Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги
LOW-THRUST LIQUID-PROPELLANT ENGINE CHAMBER

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно к организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя.
Известна камера жидкостного ракетного двигателя, состоящая из камеры сгорания, сопла, смесительной головки с двухкомпонентной центробежной форсункой с коллекторами на входе в тангенциальные каналы наружной и внутренней центробежных форсунок (п. РФ №54102, МПК F02K 9/52, F02K 9/62).
В известной камере в процессе движения компонентов топлива после их выхода из сопел центробежных и струйных форсунок реализуются цикл их взаимодействия в жидкой, парогазовой фазах и химических реакций, в результате которых происходят циркуляционные процессы в камере сгорания. При определенных условиях работы (например, снижение давления на входе в двигатель), часть фракций взаимодействия топлива с избытком компонента истекающего из наружной форсунки попадает в зону газового вихря сопла внутренней центробежной форсунки. При этом происходит активное взаимодействие этих фракций с движущейся пеленой второго компонента рабочего тела в сопле внутренней центробежной форсунки. В результате взаимодействия компонентов топлива возникают активные химические реакции и, как следствие, резкое повышение давления в сопле внутренней центробежной форсунки. Продукты химических реакций в сопле внутренней центробежной форсунки с высокой скоростью истекают в камеру сгорания, вызывая в ней кратковременный скачок давления. При этом в зону газового вихря внутренней форсунки поступает свежая порция продуктов фракций с избытком компонента истекающего из наружной форсунки с последующим активным взаимодействием с движущейся пеленой внутренней центробежной форсунки. Цикл повторяется, что являются источником пульсаций в камере сгорания. Рабочий процесс в камере сгорания становится неустойчивым пульсирующим, что приводит к резкому снижению всех характеристик камеры и двигателя в целом, в том числе снижается удельный импульс тяги двигателя и повышается температура стенки камеры сгорания до недопустимых величин.
В предлагаемом устройстве ставится задача устранить этот недостаток и тем самым расширить границы работоспособности двигателя.
mk
В известной камере жидкостного ракетного двигателя, содержащей камеру сгорания, сопло и смесительную головку, с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой, с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок, согласно изобретению для исключения пульсаций давления в камере сгорания газовая полость сопла внутренней центробежной форсунки заполнена цилиндрическим вкладышем имеющим радиус равный радиусу газового вихря r в зоне входных тангенциальных каналов центробежной форсунки до начала зоны гидравлического прыжка.
Для исключения перегрева цилиндрического вкладыша обратными токами продуктов сгорания, в нем может быть выполнена дополнительная форсунка.
Такое решение позволяет исключить недопустимые колебания давления в камере сгорания и, как следствие, расширить работоспособность двигателя в значительно более широком диапазоне входных условий, что является крайне важным для реактивных двигателей различного назначения.
mk
Дополнительным преимуществом предлагаемого решения является то, что переход вращательного движения жидкости в движение с осевой и тангенциальной составляющими скорости в цилиндрическом сопле после гидравлического прыжка (Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И., Распыливание жидкостей. М.,"Машиностроение" 1977, с. 53, 54) приводит к увеличению радиуса газового вихря до расчетной величины. Таким образом, установка цилиндрического вкладыша радиусом r позволяет реализовать минимальный зазор между радиусом цилиндрического вкладыша и радиусом газового вихря, внутренней центробежной форсунки, обеспечивающий свободное течение жидкости в цилиндрическом сопле внутренней центробежной форсунки и расчетные параметры факела распыла с высокой эффективностью при минимальных перепадах на смесительных элементах, что также важно для жидкостных ракетных двигателей, где требуется высокая эффективность двигателя при минимальных давлениях на входе в двигатель.
Это решение повышает устойчивость рабочего процесса и равномерность распределения температуры на стенке камеры сгорания, что позволяет повысить допустимую температуру стенки камеры сгорания, а значит повысить энергетические характеристики и стабильность работы камеры и двигателя в целом.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид камеры, на фиг. 2 приведена схема двухкомпонентной форсунки с цилиндрическим вкладышем.
Камера 1 состоит из камеры сгорания 2, сопла 3, смесительной головки 4, с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой 5 с коллекторами 6 и 7 компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы 8 и 9, наружной центробежной форсунки 10 с периферийно расположенными струйными форсунками 11, и внутренней центробежной форсунки 12.
вкл
mк
Согласно предлагаемому решению в сопле 13 внутренней центробежной форсунки установлен цилиндрический вкладыш 14 радиусом r равным радиусу газового вихря r в зоне входных тангенциальных каналов до гидравлического прыжка 15. При переходе вращательного движения жидкости в движение с осевой и тангенциальной составляющими между пеленой движущейся жидкости и цилиндрическим вкладышем образуется газовый зазор 16 обеспечивающий свободное расчетное движение пелены 17 и распыл на выходе из сопла форсунки.
Для защиты вкладыша от перегрева в нем может быть выполнена дополнительная форсунка 18.
Каналы 19 и 20 в смесительной головке 4 предназначены для подачи компонентов топлива к коллекторам 6 и 7 соответственно.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче команды на запуск компоненты топлива по каналам 19 и 20 поступают в коллектор 6 наружной и 7 внутренней форсунок. Далее из коллектора в наружной форсунке часть топлива поступает в струйные форсунки 11 и истекает в камеру сгорания. Вторая часть топлива поступает через тангенциальные каналы 8, наружной форсунки 10 обеспечивая необходимый расход через сопло форсунки и, как следствие, распыл компонента топлива.
mк
вкл
mк
Второй компонент из коллектора 7 поступает через тангенциальные каналы 9 в сопло 13 внутренней центробежной форсунки. В зоне тангенциальных каналов 9 топливо до гидравлического прыжка приобретает вращательное движение, образуя газовый вихрь радиусом r, который заполнен цилиндрическим вкладышем радиусом r=r газового вихря. При дальнейшем движении топлива вращательное движение в зоне гидравлического прыжка 15 приобретает осевую и тангенциальную составляющие. При этом образуется газовый зазор 16 между движущейся в сопле пеленой 17 топлива и наружной поверхностью цилиндрического вкладыша, обеспечивающий свободное расчетное движение пелены и распыл топлива в камере сгорания.
Реализация изобретения исключает поступление отдельных фракций топлива с избытком компонента топлива наружной центробежной и струйных форсунок в газовую зону внутренней центробежной форсунки и тем самым гарантированно обеспечивает устойчивость рабочего процесса в камере и повышенную экономичность двигателя в широком диапазоне входных условий (давление на входе в двигатель, разность давлений окислителя и горючего на входе в двигатель, температуры компонентов топлива, разности температур компонентов топлива и другие факторы).
Дополнительным положительным фактором является то, что реализация устойчивого рабочего процесса позволяет повысить допустимую температуру рабочего процесса в зоне стенки камеры сгорания и тем самым повысить экономичность двигателя и двигательной установки в целом за счет повышения удельного импульса тяги. Форсунка 18 исключает перегрев вкладыша 14 и дополнительно повышает устойчивость процесса горения.