RU2445493C1 - Liquid-propellant engine chamber mixing head - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: mixing head of liquid-propellant engine (LPE) chamber includes housing, oxidiser supply unit, fuel supply unit, injectors consisting of several coaxially installed sleeves forming annular cavities for supply of fuel and oxidiser, which are installed in mixing head along concentric circles and connect the cavities of units to the cavity of combustion chamber. Annular cavities for supply of fuel components on the side of combustion chamber cavity are covered with spacer plates in which there made are holes for supply of fuel components to combustion zone, and on the side opposite to combustion zone the above cavities are covered with shaped bottom the inner surface of which is stepped. At the bottom there made are radial and axial channels connecting the fuel component supply cavities to the appropriate annular cavities.

EFFECT: higher combustion efficiency of fuels of various types at smaller number of mixing elements on injector head of the chamber.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), применяемых в ракетной технике, и также может быть использовано в агрегатах промышленной энергетики.The invention relates to the field of liquid rocket engines (LRE) used in rocketry, and can also be used in units of industrial energy.

Известна смесительная головка с соосно-струйными форсунками, в которых две втулки, внешняя и средняя, образуют внешний кольцевой канал газообразного горючего, а средняя с внутренней образуют внутренний кольцевой канал жидкого окислителя (двухполостной смесительный элемент). (US Patent, Now. 11, 1986, 4621492).Known mixing head with coaxial-jet nozzles, in which two bushings, external and middle, form the outer annular channel of the gaseous fuel, and the middle and inner form the inner annular channel of the liquid oxidizer (two-cavity mixing element). (US Patent, Now. 11, 1986, 4621492).

Известная конструкция соосно-струйных форсунок обладает существенным недостатком, заключающимся в недостаточном массовом расходе компонентов топлива, приходящемся на одну форсунку.The known design of coaxial-jet nozzles has a significant drawback, consisting in the insufficient mass consumption of fuel components per one nozzle.

Этот тип форсунок имеет одну поверхность контакта между внутренней кольцевой струей окислителя и внешней кольцевой струей горючего. Поэтому для обеспечения заданной величины поверхности контакта между окислителем и горючим, при которой достигается высокая полнота сгорания топлива, требуется увеличение количества форсунок.This type of nozzle has one contact surface between the inner annular jet of oxidizer and the outer annular jet of fuel. Therefore, to ensure a given value of the contact surface between the oxidizer and fuel, at which a high completeness of fuel combustion is achieved, an increase in the number of nozzles is required.

Известен смесительный элемент для форсуночной головки камеры ЖРД, состоящий из внешней, средней и внутренней втулок, образующих кольцевые полости для подачи газообразного горючего и жидкого окислителя, при этом во внешней втулке со стороны подачи горючего параллельно оси смесительного элемента выполнены кольцевые пазы, разделенные перемычками, в которых перпендикулярно оси выполнены отверстия для подачи окислителя в кольцевой канал, выходящий в камеру сгорания, а во внешней втулке, обращенной к зоне горения, выполнена кольцевая полость горючего, при этом средняя и внутренняя втулки образуют второй дополнительный кольцевой канал подачи горючего в камеру, кроме того, внешняя и средняя втулки со стороны, противоположной зоне горения, установлены вплотную друг к другу (Патент РФ №2265748, МПК: F02K 9/52 - прототип)A known mixing element for the nozzle head of the LRE chamber, consisting of external, middle and internal bushings, forming annular cavities for supplying gaseous fuel and liquid oxidizer, while in the outer sleeve on the supply side of the fuel parallel to the axis of the mixing element there are made ring grooves separated by jumpers, in which are perpendicular to the axis of the hole for feeding the oxidizing agent into the annular channel exiting the combustion chamber, and in the outer sleeve facing the combustion zone, the annular bands are made l of fuel, while the middle and inner sleeves form a second additional annular channel for supplying fuel to the chamber, in addition, the outer and middle sleeves from the side opposite the combustion zone are installed close to each other (RF Patent No. 2265748, IPC: F02K 9/52 - prototype)

Указанный смесительный элемент для форсуночной головки камеры ЖРД работает следующим образом.The specified mixing element for the nozzle head of the LRE chamber works as follows.

