двигателя - вторая ступень ракеты-носителя «Энергия» РД-0120. В данном двигателе период работы форкамеры ограничивается выходом двигателя на режим малой тяги. В дальнейшем перекрывается подача окислителя и запальное устройство работает как струйная форсунка горючего. Воспламенение топлива в запальном устройстве осуществляется электрическими свечами зажигания.Known RDU, which uses the ignition device prechamber-flare type for an oxygen-hydrogen engine - the second stage of the launch vehicle "Energy" RD-0120. In this engine, the period of operation of the pre-chamber is limited to the output of the engine to low thrust mode. Subsequently, the oxidizer feed is shut off and the ignition device works as a jet nozzle of a fuel. The ignition of the fuel in the ignition device is carried out by electric spark plugs.
Недостатком данного устройства является ограничение времени работы запальника в виду особенности конструкции, которая подвергается высокотемпературному воздействию. Кроме этого, данное устройство не способно подводить в КС требуемое количество тепла, которое должно регулироваться, что бы обеспечить должный стабилизирующий эффект на рабочий процесс в КС на протяжении всего времени работы двигателя.The disadvantage of this device is the limitation of the operating time of the igniter due to the peculiarities of the design, which is subjected to high temperature exposure. In addition, this device is not capable of supplying the required amount of heat to the CS, which should be regulated in order to ensure the proper stabilizing effect on the CS working process throughout the engine operation time.
Известно устройство, используемое в РДУ SSME RS-25, работающее на кислородно-водородной топливной паре, называемое запальным устройством. Запальное устройство содержит корпус, в котором установлена электрическая свеча, реакционную полость, сужающуюся к выходу в КС через форсуночный блок, полость подачи горючего и коллектор подвода окислителя. Устройство размещается над форсуночным блоком РД по центру КС.A device used in the RDU SSME RS-25, working on an oxygen-hydrogen fuel pair, is called a ignition device. The ignition device comprises a housing in which an electric plug is installed, a reaction cavity tapering towards the exit to the CS through the nozzle unit, a fuel supply cavity and an oxidizer supply collector. The device is located above the injector block taxiway in the center of the COP.
Недостатком данного устройства является отсутствие условий работы с керосином, т.к. при использовании в форкамере более тяжелых топливных пар, например, с углеводородным горючим керосином, возникают проблемы с устойчивым воспламенением и горением в связи с недостаточным качеством смешения топливных пар.The disadvantage of this device is the lack of working conditions with kerosene, because when using heavier fuel pairs in the prechamber, for example, with hydrocarbon fuel kerosene, problems arise with sustained ignition and combustion due to the insufficient quality of mixing of the fuel pairs.
Известно запальное устройство форкамерно-факельного типа, используемое в РДУ J-2. Данное устройство представляет собой отдельную небольшую КС, в которое подавались кислород и водород через пару форсунок, непрерывно поджигаемые электрическим разрядом от запальной свечи. Пламя из запальника выходило по центру КС и обеспечивало непрерывность горения в течении всего времени работы двигателя.Known ignition device prechamber-flare type used in RDU J-2. This device is a separate small CS, into which oxygen and hydrogen were fed through a pair of nozzles, continuously ignited by an electric discharge from the glow plug. The flames from the igniter came out in the center of the CS and ensured the continuity of combustion during the entire time the engine was running.
Недостаток данного устройства, аналогичен предыдущему, а так же, РДУ J-2 утяжелена большой массой источника питания электроискровой свечи, отсутствует механизм самоподдерживаемого горения, а так же, поступаемый тепловой поток в КС РД, неравномерно распространяется в зону преобразования топлива.The disadvantage of this device is similar to the previous one, as well as the RDU J-2 is weighed down by a large mass of the power source of an electric spark plug, there is no self-sustained burning mechanism, and the incoming heat flux in the CS RD is unevenly distributed to the fuel conversion zone.
