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

Изобретение относится к ракетной технике, а более конкретно - к организации смесеобразования и горения в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой и особо малой тяги.
Известна схема смесеобразования (М.В. Добровольский, «Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования», Москва, издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005, стр.93, рис.3.12 в), где оси струйных форсунок направлены на смесительный экран (дефлектор).
Основным недостатком приведенной схемы смесеобразования (когда струи окислителя и горючего попадают на поверхность дефлектора не под прямым углом к этой поверхности) являются растекание струй по поверхности экрана в виде пелен, поверхность жидкофазного контакта которых существенно меньше, чем у капель. При этом образующиеся в результате химических реакций газофазные промежуточные продукты образуют газовую прослойку, которая разделяет пелены окислителя и горючего. Оставшиеся непрореагировавшими слои окислителя и горючего снижают полноту перемешивания топлива и, как результат - снижается полнота сгорания. Эта схема смесеобразования не позволяет распылить струи на мелкие капли даже при больших скоростях столкновения струи с экраном порядка 30 м/с и более.
Известна также камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги (Статья 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», Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3 (19), 2009, стр.171-177).
Известная камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги состоит из камеры, корпуса смесительной головки с каналами подачи компонентов топлива и коллектором первого из компонентов топлива с форсунками для пленочного охлаждения стенок камеры, направленными на кольцевой конический дефлектор, и коллектором второго компонента, сообщенного с форсунками центрального смесителя. Центральный смеситель представляет собой центробежную форсунку, пелена компонента топлива которой накладывается на пелену первого компонента топлива, растекающегося по стенке камеры. Процессы смесеобразования и воспламенения происходят на стенке камеры.
К недостаткам данной камеры сгорания можно отнести совмещение процесса охлаждения стенок камеры и организации смесеобразования и горения на стенке камеры и вблизи нее. И действительно, с учетом неравномерности толщины пелен и жгутов, стекающих с дефлектора на стенку камеры сгорания, и неравномерности распределения по окружности компонента топлива, поступающего на стенку камеры из центробежной форсунки, задача организации качественного смесеобразования и быстрого выхода двигателя на режим номинальной тяги становится трудноосуществимой. Некачественное перемешивание компонентов топлива приводит к снижению полноты сгорания и экономичности двигателя.
Задачами изобретения являются повышение экономичности двигателя за счет мелкодисперсного распыливания компонентов топлива и перемешивания их в ядре потока и улучшение динамических характеристик двигателя за счет уменьшения объема заклапанных полостей и увеличения площади контакта компонентов топлива в непосредственной близости от форсуночной головки при сохранении удовлетворительного теплового состояния камеры и форсуночной головки.
Решение заключается в том, что в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из камеры, корпуса смесительной головки с каналами подачи компонентов топлива и коллектором первого из компонентов топлива с форсунками для пленочного охлаждения стенок камеры, направленными на кольцевой конический дефлектор, и коллектора второго компонента, сообщенного с форсунками центрального смесителя, согласно изобретению коллектор первого компонента выполнен в виде кольцевой полости вокруг осевого коллектора второго компонента, а первый ряд форсунок первого компонента направлен радиально на кольцевой конический дефлектор, а центральный смеситель выполнен в виде струйных форсунок, направленных на второй дефлектор, имеющий форму двух сопрягающихся конических поверхностей, на одну из которых направлены перпендикулярно струйные форсунки первого компонента из кольцевого коллектора, а на вторую - перпендикулярно струйные форсунки из осевого коллектора второго компонента топлива. Второй дефлектор может быть выполнен с поверхностью в виде торового сектора, а форсунки направлены перпендикулярно к этой поверхности.
Такая конструкция камеры сгорания позволяет организовать смесеобразование в ядре потока, что способствует существенному повышению экономичности двигателя и улучшению его динамических характеристик.
Предлагаемая конструкция поясняется чертежом. На фиг. 1 показан продольный разрез камеры сгорания ЖРДМТ со вторым дефлектором, имеющим конические поверхности; на фиг. 2 - продольный разрез смесительной головки с дефлектором в виде поверхности торового сектора.
