Камера сгорания жидкостного ракетного двигателя с вихревым движением топлива и окислителя
COMBUSTION CHAMBER OF LIQUID-PROPELLANT ENGINE WITH VORTEX MOVEMENT OF FUEL AND OXIDIZER

Область техники
Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при разработке камер сгорания для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Уровень техники
Эффективность камер сгорания ЖРД определяется рядом факторов, к числу которых относятся температурная стойкость корпуса и достижение максимально возможного значения удельного импульса, определяющего коэффициент полезного действия двигателя, в особенности, применительно к ракетным двигателям малой тяги, в камере сгорания которых трудно обеспечить достаточно высокую температуру ядра горения.
Известна камера сгорания ЖРД, содержащая корпус в форме тела вращения с вертикальной образующей и выходным отверстием в нижней части, а также средства направленного распыления топлива и окислителя для предварительного охлаждения стенок камеры сгорания с последующим поступлением в верхней ее части нагретых топливо-окислительных компонентов в поджигаемый газовый поток, движущийся в направлении выходного отверстия камеры сгорания (Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования/Добровольский М.В. // Москва, МГТУ 2005, с. 93 [1] - аналог). Аналог [1] представляет собой двухкорпусную (двухоболочечную) камеру сгорания, у которой во внешнем корпусе (внешней оболочки) предусмотрены средства организации движения охлаждающих жидких струй топлива и окислителя. К недостаткам данной камеры сгорания можно отнести организацию смесеобразования и горения вблизи охлаждаемой стенки при пониженной температуре и малое время пребывания компонентов горящей топливо-окислительной смеси в камере сгорания, приводящее к неполноте сгорания топлива.
Известна камера сгорания ЖРД, содержащая корпус в форме тела вращения с вертикальной образующей и выходным отверстием в нижней части, а также средства направленного распыления топлива и окислителя для предварительного охлаждения стенки корпуса за счет испарения на ней указанных компонентов с последующим их поступлением от внутренней поверхности указанной стенки в поток движущихся в направлении выходного отверстия камеры сгорания продуктов горения (RU 2572261, F02K 9/52, 2014 [2] - прототип). В выбранном в качестве прототипа объекте [2], ближайшем по назначению (ЖРД малой тяги), конструкции (однокорпусная камера сгорания) и достигаемому эффекту (обеспечения полного сгорания топлива в сочетании с эффективным охлаждением стенки корпуса), достижение указанных преимуществ обеспечивается за счет использования сложной системы распыления смесеобразующих компонентов с применением дефлекторов и ряда форсунок, направленных в осевом и перпендикулярном к нему направлениях, что снижает эффективность работы камеры сгорания.
Раскрытие изобретения
Задачей патентуемого изобретения является повышение КПД ЖРД при работе на углеводородном жидком топливе, а техническими результатами - обеспечение полноты сгорания топлива и эффективного охлаждения стенки корпуса камеры сгорания при существенном уменьшении гидравлического сопротивления тракта подачи в камеру сгорания топлива и окислителя. Указанные задача и технические результаты обеспечиваются тем, что в камере сгорания, содержащей корпус в форме тела вращения с вертикальной образующей и выходным отверстием в нижней части, а также средства направленного распыления топлива и окислителя для предварительного охлаждения стенки корпуса за счет испарения на ней указанных компонентов с последующим их поступлением от внутренней поверхности указанной стенки в центральное ядро движущегося в направлении выходного отверстия камеры сгорания газового потока продуктов горения, согласно патентуемому изобретению указанные средства направленного распыления топлива и окислителя выполнены в виде расположенных на наружной стороне указанной стенки вихреобразующих каналов, проходящих вокруг указанного корпуса, причем выходные щели указанных вихреобразующих каналов введены по касательной во внутренний объем нижней части указанного корпуса камеры сгорания в направлении, обеспечивающем вихревое винтообразное движение потоков топлива и окислителя снизу вверх на внутренней стороне указанной стенки.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемого изобретения и достигаемыми техническими результатами заключается в том, что: выполнение средств направленного распыления топлива и окислителя в виде расположенных на наружной стороне указанной стенки вихреобразующих каналов позволяет за счет полного исключения форсуночного распыления существенно уменьшить гидравлическое сопротивление тракта смесеобразующих реагентов;
введение выходных щелей от расположенных на наружной поверхности корпуса камеры сгорания указанных вихреобразующих каналов по касательной во внутренний объем нижней части указанного корпуса в направлении, обеспечивающем вихревое винтообразное движение потоков топлива и окислителя снизу вверх на внутренней стороне указанной стенки позволяет обеспечить эффективное охлаждение стенки корпуса камеры сгорания и полноту сгорания топлива за счет непрерывного смесеобразования по всей высоте камеры сгорания при постепенном поступательном перемещении винтообразного смесеобразующего вихревого потока к месту его поджигания в верхней части корпуса.