Наиболее близким аналогом является «Устройство для воспламенения компонентов топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя» RU 2183763 С2, обеспечивающее надежное воспламенение компонентов топлива в КС ЖРД, работающего на несамовоспламеняющемся топливе, при использовании электрической свечи в условиях вакуума и повышенной стойкости конструкции устройства к термическому воздействию ПС. Устройство для воспламенения включает в себя корпус, выполненный, например, из хромоникелевой стали Х18Н9Т, в котором устанавливается электрическая свеча. Свеча герметизируется при помощи прокладки, которая одновременно обеспечивает образование подсвечной полости между торцевой поверхностью свечи и торцевой поверхностью втулки, устанавливаемой в корпусе за свечой. Втулка выполняется, например, из медного сплава Ml и прикрепляется к корпусу пайкой. Во втулке выполняется полость подачи горючего, куда впрыскивается горючее из отверстий, которые соединяют коллектор горючего, образующийся между корпусом и втулкой при их соединении, с полостью подачи горючего. Во втулке вокруг полости подачи горючего выполняются периферийные отверстия и центральное отверстие, которые обеспечивают проток топливной смеси через подсвеченную полость. После втулки с зазором по отношению к ней в корпусе устанавливается смесительный элемент с реакционной полостью, имеющий на внешней стороне шнек для закрутки потока газообразного окислителя. Смесительный элемент соединяется с корпусом, например, путем пайки. Газообразный окислитель поступает в шнек из коллектора, образованного между корпусом и смесительным элементом. Реакционная полость, выполненная в виде цилиндрического канала в смесительном элементе, имеет на выходе в камеру сужающееся проходное сечение. К коллектору горючего и к коллектору окислителя присоединяются входные трубопроводы.The closest analogue is the “Device for igniting fuel components in the combustion chamber of a liquid rocket engine” EN 2183763 C2, which ensures reliable ignition of the fuel components in a liquid-fuel rocket engine running on non-self-igniting fuel under vacuum conditions and increased resistance of the device to thermal effects PS A device for ignition includes a housing made, for example, of chrome-nickel steel X18H9T, in which an electric candle is installed. The candle is sealed with a gasket, which simultaneously provides for the formation of a priming cavity between the end surface of the candle and the end surface of the sleeve installed in the housing behind the candle. The sleeve is, for example, made of copper alloy Ml and is attached to the body by soldering. A fuel supply cavity is made in the sleeve, where fuel is injected from the holes that connect the fuel manifold formed between the housing and the sleeve when they are connected to the fuel supply cavity. In the sleeve around the fuel supply cavity, peripheral holes and a central hole are made, which provide the flow of the fuel mixture through the illuminated cavity. After the sleeve with a gap in relation to it, a mixing element with a reaction cavity is installed in the housing, having augers on the outside for swirling the gaseous oxidant flow. The mixing element is connected to the housing, for example, by soldering. The gaseous oxidant enters the screw from the collector formed between the casing and the mixing element. The reaction cavity, made in the form of a cylindrical channel in the mixing element, has a tapering cross section at the outlet to the chamber. To the collector of fuel and to the collector of the oxidizer inlet pipelines are connected.
Недостатками аналога являются: относительно краткий период времени работоспособности в активном режиме; отсутствие возможности глубокого и гибкого регулирования подачи теплового потока в КС РД; отсутствие возможности глубокого и гибкого регулирования температуры ПС на выходе из форкамеры; малая мощность; отсутствие защиты стенок корпуса от прогара при длительном термическом воздействии ПС на стенку; недостаточно эффективное качество смешения компонентов топлива для требуемого режима работы форкамеры; малоэффективное распространение теплового потока в зону преобразования топлива.The disadvantages of the analogue are: a relatively short period of time in the active mode; the inability of deep and flexible regulation of the heat flow in the CS RD; the inability of deep and flexible temperature control PS at the exit of the pre-chamber; low power; the lack of protection of the housing walls from burnout during prolonged thermal effects of the PS on the wall; insufficiently effective mixing quality of the fuel components for the required mode of operation of the prechamber; inefficient distribution of heat flux into the fuel conversion zone.
