RU2171427C2 - Coaxial spray injector - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: the injector has a hollow tip, connecting the cavity of one component to the cavity of the combustion chamber, and a bush enveloping the tip with an annular gap and connecting the cavity of the other component of the combustion chamber. The bush internal cavity is shaped in the form of cylindrical surfaces of different diameter and length forming at least one annular contraction. The tip outlet section is positioned at a distance equal to (0 to 1.3) of the tip inside diameter from the bush outlet section, and through ducts are made in the tip, before the annular contraction at a distance equal to (1 to 4) of the tip diameter from the bush outlet section, the area of the ducts is less than the area of the tip flow section. EFFECT: enhanced economical efficiency of operation of the combustion chamber and specific thrust pulse in the design condition and in the throttling conditions due to a more qualitative fuel-air mixing. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при создании регулируемых ракетных двигателей. The invention relates to the field of rocket technology and can be used to create adjustable rocket engines.

В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей с изменяемой тягой является получение высокого значения удельного импульса на различных режимах работы двигателя. Регулирование тяги в таких двигателях производится изменением расхода компонентов топлива через форсунки смесительной головки. Уменьшение расхода жидкого компонента топлива приводит к квадратичному уменьшению перепада давления на форсунках, а газообразного - к линейному. При режиме, меньше номинального, изменение перепада давления на форсунках приводит к ухудшению условий смесеобразования, уменьшению полноты сгорания топлива, и, соответственно, потерям удельного импульса тяги. Кроме этого, на малых режимах работы двигателя, из-за низкого значения перепада давлений на форсунках, возникает неустойчивое горение в камере сгорания. Currently, one of the main problems in creating liquid-propellant rocket engines with variable thrust is to obtain a high specific impulse at various engine operating modes. Traction control in such engines is performed by changing the flow rate of the fuel components through the nozzles of the mixing head. A decrease in the flow rate of the liquid component of the fuel leads to a quadratic decrease in the pressure drop across the nozzles, and gaseous - to a linear one. When the mode is less than the nominal, a change in the pressure drop across the nozzles leads to a deterioration of the conditions of mixture formation, a decrease in the completeness of fuel combustion, and, consequently, loss of specific impulse of thrust. In addition, at low engine operating modes, due to the low pressure drop across the nozzles, unstable combustion occurs in the combustion chamber.

Известна соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющего полость одного компонента с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с полостью камеры сгорания, (В.Е. Алемасов и др., "Теория ракетных двигателей": Учебник студентов машиностроительных специальностей вузов, М. , Машиностроение, 1980, -533., ил., рис. 18.2, стр. 225 - 226 - прототип). Known coaxial-jet nozzle containing a tip in the form of a hollow cylinder connecting the cavity of one component with the cavity of the combustion chamber, a sleeve covering the tip with an annular gap and connecting the cavity of the other component with the cavity of the combustion chamber (V.E. Alemasov et al., " Theory of rocket engines ": Textbook of students of engineering specialties of universities, M., Mechanical Engineering, 1980, -533., Ill., Fig. 18.2, p. 225 - 226 - prototype).

В данной форсунке окислитель подается в камеру сгорания по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. Такая схема подачи компонентов топлива не позволяет изменять расход компонентов через форсунку в широком диапазоне без значительного ухудшения качества смесеобразования, так как перепад давления на форсунках по жидкостной линии изменяется квадратично при изменении расхода. Уменьшение перепада приводит к ухудшению условий работы форсунки и возникновению низкочастотной неустойчивости. Кроме этого, на основном режиме данная схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива и, соответственно, к потерям удельного импульса тяги. In this nozzle, the oxidizing agent is fed into the combustion chamber through the axial channel inside the tip, and the fuel through the annular gap between the sleeve and the tip. Such a scheme for supplying fuel components does not allow changing the flow rate of the components through the nozzle over a wide range without significant deterioration in the quality of mixture formation, since the pressure drop across the nozzles along the liquid line changes quadratically when the flow rate changes. The decrease in the differential leads to a deterioration in the operating conditions of the nozzle and the occurrence of low-frequency instability. In addition, in the main mode, this feed circuit does not provide a high-quality atomization of components, which leads to a decrease in the coefficient of completeness of fuel combustion and, consequently, to the loss of specific impulse of thrust.

