RU2720657C2

RU2720657C2 - Mixing head of low-thrust liquid-fuel rocket engine

Info

Publication number: RU2720657C2
Application number: RU2017112582A
Authority: RU
Inventors: Юрий Захарович Андреев
Original assignee: Акционерное общество "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (АО "НИИМаш")
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2020-05-12
Also published as: RU2017112582A; RU2017112582A3

Abstract

FIELD: rocket equipment.

SUBSTANCE: invention relates to mixing heads of low-thrust and especially low thrust (0.3–0.5 N) liquid-fuel rocket engines on self-igniting fuel components. Mixing head consists of housing, jet nozzles of oxidizer and fuel with intersecting jets, mixing chamber with constant cross-sectional area, changing in zone of completion of liquid-phase induction into expanding to outlet forechamber. According to the invention, an annular bead is made in the expanding portion of the forechamber between the outlet from the mixing chamber and the outlet from the prechamber. Prechamber is made in the form of a conic cavity, in which the annular collar facing the cone axis is formed at the vertex of the thin-walled truncated cone fixed in the prechamber conical cavity. Area of cross-section of mixing chamber is in range 1.2–1.7 of total area of cross-sections of jet nozzles of oxidizer and fuel.

EFFECT: disclosed is mixing head of low-thrust liquid-fuel rocket engine.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к средствам организации смесеобразования в жидкостных ракетных двигателях малой тяги и особо малой тяги (0,3-0,5 Н) на самовоспламеняющихся компонентах топлива.The invention relates to rocket technology, and in particular, to means for organizing mixture formation in liquid propellant small thrust and particularly low thrust (0.3-0.5 N) propellants on self-igniting fuel components.

Известен струйный смесительный элемент со сталкивающимися струями окислителя и горючего (Волков Е.Б., Головков Л.Г., Сырицын Т.А., «Жидкостные ракетные двигатели», М. Воениздат, 1970, стр. 42, рис. 1.4., а). Такие смесительные элементы применяются на двигателях больших и средних тяг. Большие скорости истечения компонентов топлива из форсунок гарантируют глубокое проникновение одной жидкости в другую, большое количество смесительных элементов - равномерность распределения по сечению камеры и заданное их соотношение. В двигателях малой тяги такие смесительные элементы неэффективны из-за малых скоростей струй (3…5 м/с) и не обеспечивают необходимое соотношение компонентов топлива по сечению камеры сгорания.Known jet mixing element with colliding jets of oxidizer and fuel (Volkov EB, Golovkov LG, Syritsyn TA, “Liquid rocket engines”, M. Voenizdat, 1970, p. 42, Fig. 1.4., and). Such mixing elements are used on engines of large and medium thrusts. High speeds of the flow of fuel components from the nozzles guarantee a deep penetration of one liquid into another, a large number of mixing elements - uniform distribution over the chamber cross section and their predetermined ratio. In low-thrust engines, such mixing elements are ineffective due to low jet speeds (3 ... 5 m / s) and do not provide the necessary ratio of fuel components over the combustion chamber cross section.

Известна смесительная головка (см. патент РФ №2463469), состоящая из расширяющейся к выходу форкамеры и смесительной камеры со струйными форсунками окислителя и горючего, каналов подвода окислителя и горючего. Форкамера на участке подвода струйных форсунок имеет смесительную камеру с постоянной площадью поперечного сечения, равной 1,0-1,2 суммарной площади поперечных сечений форсунок и длиной, равной длине пробега совместной струи до окончания периода жидкофазной индукции топлива. В предпочтительном варианте исполнения смесительная головка имеет струйные форсунки с пересекающимися под углом 45-65° осями.A known mixing head (see RF patent No. 2463469), consisting of an expanding chamber and a mixing chamber with jet nozzles of an oxidizer and fuel, channels for supplying an oxidizer and fuel, expanding towards the outlet. The prechamber at the jet nozzle supply section has a mixing chamber with a constant cross-sectional area equal to 1.0-1.2 of the total cross-sectional area of the nozzles and a length equal to the mean free path of the joint jet until the end of the liquid-phase induction period. In a preferred embodiment, the mixing head has jet nozzles with axes intersecting at an angle of 45-65 °.

Смесительная камера имеет цилиндрическую форму и сопряжена с конической форкамерой, расширяющейся к выходу.The mixing chamber has a cylindrical shape and is coupled with a conical prechamber expanding towards the exit.