Изобретательский уровень
Исследование известности совокупности отличительных признаков патентуемого изобретения выявило наличие патента RU 2614902, F02K 9/64, 2017 [3]. Согласно [3] так же, как в патентуемом изобретении, предусматривается использование винтообразных охлаждающих каналов для топлива и окислителя. Однако в данном случае так же, как [1] речь идет о двухкорпусной (двухоболочечной) конструкции, где винтовые каналы нарезаны внутри внешнего корпуса (в оболочке), а не внутри камеры сгорания, в результате чего реагирование для потоков топлива и окислителя происходит только после выхода из внешней оболочки в камеру сгорания, то есть при этом не достигаются указанные выше технические результаты патентуемого изобретения. Кроме того для эффективного охлаждения внешней оболочки согласно [3] требуется введение внутрь винтообразных каналов технологически сложновыполнимых турбулизирующих элементов. Таким образом, наличие патента [3] не может служить основанием для отрицания удовлетворения в патентуемом изобретении условию «изобретательский уровень».
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 схематически изображена патентуемая камера сгорания в продольном разрезе; на фиг. 2 - то же в поперечном разрезе; на фиг. 3 - линии тока смесеобразующих реагентов патентуемой камеры сгорания.
Перечень позиций чертежа
10 - корпус камеры сгорания; 11 - согласующий профиль корпуса КС с ее выходным отверстием; 12 - выходное отверстие в нижней части камеры сгорания; 20, 30 - вихреобразующие каналы; 21, 31 - выходные щели вихреобразующих каналов; 40, 50 - трубопроводы подвода к камере сгорания топлива и окислителя; 60 - электроразрядное зажигательное устройство.
Осуществление изобретения
Патентуемая камера сгорания (КС) ЖРД содержит корпус 10 в форме тела вращения с вертикальной образующей и выходным отверстием 12 в нижней части (фиг. 1). В рассматриваемом примере корпус 10 выполнен, в основном, в форме шара. Для предотвращения турбулизации газового потока на выходе из КС нижняя часть поверхности шара искривлена профилем 11 для плавного сопряжения с выходным отверстием 12. КС снабжена также средствами направленного распыления топлива и окислителя для предварительного охлаждения стенки корпуса 10 за счет испарения на ней указанных компонентов с последующим их поступлением от внутренней поверхности указанной стенки в центральное ядро движущегося в направлении выходного отверстия 12 КС газового потока продуктов горения. Указанные средства согласно патентуемому изобретению выполнены в виде расположенных на наружной стороне указанной стенки вихреобразующих каналов 20, 30 соответственно топлива и окислителя проходящих вокруг корпуса 10. Выходные щели 21, 31 указанных вихреобразующих каналов введены по касательной во внутренний объем нижней части корпуса 10 КС в направлении, обеспечивающем вихревое винтообразное движение потоков топлива и окислителя снизу вверх на внутренней стороне указанной стенки (фиг. 1). Топливо и окислитель подводятся к вихреобразующим каналам 20, 30 по трубопроводам соответственно 40, 50 (фиг. 2) от непоказанных на чертеже соответственных резервуаров. В верхней части корпуса 10 установлено электроразрядное зажигательное устройство 60 (фиг. 1).
Работа камеры сгорания осуществляется следующим образом. Включается зажигательное устройство 60, после чего по трубопроводам 40, 50 осуществляется подача в вихреобразующие каналы 20, 30 соответственно жидкого топлива и жидкого окислителя. Выходя из щелей 21, 31 указанных каналов по касательной во внутренний объем нижней части корпуса 10 жидкие струи топлива и окислителя образуют примыкающие к внутренней стороне стенки корпуса 10 торообразные вихри в винтовом направлении снизу вверх (фиг. 3) с выделением в результате испарения на поверхности охлаждаемой ими стенки газовых фаз топливо-окислительной смеси, поджигаемой в верхней части корпуса 10 с образованием движущегося к выходному отверстию 12 осевого потока продуктов горения.
При этом за счет исключения форсуночного распыления реагентов обеспечивается существенное уменьшение гидравлического сопротивления топливо-окислительного тракта при эффективном охлаждении стенки корпуса 10 и полном сжигании топлива в результате поступления реагентов в ядро горения по всей высоте КС.
Промышленная применимость
Патентуемое изобретение отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и фигурах чертежа достаточно ясно, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области ракетной техники.