ФОРСУНКА С ФОРСУНОЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, РАСПОЛОЖЕННЫМИ В ОКРУЖНЫХ РЯДАХ, КОТОРЫЕ ЧЕРЕДУЮТСЯ МЕЖДУ ЗАКРУЧИВАНИЕМ ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ И ЗАКРУЧИВАНИЕМ ПО ЧАСОВОЙ СТРЕЛКЕ
NOZZLE WITH NOZZLE ELEMENTS ARRANGED IN CIRCUMFERENTIAL ROWS THAT ALTERNATE BETWEEN COUNTERCLOCKWISE TWISTING AND CLOCKWISE TWISTING

[0001] Это изобретение было сделано при государственной поддержке в рамках контракта № FA9300-07-C-001, заключенного Военно-воздушными силами Соединенных Штатов. Правительство имеет определенные права на изобретение.
Уровень техники
[0002] Ракетные двигатели на жидком топливе могут приводиться в действие горючим топливом и окислителем. Топливо и окислитель обычно подаются в форсунку, которая имеет множество форсуночных элементов, которые вводят указанные компоненты в камеру сгорания для осуществления сгорания. Затем продукты сгорания выпускаются через сопло, расположенное ниже по потоку от камеры сгорания, для обеспечения тяги.
Раскрытие сущности изобретения
[0003] Форсунка для жидкостного ракетного двигателя согласно одному примеру настоящего раскрытия включает в себя массив форсуночных элементов. Каждый форсуночный элемент имеет центральный канал, который определяет центральную ось, и множество периферийных поперечных каналов. Центральные каналы сконфигурированы для обеспечения осевого потока впрыска, а периферийные поперечные каналы сконфигурированы для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного вокруг осевого потока впрыска. Часть форсуночных элементов сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении по часовой стрелке, а другая часть форсуночных элементов сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении против часовой стрелки. Форсуночные элементы расположены таким образом, чтобы образовывать множество окружных рядов. Форсуночные элементы каждого из окружных рядов либо все имеют направление по часовой стрелке, либо все имеют направление против часовой стрелки, причем предусмотрен по меньшей мере один окружной ряд с направлением по часовой стрелке и по меньшей мере один окружной ряд с направлением против часовой стрелки.
[0004] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления каждый из форсуночных элементов включает в себя первую трубку, которая обеспечивает центральный канал, и вторую, наружную трубку, расположенную на конце первой трубки таким образом, чтобы обеспечить кольцевое пространство между ними. Периферийные поперечные каналы проходят через вторую трубку и выходят в кольцевое пространство.
[0005] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления периферийные поперечные каналы предусмотрены в двух окружных рядах вокруг второй трубки.
[0006] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления вторая трубка выходит за пределы конца первой трубки так, чтобы определить чашеобразную область между концом первой трубки и концом второй трубки.
[0007] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке.
[0008] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды включают в себя по меньшей мере два последовательных окружных ряда, которые имеют либо направление по часовой стрелке, либо направление против часовой стрелки.
[0009] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды включают в себя группу окружных рядов, которые чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке, и по меньшей мере два последовательных окружных ряда, которые имеют либо направление по часовой стрелке, либо направление против часовой стрелки. По меньшей мере два последовательных окружных ряда расположены радиально внутри группы чередующихся окружных рядов.
[0010] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления группа окружных рядов, которые чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке, включает в себя по меньшей мере четыре окружных ряда.
[0011] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды включают в себя группу окружных рядов, которые чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке, и группу последовательных окружных рядов, которые имеют либо направление по часовой стрелке, либо направление против часовой стрелки.
[0012] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления один из форсуночных элементов расположен в виде одиночного центрального форсуночного элемента, а окружные ряды расположены концентрически вокруг указанного одиночного центрального форсуночного элемента.
