ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ГАЗОЖИДКОСТНАЯ ФОРСУНКА
TWO-COMPONENT GAS-FLUID ATOMISER

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя.
Одной из основных проблем, возникающих при создании устройств, предназначенных для перемешивания и распыления компонентов топлива, является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов топлива.
Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения - полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е. Алемасов и др. "Теория ракетных двигателей": Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. М., Машиностроение, 1980, рис.18.2, стр.225-226).
В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего - форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива и, соответственно, к потерям удельного импульса тяги.
Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы. Выходной участок внутренней поверхности втулки выполнен эквидистантно наружной поверхности пазов наконечника, при этом площадь сечения на выходе между эквидистантной поверхностью втулки и пазами наконечника составляет Fг=(0,6-2,2)·Fo, где Fo - площадь сечения пазов на выходе наконечника (Патент РФ №2161719, МПК: F02K 9/52, F23D 11/12).
Основным недостатком данной форсунки является то, что фронт пламени приближается к огневому днищу, что приводит к повышенным тепловым потокам в огневое днище и пристеночную часть огневой стенки камеры сгорания.
Известна топливная форсунка камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, содержащая трубчатый корпус, а также закрепленную коаксиально внутри корпуса глухую трубку. В пилоне выполнено не менее, чем одно входное отверстие. Канал глухой трубки образован со стороны выхода ее глухим осевым каналом, а со стороны входа - входным отверстием в пилоне. Основной осевой канал трубчатого корпуса со стороны выхода может быть выполнен со ступенчатым расширением, в которое направлены выполненные тангенциально относительно оси форсунки сквозные отверстия. Внутри трубчатого корпуса, в месте ступенчатого расширения, коаксиально между трубчатым корпусом и глухой трубкой может быть выполнен патрубок. Между патрубком и трубчатым корпусом может быть образован кольцевой торцевой карман, открытой стороной направленный в сторону выхода из корпуса (Патент РФ №2232916, МПК: F02K 9/52 - прототип).
В качестве окислителя в данной форсунке используется окислительный генераторный газ с избытком кислорода, а в качестве горючего - жидкий водород или керосин.
Данная топливная форсунка работает следующим образом. Окислитель из полости окислителя подается в основной осевой канал трубчатого корпуса. Горючее, поступающее из полости горючего в топливную форсунку, разделяется на две части. Часть горючего через входные отверстия, выполненные в пилонах, поступает в глухую трубку, а оставшаяся часть подается через тангенциальные отверстия, выполненные в месте ступенчатого расширения трубчатого корпуса.
В результате из форсунки компоненты попадают в огневое пространство камеры сгорания в виде трехслойной струи, в центре которой находится часть горючего, его охватывает кольцевая струя окислителя, а ее, в свою очередь, охватывает струя оставшейся части горючего.
Основным недостатком данной топливной форсунки в том, что струя горючего, поступающая в камеру сгорания из глухой трубки, имеет большую длину нераспавшейся части струи и большое значение характерного поперечного размера.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение полноты сгорания компонентов топлива за счет улучшения качества смесеобразования.
Решение указанной задачи достигается тем, что предложенная двухкомпонентная газожидкостная форсунка, преимущественно, для камеры жидкостного ракетного двигателя, согласно изобретению, содержит корпус с наконечником для подачи горючего, при этом наконечник форсунки установлен внутри корпуса на пилонах, а его канал соединен с полостью горючего при помощи отверстий, выполненных в пилонах, втулку, установленную с кольцевым зазором на корпус и образующую кольцевой канал для подачи газообразного окислителя, соединенный с полостью окислителя при помощи каналов, выполненных в корпусе между его стенкой и пилонами для подачи горючего, при этом канал наконечника выполнен закрытым со стороны его входной части, а его внутренняя полость соединена с кольцевым зазором между наконечником и втулкой при помощи отверстий, предпочтительно, радиальных, выполненных в его выходной части, при этом в выходной части втулки выполнено ступенчатое расширение, полость которого соединена с полостью горючего при помощи тангенциальных каналов, выполненных в стенке втулки.
В варианте исполнения, в выходном расширении втулки установлен полый цилиндр, являющийся продолжением внутреннего канала втулки и образующий с выходной цилиндрической поверхностью выходного расширения кольцевой зазор, полость которого соединена при помощи тангенциальных отверстий, выполненных в стенке втулки, с полостью горючего.
В варианте исполнения, на торце наконечника выполнено осевое отверстие.