Недостатком такой схемы смесеобразования является отсутствие возможности получения высокой степени перемешивания топлива в смесительной камере, в форкамере и далее - в камере, в результате чего трудно обеспечить высокую полноту сгорания в камере и высокие энергетические характеристики двигателя. Причина этого кроется в том, что для двигателей малой и особо малой тяги характерными являются малые расходы компонентов топлива (доходящие до десятых и сотых долей грамма в секунду), что в свою очередь являются причиной низких скоростей истечения из форсунок струй окислителя и горючего (например, скорости истечения струй окислителя и горючего для двигателей тягой ~0,5 Н составляют ~3-5 м/с).The disadvantage of this mixing scheme is the inability to obtain a high degree of mixing of the fuel in the mixing chamber, in the prechamber and further in the chamber, as a result of which it is difficult to ensure a high degree of combustion in the chamber and high energy characteristics of the engine. The reason for this lies in the fact that for small and especially low thrust engines, the low consumption of fuel components (reaching tenths and hundredths of a gram per second) is characteristic, which in turn is the cause of low rates of outflow of oxidizer and fuel jets from nozzles (for example, the outflow velocities of the oxidizer and fuel jets for engines with a thrust of ~ 0.5 N are ~ 3-5 m / s).

Работы, проводимые на двигателях тягой до 0,5 Н показали, что полнота смешения топлива (и полнота сгорания) находятся на низком уровне и практически мало зависят от угла столкновения струй.Work carried out on engines with a thrust of up to 0.5 N showed that the completeness of fuel mixing (and the completeness of combustion) are low and practically do not depend much on the angle of collision of the jets.

При столкновении струй окислителя и горючего в смесительной камере не происходит взаимное проникновение струй друг в друга; струи вступают в химическую реакцию по границе соприкосновения с образованием жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов и проскальзывают друг относительно друга за счет разности скоростей, образуя слой смешения толщиной от нескольких микрон до нескольких десятков микрон (это зависит от скоростей сталкивающихся струй). Вокруг слоя смешения по камере смешения продолжают движение в направлении к форкамере неперемешанные окислитель и горючее, которые, прогревшись от тепла, выделяющегося из химически реагирующего слоя смешения, испаряются и самостоятельно продолжают движение в виде паровых слоев, слабо перемешиваясь с продуктами реакции, что приводит к потере топлива, выбрасываемого непрореагировавшим, через сопло. Подтверждением являются результаты отработки ЖРД особо малой тяги (~0,5 Н) с различными приведенными длинами камеры, отличавшимися друг от друга ~ на 50%; экономичность двигателя при этом возрастала незначительно.When the jets of oxidizer and fuel collide in the mixing chamber, the jets do not penetrate each other; the jets enter a chemical reaction along the interface with the formation of liquid-phase and gas-phase intermediates and slip relative to each other due to the difference in speeds, forming a mixing layer with a thickness of several microns to several tens of microns (this depends on the speeds of the colliding jets). Around the mixing layer along the mixing chamber, unmixed oxidizer and fuel continue to move towards the prechamber, which, having warmed up from the heat released from the chemically reactive mixing layer, evaporate and independently continue to move in the form of vapor layers, slightly mixing with the reaction products, which leads to loss fuel emitted by unreacted through a nozzle. Confirmation is the results of the development of an especially low thrust rocket engine (~ 0.5 N) with various reduced chamber lengths that differed by ~ 50% from each other; engine efficiency increased slightly.

Задачей изобретения является создание смесительной головки, способной обеспечить высокие энергетические и динамические характеристики ЖРД особо малой тяги.The objective of the invention is to provide a mixing head capable of providing high energy and dynamic characteristics of an especially low thrust rocket engine.

Задача решается конструкцией смесительной головки, состоящей из корпуса, струйных форсунок окислителя и горючего с пересекающимися струями, смесительной камеры с постоянной площадью поперечного сечения, переходящей в зоне завершения жидкофазной индукции в расширяющуюся к выходу форкамеру. Согласно изобретению в расширяющейся части форкамеры между выходом из смесительной камеры и выходом из предкамеры выполнен кольцевой буртик.The problem is solved by the design of the mixing head, consisting of a housing, jet nozzles of an oxidizer and fuel with intersecting jets, a mixing chamber with a constant cross-sectional area, passing in the zone of completion of liquid-phase induction into a prechamber expanding towards the outlet. According to the invention, an annular bead is made in the expanding part of the prechamber between the outlet of the mixing chamber and the outlet of the prechamber.

