ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ
INJECTION ELEMENT

Область техники
Настоящее изобретение относится к инжекционному элементу для инжекции двух компонентов топлива в камеру сгорания, в частности, предназначенному для ракетного двигателя с, по меньшей мере, одной камерой сгорания, содержащей инжектор с одним или множеством инжекционных элементов. Более конкретно, изобретение относится к усовершенствованию инжекционного элемента в его нижней по потоку части, где происходит смешивание двух компонентов топлива, с целью снижения акустического шума в камере сгорания.
Уровень техники
В патентном документе FR 2712030 А1 описан инжектор двух компонентов топлива в камеру сгорания ракетного двигателя, содержащий систему подачи, в которой множество инжекционных элементов расположены параллельно друг другу по осесимметричной схеме на поверхности конструкции, называемой круглой «инжекционной плитой» и образующей часть инжектора. Таким образом, эта инжекционная плита может быть связана с достаточно большим числом инжекционных элементов, например, до сотни или больше, суммарный расход которых определяет общий расход двигателя.
В этом инжекторе уровня техники каждый инжекционный элемент содержит первый трубчатый канал для инжекции первого компонента топлива и второй канал для инжекции второго компонента топлива, причем второй канал выполнен кольцевым, расположенным коаксиально снаружи первого канала и смежно, т.е. примыкающим к нему.
В данном контексте под «кольцевым каналом» имеется в виду канал, радиальное сечение которого имеет кольцевое проходное сечение, тогда как под «трубчатым каналом» имеется в виду канал с полным поперечным сечением. Кроме того, термины «верхний по потоку» и «нижний по потоку» определяются в зависимости от направления течения компонентов топлива.
Таким образом, в инжекторе по FR 2712030 А1 компоненты топлива инжектируются в камеру сгорания через коаксиальные каналы инжекционных элементов, и турбулентность, вызываемая в приграничных слоях между двумя концентричными и смежными потоками, может обеспечивать равномерное смешивание двух компонентов топлива посредством пересечения их течений.
Однако, исходя из этой базовой концепции, когда один канал является кольцевым, возникают трудности в изменении геометрических параметров для увеличения индивидуальной производительности (расхода) инжекционного элемента без ухудшения качества инжекции и сгорания.
Кроме того, такая камера сгорания при функционировании может генерировать шум сгорания, который может даже вступать в сильное акустическое взаимодействие с режимами собственных колебаний камеры. При этом акустические (звуковые) колебания могут входить в резонанс и достигать амплитуд, способных вызывать необратимые повреждения камеры сгорания и инжектора.
Делались попытки снизить акустический уровень в таких камерах сгорания с помощью демпфирующих устройств на периферии инжекционной плиты. Чаще всего в качестве демпферов используются дефлекторы («отражательные щитки») и акустические полости. Однако эти демпфирующие устройства имеют серьезные недостатки в отношении увеличения массы, загромождения пространства, сложности и высокой стоимости изготовления камеры сгорания. Кроме того, они требуют дополнительных испытаний для оценки, в частности, их термомеханической стойкости в чрезвычайно тяжелых условиях окружающей среды.
Раскрытие изобретения
Соответственно, настоящее изобретение имеет целью предложить инжекционный элемент, который позволяет устранить данные недостатки.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что первый канал выполнен также кольцевым, окружающим центральное тело инжекционного элемента, причем центральное тело содержит, по меньшей мере, одну полость, сообщающуюся с наружной поверхностью центрального тела и выполненную с возможностью демпфирования, по меньшей мере, одной предварительно заданной звуковой частоты f.
Благодаря такому решению можно снижать проходное сечение для первого компонента топлива, циркулирующего в первом канале, за счет подбора диаметра центрального тела. В результате, даже если увеличивают проходные сечения всех каналов для повышения расхода инжекционного элемента, при этом можно обеспечить, чтобы скорость компонента топлива в первом кольцевом канале не уменьшалась при прочих равных условиях. Таким образом, качество инжекции и сгорания может поддерживаться независимо от задания размеров инжекционного элемента. Кроме того, выполнение полости акустического демпфирования в центральном теле обеспечивает возможность ее интегрирования в инжекторе без дополнительно требуемого пространства и расположения средств демпфирования в непосредственной близости к источнику шума.
o
В некоторых примерах выполнения эта полость акустического демпфирования выполнена в виде резонатора Гельмгольца, имеет объем V и сообщается с наружной поверхностью центрального тела через отверстие с сечением А и длиной I. Такой резонатор Гельмгольца имеет собственную звуковую частоту f в соответствии с уравнением:
где с представляет собой скорость распространения звука в текучей среде, содержащейся в полости. Резонатор Гельмгольца, приведенный в соответствии с предварительно заданной частотой f возбуждения, позволяет рассеивать, по меньшей мере, часть энергии звуковых волн на этой частоте.
