КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ
COMBUSTION CHAMBER OF LOW-THRUST LIQUID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания.
Известна камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ), содержащая корпус и смесительную головку с размещенной по оси двухкомпонентной центробежной форсункой и со струйными форсунками, сообщенными с коллектором наружной форсунки и равномерно распределенными по окружности. Оси струйных форсунок направлены на стенки корпуса камеры сгорания (патент РФ №2041375, МПК F02K 9/52, F02K 9/62, з. №4812921 от 28.02.1990 г.).
Недостатком известной конструкции являются довольно большие заклапанные объемы и большой расход компонента топлива на организацию пленочного охлаждения стенки корпуса камеры.
Известна струйно-центробежная форсуночная головка, приведенная в статье Ю.И.Агеенко «Исследование параметров смесеобразования и методический подход к расчетам и проектированию ЖРДМТ со струйно-центробежной схемой смешения компонентов AT и НДМГ на стенке камеры сгорания» (см. «Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета» №3(19), 2009 г.).
Струйно-центробежный смесительный элемент состоит из центробежной форсунки горючего, струйных форсунок, через которые окислитель попадает на конический дефлектор, на котором струи, растекаясь, преобразуются в пелену и попадают на внутреннюю поверхность камеры сгорания, где происходит соприкосновение, перемешивание с пеленой горючего с образованием продуктов сгорания.
Основными недостатками данного струйно-центробежного смесительного элемента являются следующие:
0,1
0,9
п.д.
- перемешивание и горение компонентов топлива на стенке камеры сгорания автоматически влечет за собой ухудшение (по сравнению с организацией смесеобразования в ядре потока) динамических характеристик двигателя (τ; τ; J) из-за времени, затрачиваемого на преодоление расстояния от среза сопла центробежной форсунки горючего до стенки камеры сгорания;
- большие объемы заклапанных полостей магистралей окислителя и горючего (в основном, из-за коллекторов, заполняемых компонентами топлива) также способствуют ухудшению динамических характеристик двигателя;
Задачами предлагаемого изобретения являются:
- увеличение экономичности ЖРДМТ за счет организации смесеобразования в ядре потока и за счет увеличения дисперсности распыла впрыскиваемых в камеру сгорания компонентов топлива;
- улучшение динамических характеристик ЖРДМТ за счет уменьшения объема заклапанных полостей и приближения предпламенных процессов к смесительной головке;
- улучшение технологичности изготовления ЖРДМТ за счет отказа от использования центробежных форсунок в пользу струйных форсунок.
Решение заключается в том, что в известной камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из корпуса камеры сгорания и смесительной головки с периферийными струйными форсунками, исходящими из кольцевого коллектора первого компонента топлива, оси которых пересекают поверхность кольцевого конического дефлектора, направляющего струи первого компонента на стенку корпуса камеры сгорания, и центрального распылителя, сообщенного с коллектором второго компонента топлива, согласно изобретению кольцевой коллектор первого компонента топлива размещен в радиальном направлении между кольцевым коническим дефлектором и коллектором центрального распылителя, а струйные форсунки первого компонента с одной стороны направлены на поверхность конического дефлектора, обращенного в сторону выхода из камеры сгорания, а с другой стороны - на поверхность дефлектора, являющегося стенкой коллектора второго компонента, а струйные форсунки второго компонента направлены на поверхность дефлектора, являющегося стенкой коллектора первого компонента.
Для улучшения качества смесеобразования целесообразно выполнять поверхности дефлекторов центрального распылителя цилиндрическими, а для исключения попадания в заклапанные полости коллекторов одного из компонентов топлива другого компонента топлива плоскости размещения струйных форсунок следует разнести в осевом направлении камеры на расстояние не менее удвоенной суммы диаметров струйных форсунок первого и второго компонентов топлива.
Такое исполнение камеры позволяет осуществить смесеобразование в ядре потока, что способствует существенному (по сравнению со схемой, когда смесеобразование и горение реализуются на стенке камеры) повышению экономичности двигателя и улучшению его динамических характеристик.
Предлагаемая конструкция поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез камеры сгорания ЖРДМТ. Камера сгорания состоит из корпуса смесительной головки 1, корпуса форсунки 2 первого компонента, корпуса форсунки 3 второго компонента, кольцевого конического дефлектора 4, коллектора 5 первого компонента, струйных форсунок 6 первого компонента (завесы), коллектора 7 второго компонента, струйных форсунок 8 первого компонента центрального распылителя, струйных форсунок 9 второго компонента центрального распылителя, подводящих каналов 10 первого компонента, подводящих каналов 11 второго компонента, заглушки 12, корпуса камеры сгорания 13. Кольцевая полость 14 центрального распылителя образована дефлекторами 15 и 16, являющимися соответственно стенками коллекторов 7 и 5.
Камера сгорания работает следующим образом. Первый компонент топлива поступает из клапана (не показан), проходит через подводящие каналы 10, выполненные в корпусе смесительной головки 1 и в корпусе форсунки 2, попадает в коллектор 5, где разделяется на два потока: одна часть, пройдя через струйные форсунки 6, попадает в виде струй на конический кольцевой дефлектор 4, на котором струи преобразуются в пелену. Пелена, стекая с кромки дефлектора, попадает на внутреннюю поверхность корпуса камеры сгорания 13 и охлаждает ее.
Другая часть первого компонента, пройдя через струйные форсунки 8, поступает в полость 14 центрального смесителя и, ударившись о поверхность дефлектора 15, являющегося стенкой коллектора 7, разбрызгивается, преобразуясь в полости 14 в мелкодисперсное пылеобразное состояние.
Второй компонент топлива, поступая через каналы 11 в корпусе смесительной головки 1, в корпусе форсунки 2 и в корпусе форсунки 3, попадает в коллектор 7 и в виде струй через струйные форсунки 9 - в полость 14 центрального смесителя, где, ударившись о поверхность дефлектора 16, являющегося стенкой коллектора 5, разбрызгивается и преобразуется в полости 14 в мелкодисперсное пылеобразное состояние. Учитывая небольшой объем полости 14, мелкодисперсные брызги первого и второго компонентов перемешиваются в ней практически в жидкой фазе и, пройдя стадии преобразования (жидкофазные промежуточные продукты, выделение газофазных промежуточных продуктов, появление очагов пламени и т.д.) воспламеняются уже за пределами полости 14, образуя продукты сгорания, причем с равномерно распределенным соотношением компонентов топлива в ядре потока.
Констатируя вышеизложенное, можно отметить свойства изобретения:
- обеспечивается более надежное тепловое состояние и повышенная экономичность двигателя путем реализации смесеобразования в ядре потока, которое позволяет получить равномерное по сечению камеры распределение соотношения компонентов топлива в области ядра потока, что, в свою очередь, приводит к более благоприятному распределению температуры продуктов сгорания по сечению камеры совместно с организованной защитой стенки камеры;
- улучшаются динамические характеристики двигателя путем уменьшения объема заклапанных полостей и организации смесеобразования в ядре потока;
- улучшается технологичность изготовления двигателя путем замены центробежной форсунки на струйные, поскольку изготовление струйных форсунок не требует специального технологического оборудования и оснащения, связанного с выполнением жестких допусков на изготовление и допусков расположения поверхностей деталей, которые необходимы для центробежных форсунок.