ФОРСУНОЧНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ЖРД

Полезная модель относится к области ракетной техники и может быть использована при создании смесительных головок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Одной из проблем при разработке ЖРД со смесительными головками камер сгорания является высокое гидравлическое сопротивление форсунок, что приводит к необходимости обеспечивать высокое давление компонента ракетного топлива на входе в нее, а это, в свою очередь, влечет за собой необходимость повышать выходное давление компонента ракетного топлива на выходе из турбонасосного агрегата (ТНА). Все это вместе приводит к необходимости усиливать, утяжелять весь гидравлический тракт от самого ТНА до смесительной головки, в состав которой входят форсунки, как правило, в большом количестве.
Еще одной проблемой в рассматриваемой области является чрезмерная длина форсунок, которая влечет за собой необходимость закладывать в конструкцию смесительной головки и повышенную ее длину, и соответственно, повышенную ее массу, что отрицательно сказывается на самом двигателе, и в конечном итоге, на всей ракете (патент RU 2525787, 20.08.2014, F02K 9/52).
1
Известна форсуночная головка камеры сгорания ЖРД (патент RU 2231668, 27.06.2004, F02K 9/52), содержащая корпус и огневое днище с установленными в них форсунками с центральным и тангенциальным каналами, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, в которых центральный канал выполнен профилированным с сужающейся входной и расширяющейся выходной частью с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения, а начальная зона входной части профилированного центрального канала форсунки выполнена цилиндрической формы с последующим переходом в коническую, при этом радиус перехода от конической части к минимальному сечению выполнен в соотношении r=d, где d - диаметр минимального проходного сечения, а длина входной цилиндрической части центрального канала составляет Lц=(1-2)d, угол конусности сужающейся части выполнен α=45-60°.
1
1
Признаки известного технического решения (патент RU 2231668, 27.06.2004, F02K 9/52), совпадающие с признаками заявляемой полезной модели, заключаются в том, что форсуночная головка камеры сгорания ЖРД содержит корпус и огневое днище с установленными в них форсунками с центральным и тангенциальным каналами, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, в которых центральный канал выполнен профилированным с сужающейся входной и расширяющейся выходной частью с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения, а начальная зона входной части профилированного центрального канала форсунки выполнена цилиндрической формы с последующим переходом в коническую, при этом радиус перехода от конической части к минимальному сечению выполнен в соотношении r=d, где d - диаметр минимального проходного сечения, а длина входной цилиндрической части центрального канала составляет Lц=(1-2)d, где d - диаметр входа центрального канала.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении (патент RU 2231668, 27.06.2004, F02K 9/52) технического результата, который достигается заявляемой полезной моделью, состоит в том, что, во-первых, при выполнении угла конусности сужающейся части в диапазоне α=45-60° форсуночная головка по своим габаритным и весовым характеристикам находится на низком уровне (излишняя длина и, соответственно, излишняя масса форсуночной головки), и, во-вторых, при выполнении центрального канала профилированным с сужающейся входной частью форсуночная головка также находится на низком уровне по экономическим показателям (большая трудоемкость изготовления и контроля, большое время изготовления, сложный и дорогостоящий специализированный инструмент).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение габаритных, весовых и экономических характеристик форсуночной головки.
Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, состоит в уменьшении длины и массы форсуночной головки, в снижении трудоемкости изготовления и контроля, в уменьшении времени изготовления.
1
1
Достигается технический результат тем, что в форсуночной головке, содержащей корпус и огневое днище с установленными в них форсунками с центральным и тангенциальным каналами, соединяющими полости компонентов с полостью камеры сгорания, в которых центральный канал выполнен профилированным с сужающейся входной и расширяющейся выходной частью с образованием в месте их перехода минимального проходного сечения, а начальная зона входной части профилированного центрального канала форсунки выполнена цилиндрической формы с последующим переходом в коническую, при этом радиус перехода от конической части к минимальному сечению выполнен в соотношении r=d, где d - диаметр минимального проходного сечения, а длина входной цилиндрической части центрального канала составляет Lц=(1-2)d, где d - диаметр входа центрального канала, центральный канал форсунки с сужающейся входной частью, переходящей в коническую часть, имеет угол конусности конической части α=120-180°.
Выполнение центрального канала форсунки с сужающейся входной частью, переходящей в коническую, с углом конусности конической части α=120-180° позволяет снизить трудоемкость изготовления форсунки за счет возможности применения обычного широко распространенного недорогого инструмента, а именно, стандартного сверла с углом заточки режущих кромок α=120°. Таким сверлом возможно формирование всей полости входной части канала форсунки (до минимального проходного сечения) за один проход, что по сравнению с прототипом значительно упрощает и удешевляет эту операцию, где формирование полости входной части канала должно производиться за несколько проходов (вначале - цилиндрическая часть, затем - коническая часть, отдельно - закругления).