Камера сгорания ЖРДМТ состоит из корпуса форсуночной головки 1, кольцевого коллектора 2 окислителя, первого кольцевого конического дефлектора 3, камеры 4, центрального распылителя 5 с форсунками окислителя 6, исходящими из коллектора 2 окислителя, и форсунками горючего 7, исходящими из коллектора горючего 8, второго кольцевого дефлектора 9 с сопряженными коническими поверхностями 10 и 11 или с поверхностью торового сектора 12 (фиг. 2). Форсунки окислителя 13 направлены на первый конический дефлектор 3 и служат для организации пленочного охлаждения стенки камеры 4. Окислитель поступает в коллектор окислителя 2 по подводящему каналу 14, а горючее - в коллектор 8 по подводящему каналу 15.
Камера сгорания работает следующим образом. Окислитель через подводящий канал 14, выполненный в корпусе форсуночной головки 1, поступает в кольцевой коллектор 2 окислителя, где разделяется на две части: одна часть через струйные форсунки 13 поступает в виде струй на коническую кольцевую поверхность первого дефлектора 3, на которой струи растекаются, преобразуясь в пелену; пелена, стекая с кромки кольцевого дефлектора 3, попадает на внутреннюю поверхность камеры 4 и охлаждает ее; другая часть окислителя через струйные форсунки 6 центрального распылителя 5 в виде струй по нормали к конической поверхности 11 ударяется об эту поверхность и распыляется в виде тумана. Дисперсность распыленных струй зависит от скорости: чем больше скорость струи, тем меньше размер капель.
Горючее поступает через подводящий канал 15 в коллектор горючего 8 центрального распылителя 5 и через струйные форсунки 7 в виде струй по нормали к конической поверхности 10 дефлектора 9. Ударяясь о поверхность дефлектора, струи распыляются в виде тумана. Конические поверхности 10 и 11 обращены к центру камеры сгорания и имеют тупой внутренний угол сопряжения. Точки соударения пары струй окислителя и горючего располагаются вблизи друг от друга, но на разных конических поверхностях дефлектора 9. За счет такой формы дефлектора отраженные от поверхности и распыленные в виде тумана потоки капель окислителя и горючего пересекаются и проникают один в другой, обеспечивая качественное и быстрое перемешивание компонентов топлива. Распыленные в виде тумана окислитель и горючее образуют развитые поверхности столкновения мелких капель. Происходит жидкофазное перемешивание столкнувшихся капель компонентов топлива с образованием жидкофазных промежуточных продуктов, повышением температуры промежуточных продуктов и образованием парогаза, в результате чего образуются очаги пламени и продукты сгорания. Вихревые токи вблизи дефлектора 9 способствуют выравниванию состава газов, что, в свою очередь, приводит к выравниванию распределения соотношения компонентов топлива по сечению камеры сгорания.
Результирующий поток каждой пары перемешиваемых распыленных струй направлен к центру камеры, в результате чего происходит столкновение этих потоков и вторичное перемешивание, что ведет к увеличению полноты сгорания.
На дефлекторе с отражающей поверхностью в виде торового сектора 12 (фиг.2) происходят процессы, аналогичные описанным выше, но концентрация потоков распыленных окислителя и горючего возрастает, а значит, возрастает интенсивность перемешивания и жидкофазные предпламенные процессы протекают быстрее, что, помимо увеличения полноты сгорания, должно привести к улучшению динамических характеристик двигателя.
Положительными качествами заявляемой конструкции являются:
- организация смесеобразования в ядре потока, позволяющая получить равномерное по сечению камеры распределение соотношения компонентов топлива, которое, в свою очередь, способствует равномерному распределению температуры продуктов сгорания по сечению камеры и совместно с организованным охлаждением стенок камеры и сопла обеспечивает удовлетворительное тепловое состояние и высокую экономичность двигателя;
- размещение коллекторов окислителя и горючего в осевой зоне камеры сгорания позволяет существенно уменьшить объемы заклапанных полостей, и как следствие - улучшить динамические характеристики двигателя;
- применение струйных форсунок в конструкции камеры сгорания приводит к значительному улучшению технологичности двигателя.