ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ФОРСУНКА С ВНУТРЕННИМ СМЕШЕНИЕМ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА ДЛЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ ТЯГИ

Двухкомпонентная центробежная форсунка с внутренним смешением компонентов топлива для жидкостных ракетных двигателей малой тяги
Полезная модель относится к области организации смесеобразования в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРДМТ), работающих в вакууме на самовоспламеняющихся компонентах топлива.
Известны двухкомпонентные центробежные форсунки, используемые в ЖРДМТ (В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин. Теория ракетных двигателей. Третье издание. Москва. «Машиностроение» 1980, стр. 237-239; М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Издательство «Машиностроение». Москва 1968. стр. 88-90), которые представляют собой две цилиндрические полости, в верхней части которых выполнены отверстия, перпендикулярные оси цилиндрических полостей и касательные к стенкам полостей.
Основным недостатком центробежных форсунок с внутренним смешением является слабое распыливание конусообразной газо-жидкостной смеси (эмульсии) после истечения из форсунки: сначала конусообразная газо-жидкостная смесь распадается на сравнительно большие жидкие части и только потом эти части распадаются на капли, которые никак нельзя считать пригодными для интенсивного горения, так как эти капли горючего и окислителя, взаимодействуя друг с другом, образуют продукты сгорания, которые препятствуют дальнейшему взаимодействию капель. Иначе говоря, происходит сепарация компонентов топлива продуктами сгорания. Серьезным недостатком является также задержка самовоспламенения топлива, что при работе ЖРДМТ в импульсном режиме приводит к существенному уменьшению полноты сгорания топлива.
Основной режим работы ЖРДМТ - импульсный. Такой режим в настоящее время характеризуется большой величиной времени задержки самовоспламенения топлива, медленным набором максимального давления в 2
камере сгорания и низкой полнотой сгорания топлива в течение времени задержки самовоспламенения топлива.
Полноту сгорания топлива в ЖРДМТ с центральной двухкомпонентной форсункой, можно увеличить на некоторую величину путем увеличения объема камеры сгорания и применив жаропрочные и жаростойкие материалы для камеры сгорания. Но такой вариант имеет существенные недостатки -заметно ухудшаются весовые характеристики ракеты за счет уменьшения полезной нагрузки. Увеличатся также потери топлива за счет лучеиспускания с поверхности очень горячей камеры сгорания.
Технической задачей настоящей полезной модели является оптимизация процессов смесеобразования в ЖРДМТ.
Задача решается за счет того, что на форсунку, состоящую из двух камер с отверстиями, перпендикулярными оси форсунки по касательной к стенке камеры сгорания, и имеющую осевое отверстие форсунки, устанавливают сопло, состоящее из двух сопряженных поверхностей и имеющее острую кромку среза сопла в 90° (-3°), причем высота сопла определена по формуле h=4d, где d - диаметр отверстия форсунки.
Кроме того внутренняя поверхность сопла имеет среднее арифметическое отклонение от профиля 1.25-2.5 мкм.
Величина h=4d выбрана как предполагаемая минимальная величина высоты h; при которой в пределах сопла активно взаимодействуют компоненты топлива. Оптимальная высота h может быть незначительно увеличена.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена двухкомпонентная центробежная форсунка;
на фиг. 2 изображен графический способ расчета высоты сопла при различных углах распыла: а - при 2α=80°, б - при 2α=90°, в - при 2α=130°.
Двухкомпонентная центробежная форсунка 1 состоит из двух камер 2, 3 и сопла 4. Обозначения: h - высота сопла, d - диаметр отверстия форсунки для подачи топлива в камеру сгорания, D - внутренний диаметр среза сопла 3
форсунки, 2α - полный угол распыла форсунки, h/2 - расстояние от среза сопла до точки, через которую проходит линия сопряжения двух поверхностей.
В таблице представлены значения высоты h сопла, выраженного через диаметр d, и внутреннего диаметра D среза сопла форсунки от полного угла 2α распыла форсунки. Все параметры определяются расчетно-графическим путем строго в масштабе (фиг. 2).
Центробежная форсунка с соплом работает следующим образом. При включении двигателя из центробежной форсунки 1 истекает конусообразная газожидкостная смесь (эмульсия), которая должна попадать на внутреннюю поверхность сопла 4 в место сопряжения 5 двух поверхностей или на 2-3 мм выше. Закрученная эмульсия растекается по внутренней поверхности сопла и взаимодействует с острой кромкой 6 среза сопла. Острая кромка имеет угол в 90° (-3°). Это взаимодействие механически дробит эмульсию, превращая эмульсию в мелкодисперсное, туманообразное состояние, в котором активно взаимодействуют горючее и окислитель.