Техническая задача способа заключается в восполнении недостающей энергии преобразования топлива, с целью поддержания стабильного рабочего процесса, или же горения, на протяжении всего периода времени работы РДУ, особенно в период глубокого дросселирования РДУ.The technical problem of the method is to fill the missing energy of the conversion of fuel, in order to maintain a stable working process, or burning, during the entire period of RDU operation, especially during the period of deep throttling of the RDU.
Техническая задача устройства заключается в том, чтобы реализовать способ стабилизации горения в КС РД, поддерживая максимальную продолжительность непрерывной деятельности устройства на требуемом уровне работоспособности.The technical problem of the device is to implement a method of stabilizing the combustion in the CS RD, maintaining the maximum duration of the continuous operation of the device at the required level of performance.
Технический результат способа заключается в увеличении и сохранении эффективности РД на более широком диапазоне дросселирования (регулирования тяги) РДУ, предотвращая возникновение механизма автоколебательного процесса.The technical result of the method is to increase and maintain the effectiveness of the RD on a wider range of throttling (thrust control) RDU, preventing the occurrence of the mechanism of the self-oscillatory process.
Технический результат устройства заключается в том, что в форкамере осуществляется более качественное смесеобразование жидких топливных пар, обеспечиваются условия для самоподдерживаемого режима работы, имеется возможность регулирования температуры ПС и содержания элементов горючего на выходе из форкамеры, предотвращена возможность перегрева или прогара стенок форкамеры, в устройстве осуществляется закрутка потока, подвод дополнительного теплового потока в зону преобразования топлива осуществляется равномерно и размеренно.The technical result of the device is that a better mixing of liquid fuel pairs is provided in the prechamber, conditions for self-supported operation are provided, it is possible to control the PS temperature and the content of fuel elements at the outlet of the prechamber, the possibility of overheating or burnout of the prechamber chamber is prevented the flow swirl, the supply of additional heat flow to the fuel conversion zone is carried out evenly and measuredly.
Технический результат способа достигается тем, что в зону преобразования топлива в КС РД подводится дополнительный регулируемый тепловой поток в виде струи высокотемпературных продуктов сгорания (ПС) с широким углом раскрытия струи при помощи устройства форкамеры факельного типа, тем самым поддерживая стабильный режим работы двигателя на более широком диапазоне уровня тяги.The technical result of the method is achieved by supplying an additional regulated heat flow in the form of a jet of high-temperature combustion products (PS) with a wide jet opening angle using a flare-type prechamber device, thereby maintaining a stable engine operating mode on a wider thrust level range.
Технический результат заявляемого устройства достигается тем, что устройство расположено над форсуночным блоком РД по центру КС, смесительный элемент аналога заменен на форсуночный блок (ФБ), состоящий из струйных и центробежных форсунок, устройство дополнительно оснащено системой внешнего и внутреннего охлаждения стенок, используя в качестве охлаждающей жидкости горючее, в огневой стенке корпуса форкамеры, ближе к конфузору, выполнены пояса перфорированных отверстий, оси которых не пересекаются с осью форкамеры, обеспечивая тангенциальный подвод горючего, подача горючего в форкамеру осуществляется через форсуночный блок и отверстия в огневой стенке, при этом горючее поступает в форкамеру по двум раздельным трубопроводам через регуляторы расхода в коллекторы, далее по каналам охладителя в ФБ и к перворированным отверстиям, через форсунки горючего и отверстия в огневой стенке форкамеры, рабочий процесс в форкамере разделен на зону горения и зону смешения, она же зона закрутки, которая образуется за счет перфорированных отверстий в огневой стенке, подача окислителя в форкамеру осуществляется по трубопроводам в коллектор через ФБ, в качестве воспламенителя используется электроискровая свеча, встроенная в стенку цилиндрической части форкамеры под ФБ в зоне горения топлива, конфузорная часть и минимальное сечение форкамеры встроены в ФБ РД, выход ПС из форкамеры и поступление в КС РД осуществляется через сопло цилиндрической формы с небольшой длиной или через сопло с малой степенью расширения.The technical result of the claimed device is achieved by the fact that the device is located above the RD nozzle unit in the center of the CS, the mixing element of the analogue is replaced by a nozzle unit (FB) consisting of jet and centrifugal nozzles, the device is additionally equipped with an external and internal cooling system for the walls, using as a cooling fuel liquids, in the fire wall of the pre-chamber body, closer to the confuser, belts of perforated holes are made, the axes of which