[0013] Жидкостный ракетный двигатель согласно одному примеру настоящего раскрытия включает в себя камеру сгорания, сопло, присоединенное к камере сгорания, и форсунку, присоединенную к камере сгорания. Форсунка включает в себя массив форсуночных элементов. Каждый форсуночный элемент включает в себя центральный канал, который определяет центральную ось, и множество периферийных поперечных каналов. Центральные каналы сконфигурированы для обеспечения осевого потока впрыска, а периферийные поперечные каналы сконфигурированы для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного вокруг осевого потока впрыска. Часть форсуночных элементов сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении по часовой стрелке, а другая часть форсуночных элементов сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении против часовой стрелки. Форсуночные элементы расположены таким образом, чтобы образовывать множество окружных рядов. Форсуночные элементы каждого из окружных рядов либо все имеют направление по часовой стрелке, либо все имеют направление против часовой стрелки, причем предусмотрен по меньшей мере один окружной ряд с направлением по часовой стрелке и по меньшей мере один окружной ряд с направлением против часовой стрелки.
[0014] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления сопло представляет собой сужающееся-расширяющееся сопло.
[0015] Следующий вариант осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления включает в себя источник топлива и источник окислителя.
[0016] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления каждый из форсуночных элементов включает в себя первую трубку, которая обеспечивает центральный канал, и вторую, наружную трубку, расположенную на конце первой трубки таким образом, чтобы обеспечить кольцевое пространство между ними. Периферийные поперечные каналы проходят через вторую трубку и выходят в кольцевое пространство.
[0017] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке.
[0018] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды включают в себя по меньшей мере два последовательных окружных ряда, которые имеют либо направление по часовой стрелке, либо направление против часовой стрелки.
[0019] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды включают в себя группу окружных рядов, которые чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке, и по меньшей мере два последовательных окружных ряда, которые имеют либо направление по часовой стрелке, либо направление против часовой стрелки. По меньшей мере два последовательных окружных ряда расположены радиально внутри группы чередующихся окружных рядов.
[0020] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления группа окружных рядов, которые чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке, включает в себя по меньшей мере четыре окружных ряда.
[0021] В следующем варианте осуществления из любых из вышеупомянутых вариантов осуществления окружные ряды включают в себя группу окружных рядов, которые чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке, и группу последовательных окружных рядов, которые имеют либо направление по часовой стрелке, либо направление против часовой стрелки.
[0022] Форсунка согласно одному примеру настоящего раскрытия включает в себя массив форсуночных элементов. Каждый форсуночный элемент включает в себя центральный канал, который определяет центральную ось, и множество периферийных поперечных каналов. Центральные каналы сконфигурированы для обеспечения осевого потока впрыска, а периферийные поперечные каналы сконфигурированы для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного вокруг осевого потока впрыска. Часть форсуночных элементов сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении по часовой стрелке, а другая часть форсуночных элементов сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении против часовой стрелки. Форсуночные элементы расположены таким образом, чтобы образовывать множество рядов. Форсуночные элементы каждого из рядов либо все имеют направление по часовой стрелке, либо все имеют направление против часовой стрелки, причем предусмотрен по меньшей мере один ряд с направлением по часовой стрелке и по меньшей мере один ряд с направлением против часовой стрелки.
Краткое описание чертежей
[0023] Различные особенности и преимущества настоящего раскрытия станут очевидными для специалистов в данной области из следующего подробного описания. Чертежи, сопровождающие нижеследующее подробное описание, могут быть кратко описаны следующим образом.
[0024] На фиг. 1 показан пример жидкостного ракетного двигателя.
[0025] На фиг. 2 показан типичный пример форсуночного элемента форсунки жидкостного ракетного двигателя.
[0026] На фиг. 3А показан вид в разрезе форсунки с фиг. 2 для закручивания против часовой стрелки.
[0027] На фиг. 3В показан вид в разрезе форсунки для закручивания по часовой стрелке.
[0028] На фиг. 4 показан другой вид в разрезе форсуночного элемента с фиг. 2.
