СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ГАЗОГЕНЕРАТОРА ЖРД
MIXING HEAD OF THE LPE GAS GENERATOR

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании регулируемых ракетных двигателей.
Одной из основных проблем при создании ЖРД с изменяемой тягой является получение высокой экономичности на различных режимах работы двигателя. Регулирование тяги в таких двигателях производится регулированием компонентов топлива через форсунки смесительной головки.
Особую проблему представляет регулирование расходов компонентов топлива в газогенераторе, куда поступают оба компонента в жидком виде.
Известно много конструкций штифтовых форсунок (например, патент США №US 7.703.274.В2 от 27.04.2010 г.), наконечник штифтовой форсунки с активным охлаждением (патент США №US 7.503.511.В2 от 27.04.2009 г.), подвижная смесительная головка для ракетного двигателя (патент США [19] №60/39:74А от 26.04.1971 г.), которые позволяют реализовать дросселирование с высокой экономичностью.
Но основной недостаток этих конструкций - большая сложность, а главное, невозможность их реализации в смесительных головках газогенераторов ЖРД больших тяг, в головках которых выполняется до 100÷150 смесительных элементов.
Известна конструкция смесительной головки камеры ЖРД, работающей по схеме с дожиганием генераторного газа, описанная в патенте RU 2742216 С1 (принятая за прототип), в которой для регулирования расхода жидкого компонента топлива, в полости жидкого компонента между корпусом и огневым днищем на наружной поверхности форсунок выполнен уступ, в который упирается подпружиненный плунжер, на наружной поверхности которого расположена гильза, соединенная с кольцом, установленным на наружной поверхности гайки, а в форсунке выполнены дополнительные тангенциальные отверстия, соединяющие внутреннюю полость гильзы с полостью форсунки.
Недостатком данной конструкции является невозможность выполнения глубокого регулирования из-за ограниченного количества регулирующих элементов, и регулирование осуществляется только по одному компоненту топлива.
Поставленная задача решается тем, что в смесительной головке газогенератора ЖРД, содержащей патрубки подвода жидких компонентов топлива, корпус и огневое днище с закрепленными между ними с помощью пайки и гаек двухкомпонентных форсунок, в стенках которых выполнены отверстия для поступления жидких компонентов топлива, согласно изложению:
- по линии малого расхода первого компонента топлива на форсунке выполнены упоры и центральное отверстие, на форсунку установлен поршень с плунжером с кромкой, поршень взаимодействует с центральным отверстием форсунки и контактирует с упорами форсунки, плунжер взаимодействует с наружной поверхностью форсунки и кромкой контактирует с боковыми отверстиями форсунки для протекания первого компонента, по линии расхода второго компонента топлива на форсунке выполнена гильза со ступенчатыми поверхностями и с упорами, на которую установлен подпружиненный плунжер с кромкой, плунжер взаимодействует со ступенчатыми поверхностями гильзы и контактирует с упорами гильзы и кромкой с боковыми отверстиями для протока второго компонента, по дополнительной линии расхода второго компонента в форсунке по периферии в стенке вокруг центрального отверстия форсунки выполнена проточка с упором, в которую до упора установлена гильза, взаимодействующая по наружной поверхности с поверхностью проточки огневого днища, в гильзе выполнены ступенчатые отверстия, в которые установлены подпружиненные плунжера с головками, имеющими конические поверхности, взаимодействующие со ступенчатыми поверхностями гильзы, и два упора, один из которых взаимодействует с упором форсунки, в проточку огневого днища герметично установлена втулка с отверстиями, кромки которых контактируют с коническими поверхностями головок плунжеров, и тонкостенным усиком и торцами, взаимодействующим с торцем огневого днища, торцем с торцем гайки и другим торцем с торцем гильзы;
- в гильзах второго компонента топлива выполнены отверстия между ступенями гильз, сообщающиеся с центральным отверстием форсунки;
- в форсунке со стороны малого расхода первого компонента топлива упор для поршня в центральном отверстии выполнен коническим;
- трущиеся поверхности поршня с плунжером, плунжеры расхода второго компонента топлива и дополнительного расхода второго компонента топлива покрыты износостойким покрытием, например, серебром.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, изображенными на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 показано положение регулирующих элементов форсунки газогенератора в исходном положении (на номинальном режиме), где двухкомпонентная форсунка 1 соединена с корпусом 2 пайкой и огневым днищем 3 гайкой 4;
5 - упор по линии расхода первого компонента;
6 - центральное отверстие;
7 - второй упор по линии расхода первого компонента;
8 - поршень;
9 - плунжер с кромкой 10;
11 - наружная поверхность форсунки;
12 - боковые отверстия в форсунке для протока первого компонента;
13 - гильза со ступенчатыми поверхностями 14 форсунки 1;
15 - упор;
16 - подпружиненный плунжер с кромкой 17;
18 - второй упор;
19 - боковые отверстия для протока второго компонента;
20 - стенка форсунки;
21 - центральное отверстие;
22 - проточка;
23 - упор форсунки;
24 - гильза;
25 - проточка огневого днища;
26 - ступенчатые отверстия;
27 - плунжер с головкой 28;
29 - коническая поверхность головки плунжера;
30 - упор гильзы 24;
31 - втулка;
32 - отверстия втулки;
33 - кромка отверстия;
34 - тонкостенный усик с торцем 35;
36 - торец втулки 31;
37 - торец огневого днища;
38 - торец головки плунжера 27;
39 - торец гильзы 24 для головки плунжера 27;
40 - торец гильзы 24 для втулки 31;
41 - отверстия;
42 - отверстия.
