Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги
LOW-THRUST LIQUID-PROPELLANT ENGINE CHAMBER

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно - к организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги.
Известна камера жидкостного ракетного двигателя, состоящая из камеры сгорания, сопла, смесительной головки, двухкомпонентной центробежной форсунки с коллекторами на входе в тангенциальные каналы наружной и внутренней центробежных форсунок (п. РФ № 54102, МПК F02K 9/52, F02K 9/62).
В известной камере выполнены боковые каналы подачи топлива в коллекторы форсунок.
При проектировании конструкций камеры с целью обеспечения высоких динамических и энергетических характеристик на импульсных режимах работы двигателей малой тяги требуется минимизация заклапанных объемов, в том числе и объемов входного коллектора, при сохранении высокой равномерности распыла топлива и, как следствие, равномерности протекания рабочего процесса в камере сгорания и сопле камеры.
Наличие бокового подвода топлива в коллектор центробежной форсунки не позволяет обеспечить одинаковые условия на входе в тангенциальные каналы центробежной форсунки, что не обеспечивает достаточную равномерность распыла центробежной форсунки. Для повышения равномерности условий входа в тангенциальные каналы приходится увеличивать объем коллектора, но и это решение не позволяет решить задачу. Кроме того, это приводит к увеличению заклапанных объемов и ухудшению динамических характеристик двигателя.
В предлагаемом устройстве ставится задача устранить этот недостаток.
Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги содержит камеру сгорания, сопло и смесительную головку с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок, при этом коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен со струйными форсунками, размещенными по периферии смесительной головки, либо периферии наружной форсунки. Согласно изобретению, в коллекторе наружной форсунки на внешней ее поверхности в зоне входных тангенциальных каналов герметично установлено кольцо с дополнительным коллектором, который соединен с основным коллектором тангенциальными каналами, расположенными в плоскости, смещенной относительно плоскости входных каналов наружной центробежной форсунки и направленными в сторону, совпадающую с направлением закрутки тангенциальных каналов наружной форсунки.
Для повышения равномерности распределения компонента топлива на стенке камеры сгорания коллектор наружной форсунки сообщен с коллектором струйных форсунок через кольцевой щелевой канал.
Такое решение позволяет реализовать повышенную равномерность распределения компонента топлива в конусе распыла при меньших заклапанных объемах по сравнению с центробежной форсункой без кольца и дополнительного коллектора.
Вторым преимуществом предлагаемого решения является наличие щелевого кольцевого канала, соединяющего основной коллектор с коллектором струйных форсунок, расположенных на периферии наружной центробежной форсунки, либо на периферии смесительной головки. Данное решение позволяет подбором ширины щели обеспечить равные условия на входе в струйные форсунки, а значит наименьшую разнорасходность струй между собой, тем самым повысить однородность рабочего процесса в камере сгорания и сопле, а также обеспечить повышенную равномерность температуры внутренней и наружной поверхностей камеры сгорания и сопла.
В целом предлагаемое техническое решение позволяет повысить в широком диапазоне входных условий энергетические и динамические характеристики двигателя.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид камеры, на фиг. 2 приведена схема двухкомпонентной форсунки с расположенными по периферии струйными форсунками.
Камера 1 состоит из камеры сгорания 2, сопла 3, смесительной головки 4 с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой 5 с соответствующими коллекторами 6 и 7 компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы 8 и 9, наружной центробежной форсунки 10 и внутренней центробежной форсунки 11, а коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен через щелевой кольцевой канал 12 с коллектором 13, струйных форсунок 14.
В коллекторе наружной центробежной форсунки установлено герметично кольцо 15 с дополнительным коллектором 16, который сообщен с основным коллектором тангенциальными каналами 17, направленными в ту же сторону, что и тангенциальные каналы 8 наружной центробежной форсунки. С целью достижения более высокой равномерности, плоскость расположения тангенциальных каналов 17, соединяющих дополнительный коллектор с основным, смещена относительно плоскости расположения тангенциальных каналов 8 наружной центробежной форсунки. Дополнительный коллектор может быть выполнен в виде кольцевой канавки 18 (показана условно) на поверхности наружной форсунки в зоне входных тангенциальных каналов 8 наружной центробежной форсунки.
Внутренняя центробежная форсунка 11 имеет торцевую заглушку 19, образующую коллектор 7 с осевым подводом 20 компонента топлива, позволяющим создать равные условия на входе в тангенциальные каналы 9.
Каналы 21 и 22 предназначены для подачи компонентов топлива соответственно в коллекторы 6 и 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче команды на запуск компоненты топлива по каналам 21 и 22 поступают в коллекторы 6 и 7 наружной 10 и внутренней 11 форсунок. Далее часть топлива для наружной форсунки поступает через щелевой канал 12 в коллектор струйных форсунок 13 и через струйные форсунки 14 истекает в камеру сгорания. Вторая часть топлива поступает через тангенциальные каналы 17, совпадающие с направлением тангенциальных каналов 8 центробежной форсунки, в дополнительный коллектор 16 (18). При этом за счет последовательного двухступенчатого движения жидкости через тангенциальные каналы, а также за счет смещения плоскости осей тангенциальных каналов 17 дополнительного коллектора относительно плоскости осей тангенциальных каналов 8 наружной форсунки 10 обеспечивается высокая равномерность расхода по сечению в сопле форсунки 10 и, как следствие, равномерность распыла форсунки в целом.
Второй компонент топлива, поступающий через канал 22 и осевой подвод 20, равномерно растекается по коллектору 7, чем создаются равные условия на входах тангенциальных каналов 9 внутренней форсунки 11. Столкновение пелен компонентов топлива происходит в районе среза сопел соосных центробежных форсунок 10 и 11. Равномерное распределение компонентов топлива по периметру способствует устойчивому протеканию процессов воспламенения и горения в объеме камеры сгорания 2. Продукты сгорания ускоряются в процессе расширения в сопле 3 и создают необходимое управляющее усилие двигателя.
Данное решение позволяет существенно уменьшить объем кольцевого коллектора 6 за счет заполнения его дополнительным коллектором 15 и сократить его геометрические размеры, т.к. не требуется значительный объем для выравнивания входных параметров компонента топлива в тангенциальные каналы 8.