[0029] На фиг. 5 показан типичный разрез форсунки на осевом виде.
[0030] На фиг. 6 показан еще один пример типичного разреза форсунки на осевом виде.
Осуществление изобретения
[0031] На фиг. 1 схематически показана камера сгорания ракетного двигателя 20 на жидком топливе. Как будет понятно, существует множество различных типов двигателей на жидком топливе, к которым может применяться настоящее раскрытие. В связи с этим, хотя и не показано, двигатель 20, как правило, будет иметь трубопровод для подачи топлива и окислителя, а также насосы и клапаны для управления подачей этими компонентами.
[0032] В этом примере двигатель 20 может работать для перекачки топлива (например, жидкого водорода или жидкого углеводорода) из источника 22 топлива и окислителя (например, обогащенного окислителем горячего отработавшего газа турбины) из источника 24 окислителя в форсунку 26. Форсунка 26, как правило, может включать в себя корпус 28 форсунки и форсуночные элементы 30, которые могут эксплуатироваться для подачи топлива и окислителя в расположенную ниже по потоку камеру 32 сгорания для осуществления сгорания. Например, камера 32 сгорания имеет цилиндрическую форму и выполнена из металлического сплава. Затем продукты сгорания выпускаются через сопло 34 для создания тяги. В показанном примере сопло 34 представляет собой сужающееся-расширяющееся сопло, которое включает в себя сужающуюся секцию 34а, горловину 34b и расширяющуюся секцию 34с. Сопло 34 прикреплено к камере 32 сгорания, а камера 32 сгорания прикреплена к форсунке 30.
[0033] На фиг. 2 показан один типичный форсуночный элемент из форсуночных элементов 30 форсунки 26. Каждый форсуночный элемент 30 расположен вокруг центральной оси А и включает в себя трубку 36, которая обеспечивает центральный канал 38. Центральный канал 38 выполнен с возможностью обеспечения осевого потока впрыска, как показано позицией 40, газа-окислителя. В связи с этим трубка 36 имеет впуск 36а на своем одном конце и выпуск 36b на противоположном конце. Впуск 36а соединен с источником 24 окислителя.
[0034] На втором конце первой трубки 36 предусмотрена соосная с ней вторая трубка 42, которая обычно выполнена заодно с первой трубкой 36. Вторая трубка 42 в диаметре больше первой трубки 36 и, таким образом, обеспечивает кольцевое пространство 44 между поверхностью наружного диаметра на втором конце первой трубки 36 и поверхностью внутреннего диаметра второй трубки 42. Поскольку трубки являются выполненными заодно или по меньшей мере соединенными, кольцевое пространство 44 заканчивается в месте 43. Вторая трубка 42 выходит за пределы второго конца первой трубки 36 и, таким образом, определяет чашеобразную область R между концами трубок 36 и 42.
[0035] Как показано на видах в разрезе на фиг. 3А и 4, вторая трубка 42 включает в себя множество периферийных поперечных каналов 46. В этом примере каждый канал 46 является линейным и проходит тангенциально к кольцевому пространству 44 между первой трубкой 36 и второй трубкой 42. Каждый канал 46 имеет впуск 46а на поверхности наружного диаметра второй трубки 42 или вблизи нее и выпуск 46b, который выходит на поверхности внутреннего диаметра второй трубки 42 в кольцевое пространство 44. Впуски 46а могут быть соединены с каналами или коллектором для подачи в них топлива из источника 22 топлива.
[0036] Как показано на видах в поперечном разрезе на фиг. 3А и 4, форсуночный элемент 30 включает в себя два окружных ряда каналов 46. В этом примере тангенциальная ориентация каналов 46 сконфигурирована для ввода потока топлива в кольцевое пространство 44 в тангенциальном направлении, тем самым создавая вихревой поток впрыска топлива, закрученный вокруг кольцевого пространства 44 и, в конечном счете, вокруг осевого потока 40 впрыска окислителя, в чашеобразной области R из первой трубки 36. Таким образом, в зависимости от наклонной ориентации каналов 46 вихревой поток впрыска, представленный позицией 45, может быть закручен либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, если смотреть на форсуночный элемент 30 в осевом направлении со стороны камеры 32 сгорания. Как показано на фиг. 3А и 4, каналы 46 ориентированы таким образом, чтобы обеспечить вихревой поток впрыска, закрученный (исключительно) в направлении против часовой стрелки, и, таким образом, представляют форсуночный элемент 30, который имеет направление против часовой стрелки.
