СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА
COAXIAL SPRAY NOZZLE

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя.
Одной из основных проблем, возникающих при создании устройств, предназначенных для перемешивания и распыления компонентов топлива, является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов топлива.
Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения - полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е. Алемасов и др. "Теория ракетных двигателей": Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1980, рис. 18.2, стр. 225-226).
В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего - форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива и, соответственно, к потерям удельного импульса тяги.
Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания. Внутренняя полость втулки выполнена профилированной в виде цилиндрических поверхностей различного диаметра и длины, образующих, по крайней мере, один кольцевой конфузор. Выходное сечение наконечника расположено от выходного сечения втулки на расстоянии, равном 0-1,3 внутреннего диаметра наконечника, а в наконечнике, перед кольцевым конфузором, на расстоянии, равном 1-4 внутреннего диаметра наконечника от выходного сечения втулки, выполнены сквозные каналы, площадь которых меньше площади проходного сечения наконечника (Патент РФ №2171427, MПK F02K 9/52, F23D 11/10 - прототип).
Данная соосно-струйная форсунка работает следующим образом.
Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.
Горючее из полости горючего по кольцевому каналу между наконечником и втулкой подается в камеру сгорания. В месте расположения сквозных каналов, выполненных в наконечнике, перед кольцевым конфузором, горючее разделяется на две части. Одна часть горючего поступает в полость камеры сгорания, проходя через конфузор и кольцевой канал, образованный наконечником и втулкой. Вторая часть горючего поступает в сквозные каналы наконечника. Так как давление горючего перед сквозными каналами больше давления окислителя внутри наконечника, горючее поступает по сквозным каналам в канал наконечника. Струи горючего, поступающего по сквозным каналам, деформируют сплошную струю окислителя, придавая ей на выходе из наконечника форму звезды с несколькими радиальными лучами, по числу сквозных каналов. Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную позволяет улучшить условия разрушения струи, уменьшить характерный поперечный размер струи окислителя и увеличить периметр контакта окислителя с горючим. Таким образом, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается.
Основным недостатком данной соосно-струйной форсунки является недостаточно высокое значение полноты сгорания компонентов топлива, обусловленное несовершенством принятой схемы смесеобразования.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка и повышение полноты сгорания компонентов топлива за счет улучшения качества смесеобразования.
Решение указанной задачи достигается тем, что предложенная соосно-струйная форсунка, преимущественно для камеры жидкостного ракетного двигателя, согласно изобретению содержит наконечник с профилированным осевым каналом, соединяющим полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, причем на цилиндрической поверхности наконечника выполнены радиальные отверстия, равномерно расположенные по окружности и соединяющие осевой канал наконечника с внутренней полостью втулки.
Предлагаемая соосно-струйная форсунка, преимущественно для камер жидкостного ракетного двигателя, за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение полноты сгорания компонентов топлива за счет улучшения качества смесеобразования.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид форсунки в продольном разрезе в составе смесительной головки камеры жидкостного ракетного двигателя, на фиг. 2 - сечение Α-A форсунки, на фиг. 3 - сечение Б-Б форсунки.
Предложенная соосно-струйная форсунка содержит наконечник 1 с профилированным осевым каналом 2, соединяющим полость окислителя 3 с полостью камеры сгорания 4, и втулку 5, охватывающую с кольцевым зазором наконечник 1 и соединяющую полость горючего 6 с полостью камеры сгорания 4, при этом в выходной части наконечника 1 выполнены пилоны 7, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки 5 и центрирующие наконечник 1 относительно втулки 5, причем на цилиндрической поверхности наконечника 1 выполнены радиальные отверстия 8, равномерно расположенные по окружности и соединяющие осевой канал 2 наконечника 1 с внутренней полостью втулки.
Предложенная соосно-струйная форсунка работает следующим образом.
Горючее, поступающее из полости горючего 6 смесительной головки в соосно-струйную форсунку, разделяется на две части. Первая часть горючего, через радиальные отверстия 8, поступает в профилированный осевой канал 2 наконечника 1. Струя горючего, выходящая из каждого радиального отверстия 8, внедряется в поперечный поток жидкого окислителя, поступающего из полости окислителя 3 смесительной головки по профилированному осевому каналу 2 наконечника 1 в полость камеры сгорания 4, и интенсивно смешивается с ним. Распределенное в потоке жидкого окислителя в виде пузырьков газа горючее сжимается до давления жидкого окислителя и частично растворяется в нем. При истечении жидкого окислителя из наконечника 1 в полость камеры сгорания 4 давление в пузырьках горючего быстро сбрасывается до давления в полости камеры сгорания 4, при этом происходит резкое расширение пузырьков, что приводит к распаду струи окислителя на мелкие капли.
Вторая часть горючего поступает в полость камеры сгорания 4, проходя через кольцевой канал, образованный наконечником 1 и втулкой 5, где взаимодействует со струей газожидкостной смеси. Происходит дробление струи газожидкостной смеси спутной струей газообразного горючего, имеющей форму полого конуса, вблизи выхода форсунки.
Использование предложенного технического решения позволит повысить полноту сгорания компонентов топлива за счет улучшения качества смесеобразования.