В частном примере выполнения инжекционного элемента отверстие, соединяющее полость с наружной поверхностью центрального тела, по существу коаксиально первому и второму каналам. При этом отверстие ориентировано в направлении, в котором проходит наибольшая часть шума сгорания.
В альтернативном примере выполнения полость сообщается непосредственно с первым каналом через отверстие, которое выполнено латерально в наружной поверхности. Это обеспечивает демпфирование звуковых волн, распространяющихся в направлении вверх по потоку по первому каналу.
o
Альтернативно выполнению в виде резонатора Гельмгольца в других примерах выполнения полость выполнена в виде осевого отверстия в центральном теле, имеющего длину I, по существу эквивалентную одной четвертой длины λ волны, соответствующей предварительно заданной звуковой частоте f. В настоящем контексте под осевой ориентацией имеется в виду направление течения компонентов топлива. При этом полость образует трубу в одну четверть волны, позволяющую гасить звуковые волны частоты f.
Для дальнейшего улучшения смешивания двух компонентов топлива в нижней части по потоку инжекционный элемент в соответствии с некоторыми примерами выполнения дополнительно содержит третий канал, предназначенный для инжекции первого компонента топлива, причем этот третий канал коаксиален первому и второму каналам и расположен снаружи второго канала смежно ему. При этом двойное пересечение истечения второго компонента топлива между внутренним и наружным потоками первого компонента топлива может способствовать еще лучшей гомогенизации смеси.
Изобретение относится также к инжектору, содержащему, по меньшей мере, один вышеописанный инжекционный элемент, к камере сгорания, содержащей, по меньшей мере, один такой инжектор, и к ракетному двигателю, содержащему, по меньшей мере, одну такую камеру сгорания. В настоящем контексте под «камерой сгорания» имеется в виду не только однокомпонентная основная камера сгорания ракетного двигателя, но также, кроме прочего, один или множество компонентов многокомпонентной камеры сгорания, предкамера ступенчатого двигателя внутреннего сгорания или газогенератор, например, для привода в действие турбонасоса подачи компонентов топлива.
Изобретение относится также к способу демпфирования шума сгорания в камере сгорания, в котором предварительно заданную звуковую частоту f демпфируют в полости центрального тела инжекционного элемента для инжекции смеси двух компонентов топлива в камеру сгорания, причем инжекционный элемент содержит, по меньшей мере, один первый кольцевой канал для инжекции первого компонента топлива, расположенный снаружи центрального тела и примыкающий к нему, и второй кольцевой канал для инжекции второго компонента топлива, расположенный коаксиально снаружи первого канала и примыкающий к нему. В частности, но не обязательно этот инжекционный элемент может дополнительно содержать третий канал, предназначенный для инжекции также первого компонента топлива, причем этот третий канал коаксиален первому и второму каналам, расположен снаружи второго канала и примыкает к нему.
Краткий перечень чертежей
Изобретение будет пояснено, а его преимущества будут лучше понятны из последующего подробного описания трех примеров осуществления, представленных в качестве иллюстраций и не имеющих ограничительного характера. В описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 схематично изображает ракетный двигатель на жидких компонентах топлива;
фиг. 2а, 2b и 2с изображают в продольном разрезе инжекционные элементы в первом, втором и третьем примерах выполнения;
фиг. 3а, 3b и 3c изображают в продольном разрезе инжекционные элементы в четвертом, пятом и шестом примерах выполнения.
Осуществление изобретения
Ракетный двигатель 1 на жидких компонентах топлива, в частности, на криогенных жидких компонентах топлива, схематично показан на фиг. 1. Ракетный двигатель 1 содержит резервуар 2 для первого компонента топлива, резервуар 3 для второго компонента топлива, газогенератор 4, питаемый первым и вторым компонентами топлива, турбонасос 5, приводимый газами сгорания от газогенератора 4, основную камеру 6 сгорания, питаемую компонентами топлива с помощью турбонасоса 5, и сужающееся-расширяющееся сопло 7 для получения тяги посредством выброса газов сгорания, генерируемых в основной камере 6 сгорания.
Для обеспечения эффективного сгорания как в газогенераторе 4, так и в основной камере 6 сгорания эти конструктивные составляющие содержат элементы для инжекции компонентов топлива, позволяющие получать однородную смесь и равномерное распределение компонентов топлива. В типичном случае инжекционные элементы установлены на инжекционной плите, к которой подаются инжектируемые компоненты топлива.