[0037] Форсуночный элемент 30 для направления по часовой стрелке имеет ту же конструкцию, что и описанная выше, за исключением того, что каналы 46 ориентированы в противоположном направлении. На фиг. 3В показан пример, в котором каналы 46 ориентированы в противоположном направлении, чтобы обеспечить вихревой поток впрыска, закрученный (исключительно) в направлении по часовой стрелке.
[0038] Как будет описано более подробно ниже, часть форсуночных элементов 30 форсунки 26 может быть сконфигурирована с каналами 46 для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного исключительно в направлении против часовой стрелки, в то время как другие форсуночные элементы 30 могут быть сконфигурированы для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного исключительно в направлении по часовой стрелке.
[0039] На фиг. 5 показан типичный разрез форсунки 26, если смотреть в осевом направлении с верхней части камеры 32 сгорания. В этом примере часть форсуночных элементов 30 сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении против часовой стрелки (см., например, фиг. 3А), а другая часть форсуночных элементов 30 сконфигурирована для обеспечения вихревого потока впрыска, закрученного в направлении по часовой стрелке (см., например, фиг. 3В). Например, форсуночные элементы 30 в каждом отдельном ряду 48 либо все имеют направление по часовой стрелке, либо все имеют направление против часовой стрелки. В показанном примере ряды 48, расположенные по часовой стрелке, представлены кольцевой стрелкой, обозначенной "CW", а ряды 48, расположенные против часовой стрелки, представлены кольцевой стрелкой, обозначенной "CCW".
[0040] В этом примере показан 60°-ный сектор форсунки 26. Указанный сектор представляет собой повторяющийся элемент форсунки 26 такой, чтобы шесть одинаковых секторов могли быть собраны вместе, образуя полную кольцевую конфигурацию форсунки 26. Как показано, форсуночные элементы 30 видны на задней поверхности форсунки 26. Форсуночные элементы 30 расположены в массиве с одним единственным форсуночным элементом 30а в центре, а затем окружными рядами 48 форсуночных элементов 30, представленными в виде рядов 48-1, 48-2, 48-3, 48-4, 48-5, 48-6, и 48-7 (в совокупности "ряды 48"). Форсуночные элементы 30, как правило, равномерно расположены на расстоянии друг от друга в рядах 48, и ряды 48 концентричны вокруг центрального форсуночного элемента 30а.
[0041] На фиг. 5 показан пример с чередующимся реверсируемым закручиванием (ARS, от англ. alternatively reversed swirl) между соседними окружными рядами форсунки 26. В этом примере все окружные ряды 48-1, 48-2, 48-3, 48-4, 48-5, 48-6, и 48-7 имеют чередующуюся конфигурацию, а именно направление по часовой стрелке и направление против часовой стрелки, чередующиеся между соседними рядами. Другие предполагаемые конфигурации включают в себя чередование только двух самых внешних окружных рядов, за которыми следуют последовательные ряды, которые все имеют направление по часовой стрелке или против часовой стрелки. Как будет понятно, в любом из приведенных здесь примеров также подразумеваются инверсные схемы направления по часовой стрелке или направления против часовой стрелки.
[0042] На фиг. 6 показан другой пример с частичным ARS (PARS, от англ. partial ARS). В этом примере центральный форсуночный элемент 30а имеет направление по часовой стрелке, и за ним следуют, перемещаясь радиально наружу, по меньшей мере два, но в этом примере три последовательных окружных ряда 148-1, 148-2 и 148-3, которые имеют направление по часовой стрелке. Соседние ряды последних внешних четырех окружных рядов 148-4, 148-5, 148-6 и 148-7 чередуются по направлению между направлением против часовой стрелки и направлением по часовой стрелке.
