ЩЕЛЕВАЯ СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE CHAMBER SLIT-TYPE MIXING HEAD

При разработке жидкостного ракетного двигателя предъявляются предельно высокие требования по экономичности и надежности работы. Для обеспечения высокой экономичности двигателя приходится решать вопрос по реализации устойчивости процесса горения и принятию мер по устранению высокочастотных колебаний давления в камере. Одним из основных элементов, влияющих на экономичность, надежность и устойчивость рабочего процесса в камере является смесительная головка.
Известны конструкции смесительных головок, в которых используются различные мероприятия, которые позволяют обеспечить устойчивость рабочего процесса за счет разделения полости, расположенной у огневого днища на изолированные сектора. Это может быть реализовано за счет выдвижения части форсунок в полость камеры сгорания или установки специальных перегородок.
Известна конструкция смесительной головки, изложенная в заявке №2007142008/ от 15.11.2004 г., патент RU 23445287 С1, в которой для устранения высокочастотных колебаний используются антипульсационные перегородки, расположенные на огневом днище головки.
Недостатком данной конструкции является расположение периферийного ряда форсунок около внутренней стенки камеры. Компоненты топлива, вытекая из периферийных форсунок, превращаются, в продуты сгорания в виде газовых струй, которые натекают на внутреннюю стенку камеры. В результате взаимодействия газовых струй с внутренней стенкой камеры, реализуются от торца смесительной головки на стенке камеры напротив периферийных форсунок зоны с повышенным соотношением компонентов топлива, т.е. с повышенной температурой горячих газов в этих зонах. При длительных испытаниях в этих зонах могут появиться трещины, пролизы и даже прогары.
Известна конструкция смесительной головки, изложенная в заявке №99124002/06 от 15.11.1999 г., патент RU 2170841 С1, принимается за прототип, содержащая корпус с днищем и установленные в них втулки, зазоры между которыми образуют кольцевые каналы подвода жидкого и газообразного компонента.
Данная конструкция позволяет обеспечить высокую экономичность, повысить надежность работы внутренней стенки камеры за счет расположения у стенки вместо периферийных форсунок равномерного кольцевого канала с компонентами топлива окислителя и горючего. Однако, конструкция этой головки не позволяет реализовать эффективные мероприятия по борьбе с высокочастотными колебаниями с выдвижением ряда форсунок в виде креста в камеру или установки у огневого днища антипульсационных перегородок, разделяющих полость у огневого днища на изолированные сектора.
Длина этих перегородок должна составлять не менее 0,1 от диаметра цилиндрической части камеры. Отсутствие специальных мер по борьбе с высокочастотными колебаниями, как правило, приводит к выгоранию смесительной головки, т.е. к аварийной работе двигателя.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу по реализации высоких энергетических характеристик жидкостных ракетных двигателей и обеспечивает надежную работу, устраняя возможность появления высокочастотных колебаний давления в камере, в целом устраняет указанные недостатки прототипа.
Поставленная техническая задача решается тем, что в щелевой смесительной головке камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащей наружное днище, корпус с установленными в нем кольцами с трактом охлаждения и отверстиями для подачи жидкого компонента, зазоры между которыми образуют кольцевые каналы подвода газообразного компонента, пусковую форсунку горючего, согласно изложению, торцевая часть колец с трактами охлаждения и отверстиями для подачи жидкого компонента выполнена в виде волновой поверхности (например, синусоиды) с величиной амплитуды ~ 0,1÷0,3 диаметра цилиндрической части камеры.
Такое выполнение щелевой смесительной головки камеры позволяет реализовать следующие процессы:
1. Смешение, испарение и сгорание компонентов топлива происходит не в плоском объеме у смесительной головки, а в увеличенном объеме в виде цилиндра на величину примерно 0,1÷0,3 диаметра цилиндрической части камеры;
2. Сгорание компонентов в переменном по длине объеме устраняет возможность появления высокочастотных колебаний.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, показанной на фиг. 1. и фиг. 2.
На фиг. 1 показаны конструкция щелевой смесительной головки, где:
1. Коллектор подвода жидкого компонента топлива;
2. Полость подвода газообразного компонента топлива;
3. Наружное днище;
4. Втулка;
5. Тракт охлаждения;
6. Кольцо;
7. Отверстие;
8. Кольцевая газовая полость;
9. Дозирующие отверстия газового компонента топлива;
10. Пусковая форсунка.
На фиг. 2 показан вид на кольцо 6 с боку, где 11 - торцевая волновая поверхность кольца с амплитудой А.
Щелевая смесительная головка работает следующим образом.
В соответствии с циклограммой работы двигателя жидкий компонент топлива поступает в коллектор 1, газообразный компонент во внутреннюю полость 2 наружного днища 3.
Из коллектора 1 по втулкам 4 жидкий компонент распределяется в тракты охлаждения 5 колец 6, а затем через отверстия 7 попадает в кольцевую полость 8.
Газообразный компонент из полости 2 через дозирующие отверстия 9 поступает в кольцевые газовые полости 8.
По соответствующей команде пусковое горючее поступает в пусковую форсунку 10 и происходит воспламенение компонентов топлива.
Выполнение колец с торцевой волнообразной поверхностью растягивает по длине камеры фронт горения компонентов топлива, что сказывается на стабилизации горения и повышении надежности работы камеры ЖРД.
Таким образом, использование щелевой смесительной головки, в которой кольца с каналами охлаждения и отверстиями для подачи жидкого компонента выполнены с торцевой поверхностью в виде волновой поверхности с величиной амплитуды ~ 0,1÷0,3 диаметра цилиндрической части камеры, обеспечивает устойчивый процесс сгорания компонентов топлива, повышает надежность и позволяет реализовать предельно высокие требования по экономичности двигателя.