Задачей изобретения является повышение экономичности работы камеры сгорания и удельного импульса тяги на номинальном режиме и на режимах дросселирования за счет обеспечения более качественного смесеобразования. The objective of the invention is to increase the efficiency of the combustion chamber and the specific impulse of thrust in the nominal mode and in the throttling modes by providing better mixture formation.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной соосно-струйной форсунке, содержащей наконечник в виде полого цилиндра, соединяющего полость одного компонента с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с полостью камеры сгорания, внутренняя поверхность втулки выполнена профилированной в виде цилиндрических на поверхностей различного диаметра и длины, образующих, по крайней мере, один кольцевой конфузор, при этом выходное сечение наконечника расположено на расстоянии, равном (0...1,3) внутреннего диаметра наконечника от выходного сечения втулки, а в наконечнике, перед кольцевым конфузором, на расстоянии от выходного сечения втулки, равном (1...4) внутреннего диаметра наконечника, выполнены сквозные каналы, соединяющие полость наконечника и втулки, площадь которых меньше площади проходного сечения наконечника. The problem is achieved in that in the proposed coaxial-jet nozzle containing a tip in the form of a hollow cylinder connecting the cavity of one component with the cavity of the combustion chamber, a sleeve covering the tip with an annular gap and connecting the cavity of the other component with the cavity of the combustion chamber, the inner surface of the sleeve is made profiled in the form of cylindrical on surfaces of various diameters and lengths, forming at least one annular confuser, while the output section of the tip is located the wife at a distance equal to (0 ... 1.3) the inner diameter of the tip from the output section of the sleeve, and in the tip, in front of the annular confuser, at a distance from the output section of the sleeve equal to (1 ... 4) the internal diameter of the tip through channels connecting the cavity of the tip and the sleeve, the area of which is less than the area of the passage section of the tip.

Проведенный сравнительный анализ прототипа и других известных технических решений в данной области с предложенным техническим решением показал, что данная совокупность признаков в предложенном устройстве неизвестна и применена впервые. Таким образом, техническое решение соответствует критерию изобретения "Новизна". A comparative analysis of the prototype and other known technical solutions in this field with the proposed technical solution showed that this set of features in the proposed device is unknown and applied for the first time. Thus, the technical solution meets the criteria of the invention of "Novelty."

Сравнение с прототипом показало, что данное техническое решение превосходит достигнутый уровень техники за счет более полного перемешивания компонентов топлива и уменьшения характерного размера струи окислителя на номинальном режиме работы без значительного усложнения конструкции форсунки и смесительной головки, и сохранения качественного смесеобразования на малых режимах работы двигателя, за счет смешения большей, чем на номинальном режиме, части компонентов топлива внутри наконечника форсунки и не является очевидным для среднего специалиста в данной области. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень". Comparison with the prototype showed that this technical solution surpasses the achieved level of technology due to more complete mixing of the fuel components and a decrease in the characteristic size of the oxidizer jet at the nominal operating mode without significantly complicating the design of the nozzle and mixing head, and maintaining high-quality mixture formation at low engine operating modes, due to mixing of a larger (than in the nominal mode) part of the fuel components inside the nozzle tip and is not obvious to the average About a specialist in this field. Thus, the proposed technical solution meets the criteria of the invention "Inventive step".

Преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примера его выполнения, представленного на чертежах, где на фиг. 1 показан осевой разрез предложенной форсунки, на фиг. 2 - разрез А-А - поперечный разрез соосно-струйной форсунки, на фиг. 3 - график зависимости перепада давлений (по линии жидкого компонента от расхода m этого компонента в зависимости от соотношения компонентов k_m в форсунке: P = f(m, k_m), на фиг. 4 - график зависимости перепада давлений по линиям обоих компонентов от расстояния l между выходными сечениями наконечника и втулки Δ P = f(1). На фиг. 3,4 обозначено: Δ P_ж - перепад давления по линии жидкого компонента, m_ж - расход жидкого компонента, k_m - соотношение компонентов топлива в форсунке, Δ P-перепад давления, l - расстояние от выходного сечения наконечника до выходного сечения втулки.The advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of an example of its implementation, shown in the drawings, where in FIG. 1 shows an axial section of the proposed nozzle; FIG. 2 - section AA - cross section of a coaxial-jet nozzle, in FIG. 3 is a graph of pressure drop (along the line of the liquid component versus flow rate m of this component depending on the ratio of components k _m in the nozzle: P = f (m, k _m ), Fig. 4 is a graph of pressure drop along the lines of both components from the distance l between the output sections of the tip and the sleeve Δ P = f (1). In Fig. 3.4 it is indicated: Δ P _W - pressure drop along the line of the liquid component, m _W - flow rate of the liquid component, k _m - the ratio of fuel components in the nozzle , Δ P-pressure difference, l is the distance from the output section of the tip to the output eniya sleeve.