На фиг. 2 показано расположение регулирующих элементов форсунки на режиме дросселирования, плунжеры 9, 16 и 27 перемещаются до упоров 7, 18, 33 и перекрывают ряд отверстий 12, 19 кромками 10 и 17 и все отверстия 32 коническими поверхностями 29 головок плунжеров 27.
Смесительная головка газогенератора работает следующим образом.
На номинальном режиме в двухкомпонентной форсунке 1, соединенной с корпусом 2 пайкой и огневым днищем 3 с помощью гайки 4 элементы регулирования находятся в следующем состоянии:
- поршень 8 с плунжером 9 и кромкой 10 находятся во взаимодействии с центральным отверстием 6 и наружной поверхностью форсунки 11. При этом под действием перепада давления первого компонента, действующего на поршень 8, плунжер 9 поджат до упора 5, открывая полный расход первого компонента через боковые отверстия 12;
- под действием перепада второго компонента плунжер 16 с кромкой 17 взаимодействует со ступенчатой поверхностью 14 гильзы 13, выполненной на форсунке 1, поджат до упора 15, открывая отверстия 19 для поступления полного расхода второго компонента;
- в стенке 20 форсунки 1 в проточке 22 с упором 23 находится гильза 24, взаимодействующая наружной поверхностью проточки 25 огневого днища 3 и торцем 30 с упором форсунки 23. В гильзе 24 в ступенчатых отверстиях 26 под действием перепада дополнительного второго компонента находятся поджатые плунжеры 27 торцем 38 к торцу гильзы 39, при этом гильза своим упором 30 находится в контакте с упором 23 форсунки 1;
- в проточке 25 огневого днища 3 находится втулка 31 с отверстиями 32, которая тонкостенным усиком 34 взаимодействует с торцем 37 огневого днища 3, торцем 35 - с торцем гайки 4, торцем 36 - с торцем 40 гильзы 24, при этом обеспечивается полный проток дополнительного второго компонента через отверстия 21;
- лабиринтные уплотнения, выполненные на поршне 8, в плунжере 16 и гильзе 24, уменьшают утечки компонентов топлива в центральные отверстия 6 и 21 форсунки 1.
По команде двигателя на выполнение дросселированного режима регулирующие элементы форсунки под действием пониженного перепада давления устанавливаются в положение, указанное на фиг. 2.
При этом работа регулирующих элементов происходит следующим образом:
- при пониженном перепаде давления плунжеры 9,16 и 27 перемещаются до упоров 7, 18 и 33, перекрывая при этом ряд боковых отверстий 12, 19 и все отверстия 32, что приводит к уменьшению расходов компонентов топлива по обеим линиям, при повышенном перепаде давления (в исходном положении) плунжеры 9, 16 и 27 перемещаются до упоров 5, 15 и 39, открывая при этом все боковые отверстия 12, 19 и все отверстия 32, что приводит к полному расходу компонентов топлива по обеим линиям;
- утечки второго компонента по ступенчатым поверхностям гильз 16 и 27 сбрасываются в отверстие 21 форсунки через отверстия 41 и 42. Утечки по поршню 8 сбрасываются в отверстие 21.
Предложенная конструкция смесительной головки позволяет получить глубокое дросселирование по обоим компонентам топлива, сохраняя высокий перепад на форсунке по обеим линиям и обеспечивая высокую полноту сгорания компонентов топлива.
Использование предложенного технического решения позволяет повысить удельный импульс тяги на режимах дросселирования и обеспечить устойчивую работу смесительной головки газогенератора.