СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ ЖРД, РАБОТАЮЩЕГО ПО СХЕМЕ С ДОЖИГАНИЕМ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА
MIXING HEAD OF LPE CHAMBER OPERATING ACCORDING TO SCHEME WITH AFTERBURNING OF GENERATOR GAS

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании регулируемых ракетных двигателей.
В настоящее время большинство ракетных двигателей для обеспечения высокой экономичности работают по схеме с дожиганием генераторного газа, когда один из компонентов топлива поступает в головку камеры в газообразном виде, а другой - в жидком.
Одной из основных проблем при создании ЖРД с изменяемой тягой является получение высокого значения удельного импульса на различных режимах работы двигателя. Регулирование тяги в таких двигателях производится изменением расхода компонентов топлива через форсунки смесительной головки.
Уменьшение расхода жидкого компонента топлива приводит к квадратичному изменению перепада давления на форсунках, а газообразного - к линейному. При режиме меньше номинального, изменение перепада давления на форсунках приводит к ухудшению условий смесеобразования, уменьшению полноты сгорания топлива и, соответственно, потерям удельного импульса тяги. Кроме этого, на малых режимах работы двигателя, из-за низкого значения перепада давления на форсунках, возникает неустойчивое горение в камере сгорания, что приводит к ее разрушению.
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.), коаксиальная смесительная головка ЖРД (патент США №[15].3.699.722 от 24.10.1972 г.), которые позволяют реализовать дросселирование с высокой экономичностью.
Но основной недостаток всех этих конструкций - большая сложность, а главное, невозможность их реализации в смесительных головках двигателей ЖРД больших тяг, в головках которых выполняется от 200 до 500 смесительных элементов.
Известна конструкция соосноструйной форсунки, описанная в патенте на изобретение №2171427 от 20.09.1999 г. (принятая за прототип), в которой для повышения удельного импульса тяги на режимах дросселирования в стенке наконечника, выполненного в виде полого цилиндра, выполнены отверстия, соединяющие газовую полость форсунки с жидкой полостью. Наличие отверстий обеспечивает на режимах дросселирования поступление части газообразного компонента в жидкий, что приводит к изменению струи жидкого компонента, увеличивает периметр контакта одного компонента с другим, что улучшает смесеобразование и повышает значение удельного импульса.
Но основным недостатком данной конструкции является невозможность выполнения глубокого регулирования тяги из-за ограниченного количества поступления газообразного компонента в жидкий и обеспечения высокого значения удельного импульса тяги.
Поставленная задача достигается тем, что в смесительной головке камеры ЖРД, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа, содержащей магистрали подвода генераторного газа и жидкого компонента, корпус и огневое днище с закрепленными между ними с помощью пайки и гаек двухкомпонентными форсунками, в стенках которых выполнены отверстия для подачи жидкого компонента, согласно изложению:
- 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;
- плунжер выполнен с козырьком с одного конца и двумя уступами под пружину с другого конца;
- на внутренних поверхностях плунжера и гильзы выполнены лабиринтные канавки;
- кольцо установлено в гильзу герметично;
- внутренние и наружные поверхности плунжера покрыты серебром.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, изложенными на фиг. 1, 2 и 3.
На фиг. 1 показано положение элементов смесительной головки в исходном положении, где двухкомпонентная форсунка 1 соединена с корпусом головки 2 с помощью пайки и с огневым днищем 3 гайкой 4. Плунжер 5 поджат пружиной 6 до упора на форсунке 1;
7 - полость жидкого компонента;
8 - гильза;
9 - кольцо;
10 - отверстия в форсунке 1;
11 - дополнительные отверстия, соединяющие внутреннюю полость 12 гильзы 8 с полостью 13 форсунки 1;
12 - полость гильзы 8;
13 - внутренняя полость форсунки 1;
14 - уступы под пружину на плунжере 5;
15 - козырек плунжера 5.
На фиг. 2 показано положение плунжера 5 в исходном положении, когда он упирается в уступ 16 форсунки 1;
16 - уступ;
17 - лабиринтные канавки на плунжере 5.
На фиг. 3 показано положение плунжера 5 при работе двигателя на номинальном режиме, где
18 - лабиринтные канавки на поверхности гильзы 8.
Покрытие поверхностей плунжера серебром уменьшает силы трения в трущихся парах.
Смесительная головка работает следующим образом. В исходном положении плунжер 5 поджат пружиной 6 до упора в уступ 16, при этом он перекрывает ряды отверстий 10 форсунки 1.
При выходе двигателя на номинальный (основной) режим, в полости жидкого компонента 7 между корпусом 2, огневым днищем 3 и форсунками 1 происходит повышение давления. В результате повышения давления появляется усилие на плунжер 5, которое заставляет плунжер 5 постепенно перемещаться и открывать ряды отверстий 10 форсунки 1.
При перемещении плунжера жидкость из полости 12 гильзы 8 через дополнительные отверстия 11 вытекает в полость 13 форсунки 1, обеспечивая плавное перемещение плунжера 5.
На номинальном установившемся режиме плунжер 5 под действием усилия установившегося давления находится в крайнем положении, при этом все ряды отверстий 10 открыты и жидкий компонент из полости 7 головки поступает во внутренние полости 13 форсунок 1.
Такое положение плунжера 5 сохраняется в течение всего времени работы двигателя на номинальном режиме.
При переходе двигателя на режим дросселирования (за счет уменьшения расхода топлива) давление в полости жидкого компонента 7 уменьшается, и под действием усилия пружины 6 на уступы 14 плунжер 5 перемещается из крайнего положения, перекрывая постепенно часть рядов отверстий 10. При этом расход жидкого компонента из полости головки 7 в полости 13 форсунок 1 уменьшается, а перепад давления на форсунках 1 по жидкой линии сохраняется достаточным для обеспечения качественного смесеобразования и устойчивой работы камеры сгорания.
Такое динамическое положение плунжера 5 сохраняется в течение всего режима дросселирования. При переходе двигателя на номинальный режим работы давление в полости 7 жидкого компонента увеличивается, и под действием возникшего усилия плунжер 5 перемещается, сжимая пружину 6 и открывая постепенно все ряды отверстий 10, при этом жидкий компонент через дополнительные отверстия 11 вытекает из полости 12 гильзы 8 в полость 13 форсунки 1.
При выключении двигателя давление в полости 7 падает, и плунжер 5 под действием усилия пружины 6 возвращается в исходное положение в упор до уступа 16 форсунки 1.
Предложенная конструкция смесительной головки позволяет получить глубокое дросселирование по жидкому компоненту топлива, сохраняя высокий перепад на форсунке 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.