do not intersect with the pre-chamber axis, providing tangent Main fuel supply, fuel supply to the prechamber is carried out through the nozzle block and openings in the fire wall, while the fuel enters the prechamber through two separate pipelines through flow regulators to the collectors, then through the coolant channels to the FB and to the primary openings, through the fuel nozzles and openings in the fire chamber of the prechamber, the workflow in the prechamber is divided into a combustion zone and a mixing zone, it is also a twist zone, which is formed due to perforated holes in the fire wall, oxidant feed the prechamber is carried through pipelines to the collector via the FB, an electric spark plug is used as an igniter, built into the wall of the cylindrical part of the prechamber under the FB in the fuel burning zone, confused part and the minimum cross section of the prechamber is built into the FB RD through a cylindrical nozzle with a small length or through a nozzle with a small degree of expansion.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем. При некоторых условиях режим работы в КС становится неустойчивым. Известно, что в процессе глубокого дросселирования удается снизить тягу до 27…30% от номинальной величины, ниже которой возникают значительные низкочастотные колебания, т.е. понижение давления в КС ниже допустимого приводит к неустойчивому рабочему процессу. Устойчивость рабочего процесса в КС двигателя связана с процессом преобразования исходных компонентов топлива в ПС. Процесс преобразования исходных компонентов, поступающих в КС через форсунки, сопровождается преобразованием определенного количества энергии. Согласно теории Луиджи Крокко, энергия, связанная с процессом преобразования единицы массы компонентов топлива, величина постоянная и не зависит от наличия или отсутствия колебаний давления в КС. Для повышения работоспособности двигателя и обеспечения стабильного горения на протяжении всех этапов и режимов работы двигателя требуется непрерывная подача дополнительной энергии, которая будет компенсировать потери энергии, вызванные случайными колебаниями параметров рабочего процесса, или же восполнять недостающую энергию преобразования. Этой энергией может послужить тепловой поток, подаваемый в зону преобразования и горения топлива в КС РД, который в свою очередь повлияет на такую важную характеристику, как время преобразования топлива. Подвод дополнительного теплового потока в зону горения будет способствовать непрерывному и устойчивому воспламенению и горению топлива в КС. В качестве дополнительного теплового потока служит струя высокотемпературных ПС. Для этого в РДУ требуется установить устройство форкамерно-факельного типа длительного функционирования с возможностью гибкого регулирования подаваемого количества теплового потока в виде высокотемпературных ПС, в зону преобразования топлива в КС РД. Для повышения эффективности струя ПС поступает в КС под углом раскрытия, что позволит увеличить площадь поступаемого теплового потока.The essence of the proposed method is as follows. Under some conditions, the mode of operation in the CS becomes unstable. It is known that in the process of deep throttling, it is possible to reduce the thrust to 27 ... 30% of the nominal value, below which significant low-frequency oscillations occur, i.e. lowering the pressure in the COP below the allowable leads to an unstable working process. The stability of the workflow in the engine COP is associated with the process of converting the initial components of the fuel to the PS The process of transformation of the original components entering the CS through the nozzles is accompanied by the conversion of a certain amount of energy. According to the theory of Luigi Crocco, the energy associated with the process of converting a unit mass of the fuel components is constant and does not depend on the presence or absence of pressure fluctuations in the CS. To increase the efficiency of the engine and ensure stable combustion throughout all stages and modes of operation of the engine, continuous supply of additional energy is required, which will compensate for energy losses caused by random fluctuations in the parameters of the working process, or replenish the missing conversion energy. This energy can serve as the heat flow supplied to the zone of conversion and combustion of fuel in the CS RD, which in turn will affect such an important characteristic as the time of conversion of fuel. The supply of additional heat flow to the combustion zone will contribute to the continuous and steady ignition and combustion of the fuel in the CS. An additional heat flux is a high-temperature PS jet. For this purpose, it is required to install a prechamber-flare-type device for long-term operation in the RDU with the possibility of flexible control of the supplied amount of heat flux in the form of high-temperature PS to the zone of fuel conversion in the CS RD. To improve the efficiency of the jet PS enters the COP at an angle of disclosure, which will increase the area of the incoming heat flux.
