Камера сгорания
COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к ракетной технике и направлено на подавления поперечных мод высокочастотных колебаний давления в камере сгорания ракетного двигателя.
Наряду с камерами сгорания круглого сечения возможны камеры сечения близкого к прямоугольному, т.е. прямоугольного со скругленными углами, трапециевидного с углами, близкими к прямому, трапециевидного со скругленными углами. Так известна камера (патент РФ №2610873), которая имеет сопло Лаваля с круглым минимальным сечением и прямоугольным выходным сечением. Недостатком такой камеры являются дополнительные потери полного давления и, следовательно, удельного импульса при перестроении потока круглого сечения в поток прямоугольного сечения. Эти потери тем больше, чем больше отношение сторон прямоугольника.
В камерах сгорания возможна высокочастотная неустойчивость рабочего процесса, сопровождающаяся переходом горения топлива в детонационный режим.
Для камер круглого сечения известны конструктивные схемы с перегородками устанавливаемыми на огневых днищах смесительных головках камер сгорания для разбиения сечения камеры на участки, что способствует подавлению поперечных мод высокочастотных (ВЧ) колебаний (см. книгу Неустойчивость горения в ЖРД / Под ред. Д.Т. Харрье и Ф.Г. Рирдона. - М.: Мир 1975, с. 542, рис 8.2). Из этого для камер с сечением близким к прямоугольному достаточно явно следует расположение перегородок перпендикулярно направлению распространения акустических волн, т.е. разбиение сечения камеры на полости прямоугольной формы. Недостатком такого решения является одинаковость длины пути распространения акустических волн между стенками и параллельными им перегородками или двумя перегородками для всего объема камеры, что приводит к концентрации энергии на частоте, соответствующей данной длине. Кроме того, перегородки должны располагаться между форсунками, поэтому для регулярных схем размещения форсунок (шахматная, сотовая, по концентрическим окружностям) схемы перегородок «д» и «е» на рис 8.2 практически не реализуемы, а использование нерегулярных схем происходит падение энергетических характеристик.
Известна конструкция головки-форсунки, содержащая корпус и несколько охлаждаемых антипульсационных перегородок (патент США №3200589, кл. 60-39.46, 1965). Внутри корпуса расположены каналы для подвода жидкого топлива к струйным форсункам. К огневой стенке головки-форсунки прикреплено несколько перегородок, служащих для подавления неустойчивого горения. В перегородках для их охлаждения выполнены отверстия, соединенные с каналами головки. Впрыск топлива в камеру сгорания осуществляется через форсуночную головку и через отверстия в охлаждаемых перегородках. Недостатком такого решения является то, что впрыскиваемый через отверстия в перегородках компонент топлива сгорает не при оптимальном соотношении, что ухудшает экономичность камеры.
Известна камера, принятая в качестве прототипа, сгорания с участком у головки, имеющим некоторый угол расширения (см. книгу Неустойчивость горения в ЖРД / Под ред. Д.Т. Харрье и Ф.Г. Рирдона. - М.: Мир 1975, с. 607, рис. 8.45). Такая конструкция улучшает характеристики устойчивости по сравнению с цилиндрической камерой сгорания и может быть использована и в камерах с сечением близким к прямоугольному. Недостатком такой камеры сгорания является то, что если хотя бы по одному из поперечных габаритов камеры ее размер превысит критический радиус детонации перемешанных, но еще не сгоревших компонентов топлива в слое примыкающем к смесительной головке, то возможен переход к детонационному режиму горения. Таким образом, данный способ подавления ВЧ не самодостаточен для камер сгорания больших габаритов.
Целью предлагаемого решения является подавления поперечных мод высокочастотных колебаний давления в камере сгорания с сечением близким к прямоугольному.
Техническим результатом, достигнутым в изобретении, является снижение амплитуд пульсаций давления в камере сгорания до уровня шумов или до некоторого перепада, допустимого по условиям конструкторской документации.
Этот результат в камере сгорания с сечением близким к прямоугольному по всей длине камеры достигается за счет выполнения корпуса камеры с участком у головки, имеющим некоторый угол расширения, и размещения на смесительной головке антипульсационной перегородки, которая состоит из частей, выполненных под углами к стенкам камеры. Количество частей антипульсационной перегородки определяется соотношением сторон прямоугольного сечения камеры, а углы - схемой расположения форсунок: прямоугольная или сотовая.
Подавление поперечных мод высокочастотных колебаний давления достигается за счет уменьшения и переменности длины распространения акустических волн между стенками и перегородками, что приводит к распределению энергии по спектру возможных колебаний, и отражению акустических волн от стенок корпуса камеры под углом к поверхности среза форсунок смесительной головки, что приводит к выходу акустических волн из слоя перемешанных, но еще не сгоревших компонентов топлива, примыкающего к смесительной головке, который может усиливать проходящие через него волны.
Вторым результатом является надежное функционирование перегородки, недопущение ее подгорания.
Этот результат достигается охлаждением полой антипульсационной перегородки одним из компонентов за счет того, что она сообщена с одной стороны с входным коллектором данного компонента, а с другой - с коллектором, сообщенным с межднищевой полостью смесительной головки.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 представлен поперечный разрез камеры сгорания с полыми перегородками, состоящими из двух участков, выполненных под углом 45 градусов к стенкам камеры. На фиг. 2 представлен продольный разрез данной камеры. На фиг. 3 представлен поперечный разрез варианта камеры с неохлаждаемыми перегородками, состоящими из одного участка выполненного под углом 30 градусов. На фиг. 4 представлен поперечный разрез варианта камеры с перегородками, состоящими из двух участков выполненных под углом 45 градусов.
Камера сгорания (см. фиг. 1, 2) состоит из смесительной головки 1 и корпуса камеры 2 с участком 3 у головки, имеющим угол расширения 20 градусов. На смесительной головке установлена антипульсационная перегородка 4, которая сообщена с одной стороны с входными коллекторами 5, а с другой - с коллекторами 6, сообщенными с межднищевой полостью 7 смесительной головки, в которой установлены форсунки 8.
Компонент топлива подается во входной коллектор 5, охлаждает антипульсационную перегородку 4 и через коллектор 6 поступает в полость 7 смесительной головки 1, откуда через форсунки 8 поступает во внутреннюю полость камеры сгорания, где сгорает. В случае применения неохлаждаемой перегородки компонент поступает в форсуночную головку непосредственно или через распределительный коллектор. Второй компонент топлива
охлаждает корпус камеры и подается в смесительную головку 1, откуда через форсунки 8 поступает во внутреннюю полость камеры сгорания, где сгорает.
Возникающие при горении поперечные моды акустических колебаний распространяются между стенками корпуса камеры и перегородками. При этом за счет установки стенок и частей перегородок под углами к направлению данных мод энергия колебаний рассеивается в пространстве и по спектру колебаний. Перегородки размещают таким образом, чтобы они не располагались параллельно напротив друг друга, т.е. чтобы они не образовывали резонатор. При большом соотношении сторон сечения камеры для этого достаточно выполненных под углами к стенкам камеры перегородок, состоящих из одной части (см. фиг. 3). При уменьшении соотношения сторон перегородки приходится разделять на две части (см. фиг. 4), а при дальнейшем уменьшении соотношения - выполнять части перегородок разной длины (см. фиг. 1).
Рассеивание энергии колебаний поперечных мод в пространстве и по спектру частот приводит к уменьшению амплитуд колебаний давления на каждой из частот и, следовательно, надежной работы камеры сгорания без перехода в режим детонационного горения.