В варианте исполнения, в выходной части наконечника выполнено ступенчатое расширение, при этом на торце наконечника выполнены отверстия, расположенные равномерно по окружности и под углом к оси наконечника.
В варианте исполнения, в выходной части наконечника выполнено ступенчатое расширение, при этом на торце наконечника, расположенном в плоскости тангенциальных отверстий втулки, выполнены отверстия, расположенные равномерно по окружности и под углом к оси наконечника.
Предлагаемая двухкомпонентная газожидкостная форсунка, преимущественно, для камер жидкостного ракетного двигателя, за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение полноты сгорания компонентов топлива за счет того, что часть горючего, поступающего в двухкомпонентную газожидкостную форсунку, подается системой струй в поперечный поток газообразного окислителя, что, в свою очередь, приводит к улучшению качества смесеобразования.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид форсунки в продольном разрезе в составе смесительной головки камеры жидкостного ракетного двигателя, на фиг.2 - сечение А-А форсунки, на фиг.3 - сечение Б-Б форсунки, на фиг.4 - сечение В-В форсунки, на фиг.5 - сечение Г-Г форсунки, на фиг.6 - продольный разрез форсунки в варианте исполнения, на фиг.7 - сечение Д-Д форсунки в варианте исполнения, на фиг.8 - продольный разрез форсунки в варианте исполнения, на фиг.9 - продольный разрез форсунки в варианте исполнения, на фиг.10 - вид Ж форсунки в варианте исполнения, на фиг.11 - продольный разрез форсунки в варианте исполнения.
Предложенная форсунка содержит корпус 1, втулку 2, и наконечник 3. Осевой канал 4 наконечника 3 соединен через отверстия 5, выполненные в пилонах, с полостью горючего 6 и через четыре радиальных отверстия 7, выполненных на цилиндрической поверхности наконечника, с кольцевым каналом 8. Во втулке 2 выполнены тангенциальные отверстия 9, соединенные с полостью горючего 6. Газообразный окислитель поступает в форсунку из полости окислителя 10.
В варианте исполнения, в выходном расширении втулки 2, установлен полый цилиндр, являющийся продолжением внутреннего канала втулки и образующий с выходной цилиндрической поверхностью выходного расширения кольцевой зазор 11, полость которого соединена через тангенциальные отверстия 12 с полостью горючего.
В варианте исполнения, на торце наконечника 3 выполнено осевое отверстие 13.
В варианте исполнения, в выходной части наконечника 3 выполнено ступенчатое расширение, на торце наконечника 3 выполнены отверстия 14, расположенные равномерно по окружности и под углом к оси наконечника 3.
В варианте исполнения, в выходной части наконечника 3, выполнено ступенчатое расширение, при этом на торце наконечника 3, расположенном в плоскости тангенциальных отверстий 9 втулки 2, выполнены отверстия 15, расположенные равномерно по окружности и под углом к оси наконечника 3.
Предложенная двухкомпонентная газожидкостная форсунка работает следующим образом.
Горючее разделяется на две части. Первая часть горючего, через отверстия 5, выполненные в пилонах корпуса 1, поступает в осевой канал 4 наконечника 3 и, далее, распределяется между четырьмя радиальными отверстиями 7. Струя горючего, выходящая из каждого отверстия 7, внедряется в поперечный поток газообразного окислителя, поступающего из полости окислителя 10 через пилоны корпуса 1, в кольцевой канал 8 и интенсивно смешивается с ним. Вторая часть горючего, через тангенциальные отверстия 9, поступает в ступенчатое расширение втулки 2, где закручивается относительно ее оси и далее впрыскивается в камеру жидкостного ракетного двигателя.
В варианте исполнения, часть горючего поступает в кольцевой зазор 11, выполненный внутри втулки 2.
В варианте исполнения, часть горючего, поступающего в осевой канал 4 наконечника 3, распределяется между радиальными отверстиями 7 и осевым отверстием 13.
В варианте исполнения, часть горючего, поступающего в осевой канал 4 наконечника 3, распределяется между отверстиями 14.
В варианте исполнения, часть горючего, поступающего в осевой канал 4 наконечника 3, распределяется между отверстиями 15, при этом торец наконечника 3 расположен в плоскости тангенциальных отверстий 9 втулки 2.
Использование предложенного технического решения позволит повысить полноту сгорания компонентов топлива за счет того, что часть горючего, поступающего в двухкомпонентную газожидкостную форсунку, подается системой струй в поперечный поток газообразного окислителя, что, в свою очередь, приводит к улучшению качества смесеобразования.