На фиг. 2а показана оконечная часть инжекционного элемента 201 тройной коаксиальной конструкции для инжекции и смешивания двух компонентов Е1, Е2 топлива. Инжекционный элемент 201 имеет ось X симметрии, которая является также основной осью истечения компонентов Е1, Е2 топлива. На чертеже не показано, каким образом различные конструктивные части инжекционного элемента установлены по отношению друг к другу и удерживаются в своих относительных положениях, будучи присоединенными к двум контурам подачи компонентов Е1, Е2 топлива.
Инжекционный элемент 201 содержит в своей оконечной части три трубчатые стенки 202, 203, 204, расположенные концентрично вокруг центрального тела 205 с образованием первого, второго и третьего коаксиальных кольцевых каналов 206, 207, 208. Отступ RE определен между концом наружной оболочки, то есть наружной трубчатой стенки 204, и промежуточными стенками 202, 203. Наружная стенка 204 может быть частью самой инжекционной плиты, а промежуточные стенки 202, 203 могут быть встроены в единое тело сверху по потоку.
Первый и третий каналы 206, 208 предназначены для инжекции первого компонента Е1 топлива, а второй канал 207, расположенный радиально снаружи первому каналу 206 и смежно ему и изнутри третьего канала 208 и смежно ему, предназначен для инжекции второго компонента Е2 топлива. Во время функционирования инжекционного элемента 201 первый и второй компоненты Е1, Е2 топлива инжектируются с различными скоростями, и пересечение кольцевого потока второго компонента Е2 топлива на протяжении отступа RE изнутри и снаружи создает турбулентность в потоках двух компонентов Е1, Е2 топлива, обеспечивая однородное смешивание двух компонентов Е1, Е2 топлива. Кроме того, поскольку три канала 206, 207 и 208 являются кольцевыми, получение требуемого общего расхода компонентов топлива может быть легко достигнуто заданием размеров инжекционного элемента 201.
В этом первом примере выполнения центральное тело 205 содержит полость 209 объемом V, закрытую пластиной 210 со сквозным отверстием 211, выровненном по центральной оси X инжекционного элемента. Отверстие 211 имеет проходное сечение А и длину l0 и сообщается с полостью 209, имеющей наружную поверхность 212 центрального тела 205, на стороне, обращенной к камере 213 сгорания. Таким образом, полость 209 с отверстием 211 образуют резонатор Гельмгольца с собственной частотой f в соответствии с уравнением:
Благодаря резонатору Гельмгольца можно рассеивать, по меньшей мере, часть акустической энергии, выделяемой при сгорании с этой частотой f. При задании соответствующих размеров полости 209 и отверстия 211 может быть эффективно демпфирован шум сгорания предварительно определенной частоты f, например, частоты, которая может вызывать явления резонанса конструкции камеры сгорания.
Во втором примере выполнения, показанном на фиг. 2b, инжекционный элемент 201 также является элементом тройного коаксиального типа с тремя трубчатыми стенками 202, 203, 204, образующими первый, второй и третий кольцевые коаксиальные каналы 206, 207, 208, расположенные концентрично вокруг центрального тела 205. Как и в первом примере выполнения, отступ RE определен между концом наружной оболочки, то есть наружной трубчатой стенки 204, и промежуточными стенками 202 и 203. Первый и третий каналы 206, 208 также предназначены для инжекции первого компонента Е1 топлива, а второй канал 207, расположенный радиально снаружи первого канала 206 и смежно ему и изнутри третьего канала 208 и смежно ему, предназначен для инжекции второго компонента Е2 топлива.
Однако во втором примере выполнения отверстие 211 выполнено не в пластине 210, закрывающей полость 209 центрального тела 205, а латерально в наружной поверхности 212 центрального тела 205, таким образом, что полость 209 сообщается непосредственно с первым каналом 206 для демпфирования звуковых волн, распространяющихся в отступе RE и в первом канале 206.
В третьем примере выполнения, показанном на фиг. 2с, инжекционный элемент 201 также является элементом тройного коаксиального типа с тремя трубчатыми стенками 202, 203, 204, образующими первый, второй и третий кольцевые коаксиальные каналы 206, 207, 208, расположенными концентрично вокруг центрального тела 205. Как и в первом и во втором примерах выполнения, отступ RE определен между концом наружной оболочки, то есть наружной трубчатой стенки 204, и промежуточными стенками 202 и 203. Первый и третий каналы 206, 208 также предназначены для инжекции первого компонента Е1 топлива, а второй канал 207, расположенный радиально снаружи первого канала 206 и смежно ему и изнутри третьего канала 208 и смежно ему, предназначен для инжекции второго компонента Е2 топлива.
p
В этом третьем примере выполнения полость 208 не закрыта пластиной, а выполнена в виде глухого осевого отверстия диаметром d в центральном теле 205, открытого в направлении к камере 213 сгорания, и имеет глубину I, по существу равную одной четвертой длины λ волны, соответствующей предварительно заданной звуковой частоте f, которую намерены демпфировать. Таким образом, полость 209 функционирует в качестве четвертьволновой трубы для демпфирования шумов сгорания во время работы камеры 213 сгорания.
