Патент на изобретение №2298730

(54) СООСНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник, соединяющий полость одного компонента с зоной горения, например полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с зоной горения. Внутри наконечника с кольцевым зазором установлена внутренняя трубка, а в кольцевом зазоре между внутренней трубкой и наконечником выполнены продольные ребра, разделяющие кольцевой зазор на изолированные каналы, одни из которых соединены с полостью горючего, другие – через отверстия в наконечнике с полостью окислителя. Изобретение позволяет повысить полноту сгорания компонентов топлива путем увеличения площади соприкосновения компонентов топлива. 3 ил.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно – к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке форсунок и смесительных головок жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Одной из основных проблем при создании устройств для перемешивания и распыливания компонентов является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов, что обеспечивается увеличением площади поверхности соприкосновения компонентов и уменьшением характерного поперечного размера струи одного из компонентов. В известных форсунках выполнение указанных условий приводит к значительному усложнению конструкции.

Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения (полостью камеры сгорания), втулку с цилиндрической внутренней поверхностью, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е.Алемасов и др. «Теория ракетных двигателей»: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1980, рис.18.2, стр.225-226). В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее – по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего – форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива.

Известна смесительная головка, содержащая корпус в виде тела вращения относительно оси симметрии, причем этот корпус снабжен несколькими элементами впрыскивания с осями, параллельными этой общей оси симметрии и проходящими сквозь инжекторную перегородку, прикрепленную к этому корпусу и отделяющую эту смесительную головку от блока сгорания, для соединения с которым данная смесительная головка предназначена, отличающаяся тем, что каждый из элементов впрыскивания содержит центральный канал впрыскивания, приспособленный для сообщения с источником второго компонента топлива, и кольцевую щель впрыскивания, окружающую этот центральный канал и приспособленную для сообщения с источником первого компонента топлива, при этом образован дополнительный кольцевой канал впрыскивания второго компонента топлива пространством, существующим вокруг каждого элемента впрыскивания между его боковой поверхностью и инжекторной перегородкой, таким образом, что кольцевая струя первого компонента топлива, истекающая из кольцевой щели, оказывается заключенной между центральной струей второго компонента топлива и наружной кольцевой струей того же второго компонента топлива (патент РФ 2129219, заявка №94040159/06 от 02.11.94. Патент Франции №9313056 от 03.11.93. МКИ: F02К 9/00, F23R 3/00, F23D 14/62 – прототип).

В данной смесительной головке один из компонентов подается через каждую форсунку в виде сплошной кольцевой струи. Внутри и снаружи кольцевой струи подается другой компонент. Такое решение позволяет увеличить периметр контакта компонентов, уменьшить характерный размер струи окислителя и значительно сократить длину нераспавшейся части струи.

Недостатком данного решения является значительное увеличение радиальных размеров форсунки, что приводит к уменьшению их количества на смесительной головке, и недостаточная полнота смесеобразования, обеспечиваемая данной форсункой.

Задачей изобретения является повышение полноты сгорания компонентов топлива путем увеличения площади соприкосновения компонентов топлива.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной соосно-струйной форсунке, содержащей полый наконечник, соединяющий полость одного компонента с зоной горения, например полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с зоной горения, согласно изобретению внутри наконечника с кольцевым зазором установлена внутренняя трубка, а в кольцевом зазоре между внутренней трубкой и наконечником выполнены продольные ребра, разделяющие кольцевой зазор на изолированные каналы, одни из которых соединены с полостью горючего, другие – через отверстия в наконечнике – с полостью окислителя.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области техники показал, что изложенная совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения «новизна».

При анализе других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены, а изложенная совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «изобретательский уровень»

Соответствие предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость» следует из приведенного ниже примера конкретного выполнения соосно-струйной форсунки.

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 – вид по стрелке Б на фиг.1.

Основными элементами предложенной соосно-струйной форсунки являются:

1 – полый наконечник;

2 – кольцевой зазор;

3 – внутренняя трубка;

4 – ребра;

5 – изолированный канал окислителя;

6 – изолированный канал горючего;

7 – кольцевой зазор;

8 – втулка;

9 – отверстия.

Предложенная соосно-струйная форсунка содержит полый наконечник 1, внутри которого с кольцевым зазором 2 установлена внутренняя трубка 3 с ребрами 4, разделяющими кольцевой зазор 2 на изолированные каналы 5 подачи окислителя и каналы 6 подачи горючего. В выходной части форсунки на наконечник 1 с кольцевым зазором 7 установлена втулка 8, соединяющая полость горючего с зоной горения. Для подачи окислителя в каналы 5 в наконечнике 1 выполнены отверстия 9.

Предложенная форсунка работает следующим образом.

Одна часть горючего из полости горючего по кольцевому каналу 7 между наконечником 1 и втулкой 8 подается в зону горения.

Другая часть горючего поступает в зону горения по внутренней полости трубки 3 и изолированным продольным каналам 6.

Окислитель подается в зону горения из полости окислителя по каналам 5, в которые, в свою очередь, окислитель поступает через отверстия 9. При такой подаче компонентов изолированные струи окислителя оказываются окруженными сплошными струями горючего.

Изменение формы струи окислителя со сплошной круглой на полую кольцевую, в виде нескольких изолированных лучей, 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.

Проведенные аналитические исследования показывают, что при использовании данного технического решения периметр контакта компонентов может быть увеличен примерно в четыре раза, что позволит значительно, в несколько раз, уменьшить длину нераспавшейся части жидкости и характерный поперечный размер струи жидкости, повысить тем самым эффективность смесеобразования.

Использование предложенного технического решения позволит повысить удельный импульс тяги, экономичность и обеспечить устойчивость горения в камере сгорания на всех режимах работы двигателя.

Формула изобретения

Соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента с зоной горения, например полостью камеры сгорания, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента с зоной горения, отличающаяся тем, что внутри наконечника с кольцевым зазором установлена внутренняя трубка, а в кольцевом зазоре между внутренней трубкой и наконечником выполнены продольные ребра, разделяющие кольцевой зазор на изолированные каналы, одни из которых соединены с полостью горючего, другие через отверстия в наконечнике – с полостью окислителя.

РИСУНКИ