ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LIQUID PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), применяемых в ракетной технике, и также может быть использовано в агрегатах промышленной энергетики.
Известна смесительная головка с соосно-струйными форсунками, в которых две втулки, внешняя и средняя, образуют внешний кольцевой канал газообразного горючего, а средняя с внутренней образуют внутренний кольцевой канал жидкого окислителя (двухполостной смесительный элемент). (US Patent, №4621492 Now.11, 1986).
Известная конструкция соосно-струйных форсунок обладает существенным недостатком, заключающимся в недостаточном массовом расходе компонентов топлива, приходящемся на одну форсунку.
Этот тип форсунок имеет одну поверхность контакта между внутренней кольцевой струей окислителя и внешней кольцевой струей горючего. Поэтому для обеспечения заданной величины поверхности контакта между окислителем и горючим, при которой достигается высокая полнота сгорания топлива, требуется увеличение количества форсунок.
Известен смесительный элемент для форсуночной головки камеры ЖРД, состоящий из внешней, средней и внутренней втулок, образующих кольцевые полости для подачи газообразного горючего и жидкого окислителя, при этом во внешней втулке со стороны подачи горючего параллельно оси смесительного элемента выполнены кольцевые пазы, разделенные перемычками, в которых перпендикулярно оси выполнены отверстия для подачи окислителя в кольцевой канал, выходящий в камеру сгорания, а во внешней втулке, обращенной к зоне горения, выполнена кольцевая полость горючего, при этом средняя и внутренняя втулки образуют второй дополнительный кольцевой канал подачи горючего в камеру, кроме того, внешняя и средняя втулки со стороны, противоположной зоне горения, установлены вплотную друг к другу (патент РФ №2265748, МПК: F02K 9/52).
Указанный смесительный элемент для форсуночной головки камеры ЖРД работает следующим образом.
Окислитель по штуцеру подается в коллектор головки, образованный корпусом и дефлектором. Из коллектора окислитель по пазам, охлаждая огневое днище, поступает в питающую полость, образованную корпусом, дефлектором и внешней втулкой смесительного элемента. Из питающей полости окислитель по отверстиям, просверленным в перемычках втулки, поступает в кольцевую полость форсунки, образованную втулками. Из кольцевого канала, образованного втулками, окислитель поступает в камеру.
Горючее в равных массовых расходах по кольцевым каналам, образованным втулками, внешнему и внутреннему кольцевому каналу, подается с высокой скоростью в камеру. Хорошее качество начального смесеобразования достигается за счет интенсивного разрушения низкоскоростной струи окислителя высокоскоростной струей горючего.
Основными недостатками указанной форсунки является наличие внутренней полости, по которой подается струя горючего. При такой подаче часть горючего высокоскоростной струи не успевает прореагировать с низкоскоростной струей окислителя, что приводит к ухудшению условий смесеобразования и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру со смесительной головкой, включающей корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, огневое днище, коаксиальные соосно-струйные форсунки, расположенные в смесительной головке по концентрическим окружностям и образующие центральную и периферийную зоны, и включающие полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, как минимум один газогенератор, как минимум, один турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М.: Машиностроение, 1989 г., 420 стр. ЖРД SSME, стр.93-94 - прототип).
Указанный двигатель работает следующим образом.
Окислитель из полости блока подачи окислителя по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.
Горючее из полости блока охлаждения огневого днища по втулкам форсунок подается в камеру сгорания. Генераторный газ из полости блока генераторного газа по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания.
Основными недостатками данного ЖРД является недостаточно высокое значение полноты рабочего процесса, обусловленное несовершенством принятой системы смесеобразования.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение максимально возможной полноты сгорания различных видов топлив при меньшем количестве смесительных элементов на форсуночной головке камеры жидкостного ракетного двигателя.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем камеру со смесительной головкой, в которой установлены форсунки, состоящие из нескольких коаксиально установленных втулок, образующих кольцевые полости для подачи газообразного горючего и жидкого окислителя и соединяющие полости блоков подачи компонентов с полостью камеры сгорания, как минимум один газогенератор, как минимум, один турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования, согласно изобретению, на каждой втулке форсунки выполнен кольцевой выступ, в котором выполнены перпендикулярные оси смесительного элемента пазы для подачи горючего внутрь каждой кольцевой полости горючего и параллельные пазы для подачи окислителя в каждую кольцевую полость окислителя, при этом кольцевые полости подачи компонентов топлива со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками, в которых выполнены отверстия для подачи компонентов топлива в зону горения, преимущественно, полость камеры сгорания, а все втулки, со стороны, противоположной зоне горения, установлены вплотную друг к другу, при этом в их торцевых стенках выполнены каналы, соединяющие полость окислителя с кольцевыми полостями окислителя, образованными коаксиально установленными втулками.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан предложенный двигатель, на фиг.2 - смесительная головка ЖРД, на фиг.3 - выносной элемент в увеличенном масштабе.
Смесительная головка камеры ЖРД содержит несколько коаксиально установленных втулок 1-6, образующих кольцевые полости 7 и 8 для подачи газообразного горючего и жидкого окислителя соответственно. На каждой втулке 1-6 выполнен кольцевой выступ 9-14 соответственно, в котором выполнены перпендикулярные оси смесительного элемента пазы 15 для подачи горючего внутрь каждой кольцевой полости горючего 7 и параллельные пазы 16 для подачи окислителя в каждую кольцевую полость окислителя 8. Внутренние кольцевые полости 8 окислителя со стороны огневого днища соединены каналами 16 и 17 с полостью блока 18 подачи окислителя.
Кольцевые полости горючего 7 соединены каналами 15 с полостью коллектора 19 блока горючего 20.
Кольцевые полости подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками 21-26, в которых выполнены отверстия 27 и 28 для подачи горючего и окислителя соответственно. Все втулки 1-6, со стороны, противоположной зоне горения, установлены вплотную друг к другу.
Также в состав ЖРД входит турбонасосный агрегат 29, газогенератор 30 и агрегаты питания и регулирования 31.
Предложенный двигатель работает следующим образом.
Горючее и окислитель при помощи турбонасосного агрегата, приводимого в действие продуктами сгорания компонентов топлива, подаваемых в газогенератор 30, подаются в полость блока горючего 20 и окислителя 18 смесительной головки.
Горючее из полости коллектора 19 блока горючего 20 по перпендикулярным пазам 15, выполненным в кольцевых выступах 9-14, подается внутрь кольцевой полости горючего 7, и через отверстия 27, далее в зону горения, например, полость камеры сгорания.
Окислитель из полости блока окислителя 18, по каналам 17 и 16 подается в кольцевую полость окислителя 8, и через отверстия 28, в зону горения, например, полость камеры сгорания.
В камере сгорания компоненты перемешиваются между собой, воспламеняются и сгорают, образуя при этом продукты сгорания, обладающие значительной кинетической энергией. Подача компонентов из мелких отверстий 27 и 28, расположенных в виде концентрических поясов, дает возможность реализовать смесеобразование компонентов топлива при щелевой подаче, когда один слой компонента топлива взаимодействует с другим слоем компонента топлива. Такая подача, в конечном итоге, позволит уменьшить потери, связанные с несовершенством системы смесеобразования, и за счет этого повысить удельный импульс тяги ЖРД.
Использование предложенного технического решения позволит обеспечить максимально возможную полноту сгорания различных видов топлив при меньшем количестве смесительных элементов на форсуночной головке.