Кроме того, предкамера может быть выполнена в виде конической полости, в которой закреплен насадок представляющий собой тонкостенный усеченный конус, у вершины которого сформирован кольцевой буртик, обращенный в сторону оси конуса.In addition, the pre-chamber can be made in the form of a conical cavity in which the nozzles are mounted, which is a thin-walled truncated cone, at the apex of which an annular collar is formed, facing the cone axis.

Предлагаемое решение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показан продольный разрез головки, на фиг. 2 - чертеж насадка. Смесительная головка состоит из корпуса 1, подводящего канала окислителя 2, подводящего канала горючего 3, струйной форсунки окислителя 4, струйной форсунки горючего 5, смесительной камеры 6, форкамеры 7, насадка 8 с кольцевым буртиком 9. Площадь поперечного сечения смесительной камеры 6 подбирается из условия обеспечения площади ее, равной примерно 1,2-1,7 суммарной площади поперечных сечений струйных форсунок окислителя и горючего, а длина смесительной камеры, выполненной в виде цилиндрического канала, подбирается таким образом, чтобы время пребывания компонентов топлива на этом участке при совместном движении перемешивающихся струй примерно соответствовало времени завершения периода жидкофазной индукции для применяемого топлива.The proposed solution is illustrated by the drawings shown in FIG. 1 and FIG. 2. In FIG. 1 shows a longitudinal section through the head, FIG. 2 - drawing nozzle. The mixing head consists of a housing 1, an inlet channel for an oxidizer 2, an inlet channel for fuel 3, a jet nozzle for an oxidizer 4, a jet nozzle for fuel 5, a mixing chamber 6, a pre-chamber 7, a nozzle 8 with an annular collar 9. The cross-sectional area of the mixing chamber 6 is selected from the condition ensuring its area equal to approximately 1.2-1.7 of the total cross-sectional area of the jet nozzles of the oxidizer and fuel, and the length of the mixing chamber, made in the form of a cylindrical channel, is selected so that the residence time of the fuel components in this section during the joint movement of mixing the jets roughly corresponded to the completion time of the liquid phase induction period for the fuel used.

Период жидкофазной индукции для различных самовоспламеняющихся топлив различен. Например, для пары азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин составляет ~1⋅10^-4 с (см. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3 (19), 2009, стр. 316 "Исследование закономерностей жидкофазного взаимодействия компонентов СЖРТ").The period of liquid-phase induction for different self-igniting fuels is different. For example, for a pair of nitrogen tetroxide + asymmetric dimethylhydrazine is ~ 1 ~10 ^-4 s (see Bulletin of the Samara State Aerospace University No. 3 (19), 2009, p. 316 "Study of the laws of liquid-phase interaction of components of SZHRT").

Подбор длины смесительной камеры указанным способом исключает запирание при прохождении через нее перемешанных окислителя и горючего. Форкамера выполнена расширяющейся к выходу и также не допускает запирания ее при выделении из продуктов взаимодействия газофазных промежуточных продуктов и последующем резком повышении давления.The selection of the length of the mixing chamber in this way eliminates the locking when passing through it of mixed oxidizer and fuel. The prechamber is made expanding to the outlet and also does not allow it to be locked when gas-phase intermediate products are separated from the interaction products and the subsequent sharp increase in pressure.