Окислитель по штуцеру подается в коллектор головки, образованный корпусом и дефлектором. Из коллектора окислитель по пазам, охлаждая огневое днище, поступает в питающую полость, образованную корпусом, дефлектором и внешней втулкой смесительного элемента. Из питающей полости окислитель по отверстиям, просверленным в перемычках втулки, поступает в кольцевую полость форсунки, образованную втулками. Из кольцевого канала, образованного втулками, окислитель поступает в камеру.The oxidizing agent is supplied by a fitting to the head manifold formed by the body and the deflector. From the collector, the oxidizer grooves, cooling the firing plate, into the supply cavity formed by the housing, the deflector and the outer sleeve of the mixing element. From the supply cavity, the oxidizing agent through the holes drilled in the bridges of the sleeve enters the annular cavity of the nozzle formed by the bushings. From the annular channel formed by the bushings, the oxidizing agent enters the chamber.

Горючее в равных массовых расходах по кольцевым каналам, образованным втулками, внешнему и внутреннему кольцевому каналу подается с высокой скоростью в камеру. Хорошее качество начального смесеобразования достигается за счет интенсивного разрушения низкоскоростной струи окислителя высокоскоростной струей горючего.Fuel in equal mass flow rates through the annular channels formed by the bushings, the outer and inner annular channel is fed with high speed into the chamber. Good quality of the initial mixture formation is achieved due to the intensive destruction of the low-speed oxidizer jet by a high-speed fuel jet.

Основными недостатками указанной форсунки является наличие внутренней полости, по которой подается струя горючего. При такой подаче часть горючего высокоскоростной струи не успевает прореагировать с низкоскоростной струей окислителя, что приводит к ухудшению условий смесеобразования и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.The main disadvantages of this nozzle is the presence of an internal cavity through which a stream of fuel is supplied. With such a supply, part of the combustible high-speed jet does not have time to react with the low-speed oxidizing jet, which leads to a deterioration of the conditions of mixture formation and, consequently, loss of specific impulse of thrust.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение максимально возможной полноты сгорания различных видов топлив при меньшем количестве смесительных элементов на форсуночной головке камеры.The task of the invention is to ensure the highest possible completeness of combustion of various types of fuels with fewer mixing elements on the nozzle head of the chamber.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенной смесительной головке камеры ЖРД, содержащей корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, форсунки, состоящие из нескольких коаксиально установленных втулок, образующих кольцевые полости для подачи горючего и окислителя, установленные в смесительной головке по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания, согласно изобретению кольцевые полости подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками, в которых выполнены отверстия для подачи компонентов топлива в зону горения, а со стороны, противоположной зоне горения, указанные полости закрыты профилированным днищем, внутренняя поверхность которого выполнена ступенчатой, при этом в днище выполнены радиальные и осевые каналы, соединяющие полости подачи компонентов топлива с соответствующими кольцевыми полостями.The solution to this problem is achieved by the fact that in the proposed mixing head of the rocket engine chamber, comprising a housing, an oxidizer supply unit, a fuel supply unit, nozzles consisting of several coaxially mounted bushings forming annular cavities for supplying fuel and an oxidizer installed in concentric circles in the mixing head and connecting the cavity of the blocks with the cavity of the combustion chamber, according to the invention, the annular cavity of the supply of components from the side of the cavity of the combustion chamber is closed by spacers in which x holes are made for supplying fuel components to the combustion zone, and on the side opposite to the combustion zone, these cavities are closed by a profiled bottom, the inner surface of which is stepped, while radial and axial channels are made in the bottom connecting the fuel component supply cavities with the corresponding annular cavities .

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена предложенная смесительная головка ЖРД, на фиг.2 - выносной элемент в увеличенном масштабе.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the proposed mixing head of the rocket engine, figure 2 is an external element in an enlarged scale.