[0043] Следующий пример сравнения между базовой форсункой, в которой все форсуночные элементы закручены в одном направлении, и структурой ARS основан на решениях вычислительной динамики текучих сред (CFD, от англ. computational fluid dynamics) реактивного потока в стационарном режиме для внутреннего потока внутри блока камеры сгорания (комбинация форсунки 26, камеры 32 и сопла 34) в условиях высокого давления (обычно около 3000 фунтов на квадратный дюйм), в который подают жидкое топливо и обогащенный окислителем горячий отработавший газ турбины, который находится в условиях сверхкритического давления как для топлива, так и для окислителя. Потоки топлива, впрыскиваемые из каждого форсуночного элемента, имеют тенденцию закручиваться вокруг центрального осевого потока окислителя. Между соседними кольцевыми рядами форсуночных элементов базовая форсунка обеспечивает сдвигающее взаимодействие, в то время как структура ARS обеспечивает разрывающее взаимодействие. При сдвигающем взаимодействии в поперечном сечении окислитель сохраняет относительно круглую форму, когда он выходит из форсунки в камеру сгорания и проходит вдоль нее. Однако при разрывающем взаимодействии поперечное сечение потока окислителя имеет тенденцию удлиняться в направлениях, поперечных центральным осям А форсуночных элементов 30, тем самым увеличивая площадь поверхности для более быстрого перемешивания и сжигания, следовательно, сокращая осевую длину потока окислителя. Следовательно, в самых внешних рядах, по сравнению с базовой форсункой, более короткие потоки окислителя структуры ARS не будут проникать и разрушать охлаждающий слой топливной пленки на стенке камеры в такой степени, так что появление огневых дорожек на стенках камеры сгорания может быть значительно уменьшено.
[0044] Следующий сравнительный пример между конфигурациями ARS и PARS основан на решениях CFD реактивного потока в стационарном режиме для внутреннего потока внутри блока камеры сгорания при тех же условиях. Конфигурации частичного ARS имеют реверсное закручивание в трех, двух или одном четном ряду. Было обнаружено, что реверсирование в двух рядах имеет наилучшую эффективность выделения энергии (ERE, от англ. energy release efficiency) и очень близко сравнимое тепловое состояние стенок. Следует учесть, что каждый форсуночный элемент создает трубку тока, в которой поток топлива и поток окислителя первоначально находятся в расслоенном состоянии, но в конечном итоге смешиваются и сжигаются, и подлежат смешиванию с жидкостью за пределами этих трубок тока. Эффективность выделения энергии (ERE) становится оптимальной из-за конкурирующего действия трубного смешивания в потоке (ISTM, от англ. in-stream tube mixing) и трубного смешивания между потоками (BSTM, от англ. between-stream tube mixing). Структура ARS способствует ISTM и, следовательно, тепловому расширению, которое ускоряет осевое движение частиц текучей среды, что приводит к уменьшению времени пребывания для BSTM.
[0045] Хотя комбинация признаков показана в иллюстрированных примерах, не все из них необходимо комбинировать для реализации преимуществ различных вариантов осуществления настоящего раскрытия. Другими словами, система, разработанная в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия, не обязательно будет включать все признаки, показанные на любой из фигур, или все части, схематически показанные на фигурах. Кроме того, выбранные признаки одного примерного варианта осуществления могут быть объединены с выбранными признаками других примерных вариантов осуществления.
[0046] Предыдущее описание носит иллюстративный, но не ограничивающий характер. Вариации и модификации раскрытых примеров могут стать очевидными для специалистов в данной области, которые не обязательно отступают от настоящего раскрытия. Объем правовой охраны, предоставляемой этому раскрытию, может быть определен только путем изучения нижеследующей формулы изобретения.