Предлагаемая смесительная головка работает следующим образом. Окислитель, пройдя через подводящий канал 2, поступает в струйную форсунку окислителя 4 и далее - в смесительную камеру 6. Горючее, пройдя через подводящий канал 3, поступает в струйную форсунку 5, а затем - в смесительную камеру 6, где сталкивается с окислителем. Поступившие в смесительную камеру 6 окислитель и горючее сталкиваются и перемешиваются по линии соприкосновения (столкновение окислителя и горючего неминуемо, поскольку площадь поперечного сечения смесительной камеры подбирается чуть большей суммы площадей поперечных сечений струйных форсунок окислителя 4 и горючего 5). Подбор длины смесительной камеры 6 предполагает прохождение химических реакций в жидкой фазе с образованием жидкофазных промежуточных продуктов с выделением небольшого количества тепла, поэтому в ней исключаются повышение давления и запирание. Далее жидкофазные промежуточные продукты поступают из смесительной камеры 6 в форкамеру 7, где начинается активное выделение газофазных промежуточных продуктов, сопровождающееся повышением температуры и давления; накопление газофазных промежуточных продуктов приводит к воспламенению их и образованию продуктов неполного сгорания.The proposed mixing head operates as follows. The oxidizing agent, passing through the inlet channel 2, enters the jet nozzle of the oxidizer 4 and then into the mixing chamber 6. Fuel, passing through the inlet channel 3, enters the jet nozzle 5, and then into the mixing chamber 6, where it encounters the oxidizing agent. The oxidizing agent and fuel entering the mixing chamber 6 collide and mix along the line of contact (the collision of the oxidizing agent and the fuel is inevitable, since the cross-sectional area of the mixing chamber is chosen slightly larger than the sum of the cross-sectional areas of the jet nozzles of oxidizer 4 and fuel 5). The selection of the length of the mixing chamber 6 involves the passage of chemical reactions in the liquid phase with the formation of liquid-phase intermediate products with the release of a small amount of heat, therefore, it eliminates the increase in pressure and blocking. Next, the liquid-phase intermediates come from the mixing chamber 6 into the prechamber 7, where the active release of gas-phase intermediates begins, accompanied by an increase in temperature and pressure; the accumulation of gas-phase intermediate products leads to their ignition and the formation of products of incomplete combustion.

Здесь следует отметить тот факт, что в смесительной камере 6 происходит неполное смешение окислителя и горючего и, как было отмечено выше, только по линии соприкосновения сталкивающихся струй, поэтому остается большая доля неперемешанных окислителя и горючего, которые, частично испарившись, продолжают движение к форкамере 7; при этом образовавшиеся пары продолжают движение обособленно в виде струек тока, не вступая в химическое взаимодействие с промежуточными жидкофазными продуктами. И так продолжается до столкновения с препятствием, установленным в форкамере 7 - насадком 8 с буртиком 9. Столкнувшись с буртиком 9, неперемешанные окислитель и горючее резко меняют направление движения к оси смесительной головки, где вынуждены перемешаться с промежуточными жидкофазными и выделившимися из них газофазными промежуточными продуктами. Подбором расстояния l от смесительной камеры 6 до буртика 9 и диаметра d проходного сечения буртика 9 можно в широких пределах регулировать полноту смешения топлива и, что чрезвычайно важно, регулировать тепловое состояние двигателя.It should be noted that in the mixing chamber 6 there is an incomplete mixing of the oxidizer and fuel and, as noted above, only along the contact line of the colliding jets, therefore, a large proportion of unmixed oxidizer and fuel remains, which, partially evaporated, continue to move to the prechamber 7 ; in this case, the formed pairs continue to move separately in the form of current streams, without entering into chemical interaction with intermediate liquid-phase products. And so it continues until a collision is established in the prechamber 7 — nozzle 8 with shoulder 9. When faced with shoulder 9, unmixed oxidizer and fuel dramatically change the direction of movement to the axis of the mixing head, where they are forced to mix with intermediate liquid-phase and gas-phase intermediate products released from them . By selecting the distance l from the mixing chamber 6 to the shoulder 9 and the diameter d of the bore 9 of the bore 9, it is possible to widely control the completeness of fuel mixing and, which is extremely important, to regulate the thermal state of the engine.

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить полноту смешения и полноту сгорания топлива и, как следствие, повысить экономичность и улучшить динамические характеристики ЖРД особо малой тяги.The proposed technical solution allows to significantly increase the completeness of mixing and the completeness of fuel combustion and, as a result, increase efficiency and improve the dynamic characteristics of especially low thrust rocket engines.

Claims

1. The mixing head, consisting of a housing, jet nozzles of oxidizing agent and fuel with intersecting jets, a mixing chamber with a constant cross-sectional area, passing in the zone of completion of liquid-phase induction into a prechamber expanding towards the outlet, characterized in that in the expanding part of the prechamber between the exit of the mixing chamber camera and the exit from the precamera is made annular bead.

2. The mixing head according to claim 1, characterized in that the prechamber is made in the form of a conical cavity in which a thin-walled truncated cone is fixed, at the apex of which an annular bead is formed, facing the cone axis.

3. The mixing head according to claim 1, characterized in that the cross-sectional area of the mixing chamber is 1.2-1.7 of the total cross-sectional area of the jet nozzles of the oxidizer and fuel.