Смесительная головка камеры ЖРД состоит из нескольких коаксиально установленных втулок 1-11. Втулки образуют кольцевые полости 12 и 13 горючего и окислителя соответственно. Кольцевые полости 12 и 13 подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками 14-24, в которых выполнены отверстия 25 и 26 для подачи компонентов топлива в зону горения. Со стороны, противоположной зоне горения, кольцевые полости 12 и 13 полости закрыты профилированным днищем 33, внутренняя поверхность 27 которого выполнена ступенчатой. В днище выполнены радиальные 28 и осевые каналы 29, 30. При помощи радиальных каналов 28 и осевых 29 кольцевые полости горючего 12 соединяются с полостью блока подачи горючего 31. При помощи осевых каналов 30 кольцевые полости окислителя 13 соединяются с полостью блока окислителя 32.The mixing head of the LRE chamber consists of several coaxially mounted bushings 1-11. The bushings form annular cavities 12 and 13 of fuel and oxidizer, respectively. The annular cavity 12 and 13 of the component supply from the side of the combustion chamber cavity is closed by spacers 14-24, in which openings 25 and 26 are made for supplying fuel components to the combustion zone. From the side opposite the combustion zone, the annular cavity 12 and 13 of the cavity are closed by a profiled bottom 33, the inner surface 27 of which is made stepwise. Radial 28 and axial channels 29, 30 are made in the bottom. With the help of radial channels 28 and axial 29, the annular cavities of the fuel 12 are connected to the cavity of the fuel supply unit 31. Using the axial channels 30, the annular cavities of the oxidizer 13 are connected to the cavity of the oxidizer block 32.

Предложенная смесительная головка работает следующим образом.The proposed mixing head operates as follows.

Из полости блока подачи горючего 31, при помощи радиальных каналов 28 и осевых 29, горючее поступает в кольцевые полости горючего 12 и, через отверстия 25, в камеру сгорания.From the cavity of the fuel supply unit 31, using radial channels 28 and axial 29, the fuel enters the annular cavity of the fuel 12 and, through the openings 25, into the combustion chamber.

Из полости блока окислителя 32, при помощи осевых каналов 30, окислитель поступает в кольцевые полости окислителя 13 и далее, через отверстия 26, в камеру сгорания.From the cavity of the oxidizer block 32, using the axial channels 30, the oxidizer enters the annular cavity of the oxidizer 13 and then, through the openings 26, into the combustion chamber.

В камере сгорания компоненты перемешиваются между собой, воспламеняются, и сгорают, образуя при этом продукты сгорания, обладающие значительной кинетической энергией. Подача компонентов из мелких отверстий 25 и 26, расположенных в виде концентрических поясов, дает возможность реализовать смесеобразование компонентов топлива при щелевой подаче, когда один предельно тонкий кольцевой цилиндрический слой компонента топлива взаимодействует с другим предельно тонким кольцевым цилиндрическим слоем компонента топлива. Такая подача, в конечном итоге, позволит уменьшить потери, связанные с несовершенством системы смесеобразования, и за счет этого повысить удельный импульс тяги ЖРД.In the combustion chamber, the components are mixed together, ignited, and burned, forming combustion products with significant kinetic energy. The supply of components from small holes 25 and 26 arranged in concentric belts makes it possible to realize mixture formation of fuel components during slot feeding, when one extremely thin annular cylindrical layer of the fuel component interacts with another extremely thin annular cylindrical layer of the fuel component. Such a feed, ultimately, will reduce the losses associated with the imperfection of the mixing system, and thereby increase the specific thrust of the rocket engine.

Использование предложенного технического решения позволит обеспечить максимально возможную полноту сгорания различных видов топлив при меньшем количестве смесительных элементов на форсуночной головке.Using the proposed technical solution will ensure the maximum possible completeness of combustion of various types of fuels with fewer mixing elements on the nozzle head.

Claims (1)

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), содержащая корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, форсунки, состоящие из нескольких коаксиально установленных втулок, образующих кольцевые полости для подачи горючего и окислителя, установленные в смесительной головке по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания, отличающаяся тем, что кольцевые полости подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками, в которых выполнены отверстия для подачи компонентов топлива в зону горения, а со стороны, противоположной зоне горения, указанные полости закрыты профилированным днищем, внутренняя поверхность которого выполнена ступенчатой, при этом в днище выполнены радиальные и осевые каналы, соединяющие полости подачи компонентов топлива с соответствующими кольцевыми полостями. A mixing head of a liquid-fuel rocket engine (LRE) chamber, comprising a housing, an oxidizer supply unit, a fuel supply unit, nozzles, consisting of several coaxially mounted bushings forming annular cavities for supplying fuel and oxidizer, mounted in the mixing head along concentric circles and connecting the cavity of the blocks with a cavity of the combustion chamber, characterized in that the annular cavity for supplying components from the side of the cavity of the combustion chamber is closed by spacers in which openings are made for the supply of fuel components to the combustion zone, and from the side opposite to the combustion zone, these cavities are closed by a profiled bottom, the inner surface of which is stepped, while radial and axial channels are made in the bottom connecting the fuel component supply cavities with the corresponding annular cavities.

Images