Основными элементами предложенной соосно-струйной форсунки являются:
1 - наконечник;
2 - осевой канал;
3 - втулка;
4 - конфузор;
5 - радиальные каналы.The main elements of the proposed coaxial-jet nozzle are:
1 - tip;
2 - axial channel;
3 - sleeve;
4 - confuser;
5 - radial channels.

Предложенная соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник 1, с осевым каналом 2 внутри него, соединяющим полость окислителя с полостью камеры сгорания. На наконечник 1 с кольцевым зазором установлена втулка 3, соединяющая полость горючего с полостью камеры сгорания. Внутренняя поверхность втулки 3 выполнена с кольцевым конфузором 4. В выходной части наконечника 1 выполнены сквозные радиальные каналы 5 для подачи газообразного компонента. The proposed coaxial-jet nozzle contains a hollow tip 1, with an axial channel 2 inside it, connecting the cavity of the oxidizer with the cavity of the combustion chamber. A sleeve 3 is mounted on the tip 1 with an annular gap, connecting the fuel cavity with the cavity of the combustion chamber. The inner surface of the sleeve 3 is made with an annular confuser 4. In the output part of the tip 1 is made through radial channels 5 for supplying a gaseous component.

Наиболее оптимальные условия работы форсунки достигаются в случае, если выходное сечение наконечника расположено на расстоянии, равном (0...1,3) внутреннего диаметра наконечника от выходного сечения втулки. The most optimal nozzle operating conditions are achieved if the output section of the tip is located at a distance equal to (0 ... 1.3) the inner diameter of the tip from the output section of the sleeve.

При увеличении этого расстояния выше указанного предела вследствие достаточно длительного контакта компонентов с камерным соотношением возможен процесс горения внутри форсунки, что может привести к выгоранию материала форсунки. При уменьшении расстояния от выходного сечения втулки до сквозных каналов менее одного диаметра наконечника эффект газодинамического воздействия струй газообразного горючего на струю жидкого окислителя не оказывает требуемого действия, а при увеличении более четырех диаметров - начинает завязываться процесс горения компонентов топлива внутри наконечника форсунки, что приводит к повышению температуры внутри наконечника с последующими прогарами. If this distance increases above the specified limit due to a sufficiently long contact of the components with the chamber ratio, a combustion process inside the nozzle is possible, which can lead to burnout of the nozzle material. With a decrease in the distance from the outlet cross section of the sleeve to the through channels of less than one tip diameter, the gas-dynamic effect of the gaseous fuel jets on the liquid oxidizer jet does not have the desired effect, and with an increase of more than four diameters, the combustion process of the fuel components inside the nozzle tip begins to take place, which leads to an increase temperature inside the tip with subsequent burnouts.

Выполнение проходной площади каналов величиной, больше или равной проходной площади наконечника, приводит к излишнему поступлению газообразного компонента внутрь наконечника форсунки, и, таким образом, соотношение компонентов внутри наконечника будет более чем достаточным для завязывания процесса горения внутри наконечника, что приводит к повышению температуры внутри наконечника с последующими прогарами. The passage area of the channels is greater than or equal to the passage area of the tip, leads to an excessive flow of the gaseous component inside the nozzle tip, and thus, the ratio of the components inside the tip will be more than sufficient to start the combustion process inside the tip, which leads to an increase in temperature inside the tip followed by burnouts.

Предложенная форсунка работает следующим образом. The proposed nozzle operates as follows.

Окислитель из полости окислителя по каналу 2 внутри наконечника 1 поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования. The oxidizing agent from the cavity of the oxidizing agent through the channel 2 inside the tip 1 enters the combustion chamber for further use.