Суть устройства поясняется чертежом, где изображена общая схема устройства, размещение устройства относительно РД и конфигурация общих систем (Фиг. 1).The essence of the device is illustrated in the drawing, which shows the general scheme of the device, the device placement relative to the taxiway and the configuration of the general systems (Fig. 1).
Устройство для стабилизации рабочего процесса включает в себя огневую цилиндрическую стенку (1), выполненную из сплава металла с хорошей теплопроводностью, силовую стенку (2), изготовленную из хромоникелевой стали. Стенки в цилиндрической части форкамеры соединены продольными ребрами с помощью пайки, тем самым образуя охлаждающий тракт цилиндрической части форкамеры зоны горения (3). Огневая стенка цилиндрической формы зоны смешения (4), изготовленная из сплава металла с хорошей теплопроводностью, соединена с силовой стенкой той же зоны (5) припаива-нием гофр между ними, тем самым образуя охлаждающий тракт (6). Горючее поступает к форкамере по магистралям подвода (7) и (8). Подача горючего к охлаждающему тракту осуществляется сборными коллекторами (9) и (10), обеспечивая равномерную подачу охладителя по трактам. Выбор места расположения и формы сечения коллектора определяется конструктивно-технологическими соображениями. Течение горючего по охлаждающему тракту с гофрами (6) имеет определенное направление тока, обеспечивающее наружный размеренный теплообмен и равномерное поступление горючего к перфорированным отверстиям (11) выполненные в огневой стенке (4). Перфорированные отверстия создают пояс подачи охладителя. Оси данных отверстий перпендикулярны оси форкамеры, но не пересекаются с ней, тем самым горючее закручивает поток ПС и защищает внутреннюю стенку форкамеры от прогара. Таким образом, образуется внешняя (гофры) и внутренняя (перфорированные отверстия) система охлаждения. Внешняя и внутренняя система охлаждения так же охватывает часть конфузора (12), т.е. внешняя поверхность припаяна к гофрам (6), а они в свою очередь к силовой стенке (5), а так же, в данной части конфузора предусмотрено наличие перфорированных отверстий (11). Конфузор изготовлен из более прочного сплава, по сравнению с огневой стенкой. Площадь охлаждаемой поверхности конфузора определяется конструктивно-техническими соображениями. Выход ПС из форкамеры осуществляется через сопло (13), имеющее небольшое расширение или же равнозначное минимальному сечению. Выбор формы и глубины проникновения сопла определяется конструкторско-технической задачей. Крепление конфузора (12) и сопла (13) к ФБ РД (14) определяется конструкторско-технологическими и сборочно-технологическими соображениями. Соединение силового днища ФБ РД (15) и силовой стенки форкамеры осуществляется сваркой, выбор места соединения определяется конструкторско-технологическими соображениями. Неохлаждаемая часть конфузора (12) омывается компонентом топлива под силовым днищем ФБ РД (15). Горючее, омывающее продольные ребра (3), поступает в ФБ форкамеры (16). Далее через центробежные и струйные форсунки ФБ (16) впрыскивается в форкамеру. По магистрали (17) в ФБ (16) поступает окислитель и через форсунки впрыскивается в форкамеру. Смешивающиеся компоненты топлива воспламеняются при помощи электроискровой свечи (18), устанавливается сквозь огневую стенку форкамеры. Штуцеры (19) и (20) предназначены для определения давления в форкамере. Элементы и системы РД продемонстрированные в чертеже: ФБ РД (14), магистраль подвода горючего (21), магистраль подвода окислителя (22), огневая стенка КС (23), силовая стенка КС (24), охлаждающий тракт РД (25), сопло РД (26), сужающееся сопло РД (27).A device for stabilizing the working process includes a cylindrical fire wall (1) made of an alloy of metal with good thermal conductivity, a power wall (2) made of chromium-nickel steel. The walls in the cylindrical part of the pre-chamber are connected by longitudinal ribs by soldering, thereby forming the cooling path of the cylindrical part of the pre-chamber of the combustion zone (3). The fire wall of the cylindrical shape of the mixing zone (4), made of an alloy of metal with good thermal conductivity, is connected to the power wall of the same zone (5) by soldering the corrugation between them, thereby forming the cooling path (6). Fuel enters the prechamber via the supply lines (7) and (8). The fuel supply to the cooling path is carried out by modular manifolds (9) and (10), ensuring uniform supply of coolant through the paths. The choice of location and shape of the collector section is determined by structural and technological considerations. The flow of fuel along the cooling path with corrugations (6) has a certain direction of current, providing external measured heat exchange and uniform flow of fuel to the perforated holes (11) made in the fire wall (4). Perforated holes create a chiller feed belt. The axes of these holes are perpendicular to the axis of the pre-chamber, but do not intersect with it, thereby combustible the flow of the PS and protects the inner wall of the pre-chamber from burnout. Thus, an external (corrugations) and internal (perforated holes) cooling system is formed. The external and internal cooling system also covers part of the confuser (12), i.e. the outer surface is soldered to the corrugations (6), and they, in turn, to the power wall (5), as well as in this part of the confuser are provided with perforated holes (11). The confuser is made of a more durable alloy, compared with the fire wall. The area of the cooled surface of the confuser is determined by structural and technical considerations. Exit PS from the prechamber is carried out through the nozzle (13), which has a small expansion or equivalent to the minimum cross section. The choice of the shape and depth of penetration of the nozzle is determined by the design problem. The mounting of the confuser (12) and the nozzle (13) to the FB RD (14) is determined by design, technological and assembly and technological considerations. The connection of the power base of the PB RD (15) and the wall of the prechamber is carried out by welding, the choice of the connection point is determined by design and technological considerations. The uncooled part of the confuser (12) is washed by the fuel component under the power base of the FB RD (15). The fuel washing the longitudinal ribs (3) enters the pre-chamber FB (16). Then through centrifugal and jet nozzles FB (16) is injected into the prechamber. An oxidizer enters through PB (16) into PB (16) and is injected into the prechamber through the nozzles. The mixing components of the fuel are ignited by means of an electric spark plug (18), installed through the fire chamber of the pre-chamber. Fittings (19) and (20) are designed to determine the pressure in the prechamber. Elements and systems RD shown in the drawing: FB RD (14), fuel supply line (21), oxidizer supply line (22), fire wall of CS (23), power wall of CS (24), cooling path of RD (25), nozzle RD (26), tapering nozzle RD (27).
