СТРУЙНАЯ ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Струйная двухкомпонентная форсунка для ракетных двигателей
Полезная модель относится к области организации смесеобразования в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРДМТ), а также в ракетных двигателях, топливом для которых служат кислород и водород в жидком или газообразном состояниях.
В существующих ракетных двигателях в настоящее время применяются двухкомпонентные центробежные форсунки с внутренним и внешним смешением (М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Издательство «Машиностроение». Москва 1968. стр. 88-90). Двухкомпонентные центробежные форсунки представляют собой две цилиндрические полости, в верхней части которых выполнены отверстия, перпендикулярные оси цилиндрических полостей и касательные к стенкам полостей.
Основным недостатком центробежных форсунок с внешним и внутренним смешением является слабое распыливание конусообразной жидкости после истечения из форсунки: сначала конусообразная жидкость распадается на сравнительно большие жидкие части и только потом эти части распадаются на капли, которые никак нельзя считать пригодными для интенсивного горения, так как эти капли горючего и окислителя, взаимодействуя друг с другом, образуют продукты сгорания, которые препятствуют дальнейшему взаимодействию капель. Иначе говоря, происходит сепарация компонентов топлива продуктами сгорания. Серьезным недостатком является также задержка самовоспламенения топлива, что при работе жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ) в импульсном режиме приводит к существенному уменьшению полноты сгорания топлива.
Прототипом рассматриваемой полезной модели является струйная форсунка, которая представляет собой отверстие в головке камеры двигателя. Через эти отверстия в камеру сгорания подаются горючее и окислитель (М.В. Добровольский. 2
Жидкостные ракетные двигатели. Издательство «Машиностроение». Москва 1968. стр. 70-72).
Недостатком струйных форсунок является их большая дальнобойность и малый угол распыливания, что увеличивает время пребывания топлива в камере сгорания.
В основу полезной модели поставлена задача повышения удельного импульса давления в камере сгорания путем уменьшения времени задержки самовоспламенения топлива при работе ЖРДМТ в импульсном режиме, а также увеличения массы полезной нагрузки на ракете.
Задача решается за счет того, что в двухкомпонентной форсунке, состоящей из цилиндрических полостей, расположенных последовательно, стенки которых параллельны стенке камеры сгорания, и в которых выполнены отверстия для истечения струй жидкости или газа в цилиндрические полости, отверстия для струй каждого компонента расположены равномерно в цилиндрических полостях и выполнены под углом α=arctg[h/(2d)] к диаметру d цилиндрической полости, где h -расстояние от среза цилиндрической поверхности до отверстия для впрыска струи в цилиндрическую полость.
За счет того, что отверстия для струй каждого компонента расположены равномерно в цилиндрических полостях и выполнены под углом α=arctg[h/(2d)] к диаметру d цилиндрической полости, где h - расстояние от среза цилиндрической поверхности до отверстия для впрыска струи в цилиндрическую полость мы достигаем уменьшения времени задержки самовоспламенения топлива, что позволяет за наиболее короткий срок увеличить давление в камере сгорания и уменьшить расход топлива, что в свою очередь ведет к повышению удельного импульса давления в камере сгорания. Также, за счет уменьшения расхода жидкого ракетного топлива, при работе двигателя в импульсном режиме, может быть увеличена полезная нагрузка на ракете.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена схема движения компонента топлива;
3
на фиг. 2 схематично представлена двухкомпонентная форсунка с одной цилиндрической полостью, с двумя струйными форсунками горючего и с двумя струйными форсунками окислителя;
на фиг. 3 представлен вид А-А двухкомпонентной форсунки;
на фиг. 4 схематично представлена струйная двухкомпонентная форсунка с двумя последовательными цилиндрическими полостями, с четырьмя струйными форсунками горючего и с четырьмя струйными форсунками окислителя;
на фиг. 5 представлен вид Б.
Струйная двухкомпонентная форсунка, состоит из цилиндрических полостей 1, стенки которых параллельны стенке камеры сгорания, и в которых выполнены отверстия для истечения струй жидкости или газа в цилиндрические полости.
Струи горючего и окислителя закручиваются в одном направлении и подаются через каналы 3. Перепад давлений в струях обеспечивается равным Δp=5 ат и более. Для интенсификации процесса горения возможна и встречная закрутка горючего и окислителя. На фиг. 4 и 5 обозначены: «О» - окислитель, «Г» - горючее.
Суть работы струйной двухкомпонентной форсунки заключается во взаимодействии струй компонентов топлива с внутренней поверхностью цилиндрических полостей, фиг. 1. В идеальном варианте струя должна быть направлена под таким небольшим углом а к плоскости среза цилиндрической поверхности, чтобы любая капля компонента топлива или элементарный объем газа к концу одного оборота успели прореагировать с острой кромкой цилиндрической полости и покинуть цилиндрическую полость. Этому условию соответствует формула: α=arctg[h/(2d)], где h - высота от среза цилиндрической поверхности до точки впрыска струи в цилиндрическую полость, d - внутренний диаметр цилиндрической полости (фиг. 1).
Для нормального функционирования ЖРДМТ достаточно, чтобы после включения двигателя прореагировала как можно быстрее даже небольшая часть 4
компонентов топлива. Это необходимо для увеличения удельного импульса давления в камере сгорания не за счет расхода топлива, а за счет увеличения давления в камере сгорания, что может подтвердить известная формула (см. М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели. Издательство Машиностроение, Москва, 1968. с. 15):
,
где
β - удельный импульс давления в камере сгорания, м/с;
кр
2
ƒ - площадь критического сечения сопла, м;
2
2
р - давление в камере сгорания, Н/м;
G - секундный расход топлива, кг/с.
При малых давлениях в камере сгорания расход топлива наибольший. С увеличением времени работы двигателя растет величина β за счет увеличения давления в камере сгорания и уменьшения расхода топлива. Если рассматривать время работы двигателя от нуля до максимального значения давления, то среднее значение давления в камере сгорания будет равным примерно половине максимального давления. Таким образом, время задержки самовоспламенения существенным образом влияет на удельный импульс давления.
Условие быстрой реакции компонентов топлива и обеспечивает предлагаемая форсунка. Визуальное наблюдение взаимодействия струи воды с цилиндрической поверхностью при перепаде давлений на струе 5 ат. и более показывает закручивание воды по цилиндрической поверхности, растекание воды по цилиндрической поверхности и превращение струи в тонкую пленку, которая распадается на мельчайшие частицы, совокупность которых имеет туманообразный вид. Под выражением «туманообразный вид» следует понимать очень хорошее распыливание жидкости.
Таким образом, отличительной особенностью работы струйной двухкомпонентной форсунки является то, что компоненты топлива сначала, минуя жидкофазное взаимодействие, растекаются тонкими пленками по внутренним поверхностям цилиндрических полостей, механически дробятся, превращаясь в мелкодисперсное, туманообразное состояние, и только после этого окислитель и горючее контактируют, активно самовоспламеняются и сгорают.
Технико-экономический эффект слагается из двух слагаемых:
1. За счет уменьшения расхода жидкого ракетного топлива при работе двигателя в импульсном режиме может быть увеличена полезная нагрузка на ракете. Экономия жидкого топлива может составлять не менее 10%.
2. За счет увеличения интенсивности рабочих процессов в камерах сгорания может быть уменьшена масса камер сгорания двигателей, работающих на жидких и газообразных ракетных топливах и улучшатся условия охлаждения стенок камер сгорания.