Горючее из полости горючего по кольцевому каналу между наконечником 1 и втулкой 3 подается в камеру сгорания. В месте расположения каналов 5, перед кольцевым конфузором 4, горючее разделяется на две части. Одна часть горючего поступает в полость камеры сгорания, проходя через конфузор и кольцевой канал, образованные наконечником 1 и втулкой 3. Вторая часть горючего поступает в каналы 5 наконечника 1. Так как давление горючего перед каналами больше 5 больше давления окислителя внутри наконечника 1, горючее поступает по каналам 5 в канал 2. Такая подача горючего создает дополнительное сопротивление для струи жидкого компонента. Величина этого сопротивления зависит от расхода горючего, поступающего в камеру сгорания, соотношения компонентов в форсунке, т.е. от расхода горючего, поступающего в радиальные каналы 5, а, следовательно, режима работы. При этом перепад давления на форсунках изменяется не квадратично, а с показателем степени в интервале от 2 до 1 (т.е. между квадратичной и линейной зависимостями) (фиг. 3), причем более линейно при больших значениях величины соотношения компонентов в камере сгорания. Fuel from the fuel cavity through the annular channel between the tip 1 and the sleeve 3 is fed into the combustion chamber. At the location of the channels 5, in front of the annular confuser 4, the fuel is divided into two parts. One part of the fuel enters the cavity of the combustion chamber, passing through the confuser and the annular channel formed by the tip 1 and the sleeve 3. The second part of the fuel enters the channels 5 of the tip 1. Since the pressure of the fuel in front of the channels is more than 5 greater than the pressure of the oxidizer inside the tip 1, the fuel enters through channels 5 to channel 2. Such a supply of fuel creates additional resistance for the jet of the liquid component. The value of this resistance depends on the fuel flow entering the combustion chamber, the ratio of components in the nozzle, i.e. from the fuel flow entering the radial channels 5, and, therefore, the operating mode. In this case, the pressure drop across the nozzles does not change quadratically, but with an exponent in the range from 2 to 1 (i.e., between the quadratic and linear dependencies) (Fig. 3), and more linearly with large values of the ratio of components in the combustion chamber.

Струи горючего, поступающего по каналам 5, деформируют сплошную струю окислителя, придавая ей на выходе из наконечника форму звезды с несколькими радиальными лучами, по числу каналов 2. The jets of fuel coming through channels 5 deform a continuous stream of oxidizer, giving it a star shape with several radial rays at the exit from the tip, according to the number of channels 2.

Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную позволяет улучшить условия разрушения струи, уменьшить характерный поперечный размер струи окислителя и увеличить периметр контакта окислителя с горючим. Таким образом, на выходе из наконечника, струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Указанное воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах, повысить значение удельного импульса тяги за счет повышения полноты сгорания топлива и уменьшить возможность возникновения неустойчивого горения. Changing the shape of the oxidizer jet from round to star-shaped allows improving the conditions for the destruction of the jet, reducing the characteristic transverse size of the jet of oxidizing agent and increasing the perimeter of the contact of the oxidizing agent with fuel. Thus, at the exit from the tip, the oxidizer stream is more prone to loss of its integrity and decomposes faster. The specified impact on the jet improves the mixing conditions of the components in all modes, increases the specific thrust impulse by increasing the completeness of fuel combustion and reduces the possibility of unstable combustion.

Предложенная конструкция форсунки позволяет обеспечить дополнительное сопротивление для компонентов топлива за счет дополнительного взаимодействия кольцевой струи горючего с распадающейся струей окислителя внутри втулки, начиная с места выхода струи окислителя из наконечника и до выхода обоих компонентов из втулки (фиг. 4). The proposed nozzle design allows for additional resistance for the fuel components due to the additional interaction of the annular fuel stream with the decaying oxidizer stream inside the sleeve, starting from the point where the oxidizer stream exits the tip and both components exit the sleeve (Fig. 4).

Использование предложенного технического решения позволит повысить удельный импульс тяги, экономичность и обеспечить устойчивость горения в камере сгорания на всех режимах работы двигателя. Using the proposed technical solution will increase the specific thrust impulse, economy and ensure the stability of combustion in the combustion chamber at all engine operating modes.

Claims (1)

Соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента с полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с полостью камеры сгорания, отличающаяся тем, что внутренняя полость втулки выполнена профилированной в виде цилиндрических поверхностей различного диаметра и длины, образующих, по крайней мере, один кольцевой конфузор, при этом выходное сечение наконечника расположено от выходного сечения втулки на расстоянии, равном 0 - 1,3 внутреннего диаметра наконечника, а в наконечнике, перед кольцевым конфузором, на расстоянии, равном 1 - 4 диаметра наконечника от выходного сечения втулки, выполнены сквозные каналы, площадь которых меньше площади проходного сечения наконечника. A coaxial jet nozzle containing a hollow tip connecting the cavity of one component with the cavity of the combustion chamber, a sleeve covering the tip with an annular gap and connecting the cavity of the other component with the cavity of the combustion chamber, characterized in that the inner cavity of the sleeve is shaped in the form of cylindrical surfaces of various diameters and lengths, forming at least one annular confuser, while the output section of the tip is located from the output section of the sleeve at a distance equal to 0 - 1.3 the inner diameter of the tip, and in the tip, in front of the annular confuser, at a distance of 1 to 4 diameter of the tip from the output section of the sleeve, through channels are made, the area of which is less than the area of the passage section of the tip.

Images