Отличительными моментами заявляемого способа от прототипа является методы устранения источника возникновения механизма колебательного рабочего процесса, который в прототипе характеризуется тепловым сопротивлением и устраняется при помощи ступенчатого двухразового подвода теплового потока при помощи газогорелочных устройств. В свою очередь, в заявляемом способе механизм колебательного рабочего процесса характеризуется временем преобразования топлива и недостатком тепловой энергии для процесса преобразования топлива в период не номинального режима работы РДУ, т.е. в период глубокого дросселирования, а в заявляемом способе введение дополнительного теплового потока идет в зону преобразования топлива при помощи форкамеры-факельного типа с регулируемым углом распыла высокотемпературных ПС, что компенсирует недостаток тепловой энергии и изменяет время преобразования топлива.Distinctive moments of the proposed method from the prototype are methods for eliminating the source of the mechanism of the oscillatory working process, which in the prototype is characterized by thermal resistance and is eliminated using a stepped two-time supply of heat flow using gas-burning devices. In turn, in the claimed method, the oscillatory working process mechanism is characterized by the fuel conversion time and the lack of thermal energy for the fuel conversion process during the non-nominal period of the RDU operation, i.e. in the period of deep throttling, and in the claimed method, the introduction of additional heat flux goes to the fuel conversion zone using a prechamber-flare type with an adjustable spray angle of high-temperature PS, which compensates for the lack of thermal energy and changes the fuel conversion time.
Преимущество заявляемого способа заключается в том, что данный способ наиболее актуален и эффективен для ракетной техники, и заявляемый способ позволит контролировать процесс преобразования топлива в КС РД вне зависимости от характера и параметров рабочего процесса в КС, что позволит избежать возникновения механизма автоколебательного процесса в камере. Это увеличит надежность и эффективность работы двигателя на более широком диапазоне уровня тяги РД.The advantage of the inventive method is that this method is the most relevant and effective for rocket technology, and the inventive method will allow controlling the process of converting fuel to the CS RD, regardless of the nature and parameters of the working process at the CS, which will avoid the occurrence of a mechanism of the auto-oscillation process in the chamber. This will increase the reliability and efficiency of the engine on a wider range of thrust RD.
Отличительными элементами устройства от прототипа являются наличие системы охлаждения в виде рубашки охлаждения. Изменена система подачи компонентов топлива в форкамеру, подвод горючего к форкамере осуществляется по двум разным магистралям. В форкамеру горючее поступает по трактам охлаждения через ФБ и перфорированные отверстия в огневой стенке. Смесительный элемент заменен на ФБ, для более качественного смешения компонентов топлива. Заявляемое устройство имеет огневую и силовую стенку, соединенные между собой ребрами и гофрами, образуя, тем самым, охлаждающие тракты или рубашку охлаждения. В огневой стенке устройства выполнены перфорированные отверстия для создания зоны смешения и закрутки потока ПС на выходе из сопла.Distinctive elements of the device from the prototype are the presence of a cooling system in the form of a cooling jacket. The system for supplying fuel components to the prechamber was changed; the fuel supply to the prechamber is carried out via two different routes. The fuel enters the pre-chamber through the cooling paths through PB and perforated holes in the fire wall. The mixing element is replaced by FB, for better mixing of the fuel components. The inventive device has a fire and power wall interconnected by ribs and corrugations, thereby forming cooling paths or cooling jacket. In the fire wall of the device, perforated holes are made to create a mixing zone and swirl the flow of PS at the nozzle exit.
