СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА
MIXING HEAD

Изобретение относится к ракетной технике, конкретнее к средствам организации смесеобразования в жидкостных ракетных двигателях малой и особо малой тяги (0,3-0,5 H) на самовоспламеняющихся компонентах топлива.
β
Известны струйные смесительные элементы с парой соударяющихся струй окислителя и горючего (основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей в 2 кн. Кн.1, под редакцией Кудрявцева В.М. Изд. 4-е. М.: «Высшая школа», 1993. Стр.178, фиг.8.2). Основным недостатком таких смесительных элементов является сложность получения стабильного результата при столкновении струй из-за отклонения осей струйных форсунок. Кроме того, в результате столкновения пары струй невозможно получение равномерного распределения компонентов топлива и равномерного (или заданного) распределения соотношения компонентов топлива по сечению камеры сгорания. Причиной этого является то, что при соударении двух струй под углом жидкость из точки столкновения растекается радиально, образуя пленку, лежащую в плоскости симметрии (в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через форсунки окислителя и горючего). Такое распределение топлива приводит к неполному сгоранию (низкое значение коэффициента полноты сгорания φ) и неравномерному нагреву стенок камеры сгорания и сопла в сечениях, перпендикулярных продольной оси камеры и сопла.
В наиболее близкой по сущности смесительной головке (см. патент РФ №2390647, заявка №2007131046 от 14.08.2007, F02K 9/52) проблема повышения равномерности распределения компонентов топлива по сечению камеры сгорания решается путем предварительного смешения компонентов топлива в смесительной камере, выполненной в виде глухого отверстия, в которую выходят форсунки окислителя и горючего, и последующего смешения раздробленных на капли струй, получения парогаза в форкамере, расширяющейся к выходу.
Известная смесительная головка предназначена, преимущественно, для ЖРДМТ тягой менее 1 Н, но т.к. смесеобразование компонентов топлива в ней происходит в капельном виде, процесс получается затянутым по времени, а результат нестабильным для геометрически одинаковых конструкций, что приводит к снижению и разбросу значений энергетических характеристик и к неудовлетворительному тепловому состоянию двигателя, т.е. частично проявляются недостатки, присущие аналогу.
Целью изобретения является обеспечение высоких энергетических и динамических характеристик ЖРДМТ особо малой тяги при удовлетворительном тепловом состоянии.
Указанная цель достигается тем, что в смесительной головке, состоящей из расширяющейся к выходу форкамеры и смесительной камеры со струйными форсунками окислителя и горючего, каналов подвода окислителя и горючего, согласно изобретению форкамера, на участке подвода струйных форсунок, имеет смесительную камеру с постоянной площадью поперечного сечения, равной 1,0÷1,2 суммарной площади поперечного сечения форсунок, и длиной, равной длине пробега совместной струи до окончания периода жидкофазной индукции топлива.
В предпочтительном варианте выполнения смесительной головки она имеет струйные форсунки с пересекающимися под углом 45-65° осями.
Смесительная камера имеет цилиндрическую форму и сопряжена с конической форкамерой, расширяющейся к выходу.
Предлагаемое решение поясняется чертежом. На приведенной фигуре показан продольный разрез головки. Смесительная головка состоит из корпуса 1, фланца 2, смесителя 3, подводящих каналов окислителя 4, подводящих каналов горючего 5, струйной форсунки окислителя 6, струйной форсунки горючего 7, смесительной камеры 8, форкамеры 9.
Площадь поперечного сечения смесительной камеры 8 подбирается таким образом, чтобы она была примерно равна 1,0÷1,2 суммы площадей поперечных сечений струйных форсунок окислителя 6 и горючего 7, 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.
-3
Период жидкофазной индукции для различных самовоспламеняющихся топлив различен. Например, для пары «азотный тетроксид + несимметричный диметилгидразин» он составляет ~0,5·10 с. Подбор длины смесительной камеры указанным способом не допускает запирания при прохождении через нее перемешанных окислителя и горючего.
Форкамера 9 выполнена расширяющейся к выходу и не допускает запирания ее при выделении из продуктов взаимодействия газофазных промежуточных продуктов и последующем резком повышении давления.
Предлагаемая смесительная головка работает следующим образом. Окислитель, пройдя через подводящие каналы 4, поступает в стройную форсунку окислителя 6, а затем - в смесительную камеру 8. Одновременно горючее, пройдя через подводящие каналы 5, поступает в струйную форсунку горючего 7, а затем - в смесительную камеру 8, где сталкивается с окислителем.
Поступившие в смесительную камеру 8 окислитель и горючее вынуждены столкнуться и перемешаться, поскольку площадь поперечного сечения смесительной камеры подбирается равной или чуть большей суммы площадей поперечных сечений струйных форсунок окислителя 6 и горючего 7. Подбор длины смесительной камеры предполагает прохождение химических реакций в жидкой фазе с образованием жидкофазных промежуточных продуктов и с выделением небольшого количества тепла, поэтому в ней исключаются повышение давления и запирание.
Далее жидкофазные промежуточные продукты поступают из смесительной камеры 8 в форкамеру 9, где и начинается активное выделение газофазных промежуточных продуктов, сопровождающееся повышением температуры и давления, усилением активности перемешивания, воспламенением и образованием продуктов неполного сгорания, которые поступают в камеру сгорания, где и завершаются процессы горения.
Предлагаемое техническое решение позволяет получить для двигателей особо малой тяги смесительную головку, обеспечивающую:
- высокую полноту сгорания топлива и, как следствие, получение высоких энергетических и динамических характеристик;
пр
- уменьшение приведенной длины камеры сгорания (L) и, как следствие, уменьшение габаритных размеров двигателя;
- удовлетворительное тепловое состояние при использовании для изготовления камеры сгорания и сопла жаропрочных материалов с жаростойким покрытием.