Еще к большему снижению длины всей форсуночной головки и ее массы приводит выполнение угла конусности конической части более α=120° вплоть до полного выполаживания конической поверхности до угла α=180°. Этот угол может быть выполнен также простым стандартным инструментом, а именно торцевой фрезой
Описанные выше меры по снижению длины и массы форсуночной головки, хотя и повышают гидравлическое сопротивление входной части канала форсунки, но этот минус значительно перекрывается плюсами от снижения длины и массы форсуночной головки в целом, поскольку доля гидравлического сопротивления входной части форсунки в гидравлическом сопротивлении всей форсунки мизерна. Как показывают проведенные нами расчеты, эта доля не превышает ~1%. Основной вклад в общее гидравлическое сопротивление форсунки вносит ее минимальное проходное сечение и геометрия входных кромок (как правило ~99%).
В итоге, выполнение конусности конической части с углом α=120-180° обеспечивает достижение технического результата, состоящего в уменьшении длины и массы форсуночной головки, в снижении трудоемкости изготовления и контроля, в уменьшении времени изготовления.
Названный технический результат обеспечивает решение задачи заявляемой полезной модели, а именно, улучшение габаритных, весовых и экономических характеристик форсуночной головки.
Новые признаки заявляемого технического решения (полезной модели) заключаются в том, что, во-первых, угол конусности конической части выполнен α=120-180°.
Полезная модель иллюстрируется рисунком.
На рисунке изображена струйная форсунка, в которой входная часть канала 1 представляет собой цилиндр 2 и конус 3 с углом α=120°. Входная кромка 4 минимального проходного сечения 5 выполнена с радиусом r=d, где d - диаметр минимального проходного сечения 5. Линией 7 показана возможность уменьшения длины форсунки.
Уменьшение длины форсунки становится возможным за счет изменения угла конусности конической части входного канала с α=45-60° на α=120-180°, причем без ощутимых потерь в ее расходной характеристике.
Осуществление полезной модели подтверждается возможностью использования широко распространенного отечественного стандартного инструмента - сверла с углом заточки α=120°. Использование названного инструмента позволяет формировать (выполнять) входную часть центрального канала форсунки цилиндрической формы с последующим переходом в коническую (с углом конусности α=120°) за один проход. При необходимости формирования конической поверхности с углом конусности более α=120° (до α=180°) возможно применение стандартных сверл или торцевых фрез с углами заточки более α=120° (до α=180°).
Возможность формирования входной части центрального канала форсунки согласно заявляемой полезной модели таким упрощенным способом (за один проход) вместо усложненного способа (за несколько проходов несколькими нестандартными инструментами) в известной форсуночной головке (патент RU 2231668, 27.06.2004, F02K 9/52) дает снижение трудоемкости изготовления и контроля и уменьшение времени изготовления. При этом длина форсунки может быть уменьшена за счет уменьшения длины ее входной части, которая имеет цилиндрическую форму, что было невозможно в форсунке, имеющей сложно-профилированную входную часть. Уменьшение длины входной части форсунки может быть выполнено до любых значений, вплоть до достижения длины цилиндрического участка нулевого значения. А это еще один резерв  уменьшения длины форсунки. Длина форсунки - важный фактор, поскольку длину (высоту) всей форсуночной головки в основном определяет (диктует) длина форсунки. Уменьшение длины (высоты) форсуночной головки улучшает ее габаритные и весовые характеристики.
Проведенные соавторами заявляемой полезной модели расчеты показывают, что замена сложно-профилированной входной части форсунки на упрощенную входную часть в виде цилиндра и конуса, образуемых стандартным сверлом за один проход, не ухудшает практически расходные и другие характеристики форсунки. Те же расчеты показывают, что расходные и другие характеристики подобных (струйных) форсунок в основном зависят от диаметра минимального проходного сечения d и значения радиуса r перехода от конической части к минимальному сечению.
В названных расчетах были заданы следующие значения r=0,1;0,5;1,0 мм при диаметре минимального проходного сечения d=1,3 мм. При условии проливочных испытаний форсунки водой и перепаде давления на ней ρ=10,0 кгс/кв.см получены значения расхода G=47,98; 51,47; 56,49 куб.см/с соответственно. При этом расчет по форсунке со сложно-профилированной входной частью и значением r=1,0 мм при всех прочих равных условиях дал значение расхода G=56,37 куб.см/с, то есть практическое совпадение, что подтверждает (практически) независимость расходной характеристики струйной форсунки от формы ее входной части.
Описанное выше осуществление полезной модели подтверждает возможность получения технического результата, который состоит в уменьшении длины и массы форсуночной головки, в снижении трудоемкости изготовления и контроля, в уменьшении времени изготовления.
Названный технический результат обеспечивает решение поставленной в заявляемой полезной модели задачи, а именно улучшение габаритных, весовых и экономических характеристик форсуночной головки.