Таким образом, совокупность новых элементов, систем и признаков, позволяют достичь эффективной стабилизации рабочего процесса в КС РД на широком диапазоне степени дросселирования тяги РД, надежного воспламенения и горения топливных пар с углеводородным горючим, повышена потенциальная работоспособность устройства, и более высокая стойкость к термическому воздействию горения. Предоставляется возможность глубокого и гибкого регулирования температуры ПС на выходе из форкамеры, повышена мощность и значительно повышен предел периода времени работоспособности форкамеры в активном режиме.Thus, the totality of new elements, systems and features, allows to achieve effective stabilization of the working process in the CS RD at a wide range of throttling throttles RD, reliable ignition and combustion of fuel pairs with hydrocarbon fuel, increased potential performance of the device, and higher resistance to thermal effects burning. The possibility of deep and flexible control of the temperature of the PS at the exit of the pre-chamber is provided, the power is increased and the limit of the operating time of the pre-chamber in the active mode is significantly increased.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018107159A RU2684765C1 (en) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | Method of stabilization of combustion process in its combustion chamber and apparatus for realizing said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018107159A RU2684765C1 (en) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | Method of stabilization of combustion process in its combustion chamber and apparatus for realizing said method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2684765C1 true RU2684765C1 (en) | 2019-04-12 |
Family
ID=66168185
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018107159A RU2684765C1 (en) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | Method of stabilization of combustion process in its combustion chamber and apparatus for realizing said method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2684765C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3174283A (en) * | 1963-06-28 | 1965-03-23 | Crocco Luigi | Expendable barrier |
| RU2183761C2 (en) * | 2000-05-11 | 2002-06-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Liquid-propellant thruster and method of starting such thruster |
| RU2183763C2 (en) * | 2000-05-11 | 2002-06-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Device for ignition of propellant components in combustion chamber of liquid-propellant rocket engine |
| RU2235217C2 (en) * | 2002-03-21 | 2004-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of and chamber for eliminating high-frequency instability of operating process in chamber of liquid-propellant rocket engine |
| RU2488712C2 (en) * | 2011-07-20 | 2013-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Method of operating space engine running on gas fuel |
-
2018
- 2018-02-26 RU RU2018107159A patent/RU2684765C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3174283A (en) * | 1963-06-28 | 1965-03-23 | Crocco Luigi | Expendable barrier |
| RU2183761C2 (en) * | 2000-05-11 | 2002-06-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Liquid-propellant thruster and method of starting such thruster |
| RU2183763C2 (en) * | 2000-05-11 | 2002-06-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Device for ignition of propellant components in combustion chamber of liquid-propellant rocket engine |
| RU2235217C2 (en) * | 2002-03-21 | 2004-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of and chamber for eliminating high-frequency instability of operating process in chamber of liquid-propellant rocket engine |
| RU2488712C2 (en) * | 2011-07-20 | 2013-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Method of operating space engine running on gas fuel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2309325C1 (en) | Steam generator | |
| RU2345238C1 (en) | Mixing head of liquid propellant rocket engine chamber | |
| RU2358190C1 (en) | Hydrogen high-temperature steam generator with combined evaporation cooling of mixing chamber | |
| RU2614311C1 (en) | Steam generator | |
| CN109441643B (en) | Micro-turbojet engine and ignition device for combustion chamber of gas turbine | |
| CN114001374A (en) | Gas-liquid two-phase dual-fuel rotary detonation combustion chamber | |
| RU2488903C1 (en) | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam | |
| US11629855B2 (en) | Redesigned burner | |
| CN116164307B (en) | Gas spiral-flow type air-hydrogen torch igniter | |
| US6718773B2 (en) | Method for igniting a thermal turbomachine | |
| KR20180107913A (en) | Combustor nozzle | |
| RU2684765C1 (en) | Method of stabilization of combustion process in its combustion chamber and apparatus for realizing said method | |
| WO1992020913A1 (en) | Plasma ignition apparatus and method for enhanced combustion and flameholding in engine combustion chambers | |
| RU2361146C1 (en) | Vortex hydrogen-oxygen vapour superheater | |
| US4047880A (en) | Fluids distributor for energized-fluid systems | |
| CN116398899A (en) | Centrifugal air hydrogen torch igniter | |
| RU2079684C1 (en) | Steam generator | |
| CN216244410U (en) | Gas-liquid two-phase dual-fuel rotary detonation combustion chamber | |
| JP2014145322A (en) | Gas turbine combustor | |
| RU2374560C1 (en) | Igniting device | |
| KR102220991B1 (en) | Pilot burner for large size burner | |
| KR100708805B1 (en) | Gas torch ignitor for a combustor ignition | |
| US5707408A (en) | Method and apparatus for production of fuel gas | |
| RU2204732C2 (en) | Gas generator of liquid-propellant rocket engine | |
| JPS6220372B2 (en) |