Хотя первый, второй и третий примеры выполнения касаются тройного коаксиального инжекционного элемента, та же самая концепция может быть применена к простым коаксиальным инжекционным элементам. Так, в четвертом примере выполнения, показанном на фиг. 3а, инжекционный элемент 201 содержит в своей оконечной части две концентричные трубчатые стенки 202, 204 вокруг центрального тела 205 с образованием первого и второго кольцевых и коаксиальных каналов 206, 207. Отступ RE определен между концом наружной оболочки, то есть наружной трубчатой стенки 204, и промежуточной стенкой 202. Стенка 204 может быть частью самой инжекционной плиты.
Первый канал 206 предназначен для инжекции первого компонента Е1 топлива, а второй канал 207, расположенный радиально снаружи и смежно первому каналу 206, предназначен для инжекции второго компонента Е2 топлива. Во время функционирования инжекционного элемента 201 первый и второй компоненты Е1, Е2 топлива инжектируются с различными скоростями, и пересечение двух кольцевых потоков Е1, Е2 в отступе RE создает турбулентность, обеспечивая однородную смесь двух компонентов Е1, Е2 топлива. Кроме того, поскольку два канала 206, 207 являются кольцевыми, получение требуемого общего расхода компонентов топлива может быть легко достигнуто заданием размеров инжекционного элемента 201.
o
Как и в первом примере выполнения, центральное тело 205 содержит полость 209 объемом V, закрытую пластиной 210 со сквозным отверстием 211, выровненном по центральной оси X инжекционного элемента. Отверстие 211 имеет проходное сечение А и длину I и сообщается с полостью 209, имеющей наружную поверхность 212 центрального тела 205, на стороне, обращенной к камере 213 сгорания. Таким образом, полость 209 с отверстием 211 образуют резонатор Гельмгольца с собственной частотой f.
В пятом примере выполнения, показанном на фиг. 3b, инжекционный элемент 201 также содержит в своей оконечной части две концентричные трубчатые стенки 202, 204 вокруг центрального тела 205 с образованием первого и второго кольцевых и коаксиальных каналов 206, 207. Отступ RE определен между концом наружной оболочки, то есть наружной трубчатой стенки 204, и промежуточной стенкой 202.
Как и в предыдущих примерах выполнения, первый канал 206 предназначен для инжекции первого компонента Е1 топлива, а второй канал 207, расположенный радиально снаружи смежно первому каналу 206, предназначен для инжекции второго компонента Е2 топлива.
Как и во втором примере выполнения, полость 209, образованная осевым отверстием в центральном теле 205, непосредственно сообщается с первым каналом 206 через отверстие 211, выполненное латерально в наружной поверхности 212 центрального тела 205 таким образом, что полость 209 сообщается непосредственно с первым каналом 206 и образует резонатор Гельмгольца для демпфирования звуковых волн, распространяющихся в отступе RE и в первом канале 206.
И наконец, в шестом примере выполнения, показанном на фиг. 3с, инжекционный элемент 201 также содержит в своей оконечной части две концентричные трубчатые стенки 202, 204 вокруг центрального тела 205 с образованием первого и второго кольцевых и коаксиальных каналов 206, 207, предназначенных для инжекции первого и второго компонентов Е1, Е2 топлива. Отступ RE также определен между концом наружной оболочки, то есть наружной трубчатой стенки 204, и промежуточной стенкой 202.
p
Как и в третьем примере выполнения, полость 209 не закрыта пластиной, а выполнена в виде глухого осевого отверстия диаметром d в центральном теле 205, открытого в направлении к камере 213 сгорания, и имеет глубину I, по существу равную одной четвертой длины λ волны, соответствующей предварительно определенной звуковой частоте f, которую намерены демпфировать.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры выполнения, очевидно, что в пределах объема защиты изобретения, определенного пунктами формулы, возможны различные модификации и изменения этих примеров выполнения. Так например, хотя в каждом показанном примере выполнения центральное тело содержит только одну полость акустического демпфирования, согласно другим примерам выполнения в инжекционных элементах в центральном теле может быть выполнено несколько полостей акустического демпфирования одного и того же типа и/или различных типов. Кроме того, индивидуальные характеристики показанных и/или описанных различных примеров выполнения могут быть скомбинированы в дополнительных примерах выполнения. Соответственно, описание и чертежи должны рассматриваться в качестве иллюстрации и не имеют ограничительного характера.