Газификатор для жидкостного ракетного двигателя открытой схемы

Авторы патента:

Полезная модель относится к энергетике и, в частности, к газификатору, вырабатывающему газ с избытком кислорода высоких параметров, получаемый за счет энергии, выделяемой при сгорании жидкого керосина в жидком кислороде.

Газификатор для жидкостного ракетного двигателя открытой схемы содержит смесительную головку и камеру с выходным патрубком, при этом смесительная головка включает крышку, среднее и огневое днища, которые образуют полости горючего и окислителя, указанные полости через патрубки, выполненные в корпусе смесительной головки, соединены с системой подачи окислителя и горючего, причем между средним и огневым днищами равномерно расположены по концентрическим окружностям смесительные элементы, кроме того, имеется пояс разбавления, при этом в качестве смесительных элементов применены форкамеры, каждая из которых выполнена в виде цельноточенного корпуса с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через отверстия, выполненные в корпусе форкамеры, соединены с полостью горючего, а форсунки окислителя через отверстия соединены с полостью окислителя, при этом указанные форсунки соединены со смесительной камерой, кроме того, корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в среднем днище, а со стороны смесительных камер в сквозных отверстиях огневого днища с образованием кольцевых каналов - поясов разбавления, которые гидравлически соединены с полостью окислителя, при этом толщина кольцевого зазора определяется по следующей формуле:

где

- площадь кольцевого канала для ввода окислителя, подлежащего испарению;

D_Н - наружный диаметр форкамеры;

µ - коэффициент расхода канала, зависящий от конфигурации входных кромок (0,650,75);

- плотность испаряемого компонента;

Р - срабатываемый перепад давления на форкамере;

- массовый секундный расход компонента через форкамеры;

Предлагаемый газификатор может найти применение в кислородно-керосиновых ЖРД открытых схем для перевода работы камеры двигателей из схемы жидкость-жидкость в схему газ-жидкость за счет газификации жидкого кислорода.

Это позволит повысить устойчивость двигателей к высокочастотным колебаниям в камере сгорания двигателя.

Область техники

Предшествующий уровень техники

Известен парогенератор (газификатор) для производства пара за счет тепла водорода, сжигаемого в атмосфере кислорода, который содержит смесительную головку с несколькими соосно струйными форсунками горючего и окислителя, закрепленными в среднем и огневом днищах, и цилиндрическую камеру с поясом разбавления, через которые осуществляется подача воды в огневое пространство цилиндрической камеры. Смесительная головка состоит из трех днищ - огневого, среднего и крышки. Указанные днища образуют две основные полости смесительной головки: внутреннюю, в которую поступает окислитель, и наружную полость горючего. Кроме того, имеются патрубки подвода окислителя и горючего в указанные полости и патрубок отвода водяного пара из камеры. Также имеется средство для воспламенения кислородно-водородной смеси, выполненное в виде форкамеры, снабженной электроискровым воспламенителем (см. патент DE 3936806, МПК F22B 1/18, 20.04.1995 г.). Это техническое решение является прототипом предлагаемой полезной модели.

Недостатком прототипа является сложность конструкции смесительной головки, повышенная длина цилиндрической камеры и большая масса.

Раскрытие полезной модели

Задача, на решение которой направлена патентуемая полезная модель - это повышение надежности и эффективности работы газификатора для превращения жидкого кислорода в газообразное состояние.

Эта задача решена за счет того, что в газификаторе для жидкостного ракетного двигателя открытой схемы, содержащем смесительную головку и камеру с выходным патрубком, при этом смесительная головка включает крышку, среднее и огневое днища, которые образуют полости горючего и окислителя, указанные полости через патрубки, выполненные в корпусе смесительной головки, соединены с системой подачи окислителя и горючего, причем между средним и огневым днищами равномерно расположены по концентрическим окружностям смесительные элементы, кроме того, имеется пояс разбавления, причем в качестве смесительных элементов применены форкамеры, каждая из которых выполнена в виде цельноточенного корпуса с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через отверстия, выполненные в корпусе форкамеры, соединены с полостью горючего, а форсунки окислителя через отверстия соединены с полостью окислителя, при этом указанные форсунки соединены со смесительной камерой, кроме того, корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в среднем днище, а со стороны смесительных камер в сквозных отверстиях огневого днища с образованием кольцевых каналов - поясов разбавления, которые гидравлически соединены с полостью окислителя, при этом толщина кольцевого зазора определяется по следующей формуле:

где

- площадь кольцевого канала для ввода окислителя, подлежащего испарению;

D_Н - наружный диаметр форкамеры;

µ - коэффициент расхода канала, зависящий от конфигурации входных кромок (0,650,75);

- плотность испаряемого компонента;

Р - срабатываемый перепад давления на форкамере;

- массовый секундный расход компонента через форкамеры;

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого технического решения, - улучшение качества смешения и стабильности газификации жидкого кислорода.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен общий вид газификатора, на фиг.2 - выполнение форкамеры

Пример осуществления полезной модели

Газификатор 1 содержит смесительную головку 2 и камеру 3 с выходным патрубком 4. Смесительная головка 2 включает крышку 5, среднее 6 и огневое 7 днища, которые образуют полости горючего 8 и окислителя 9. Указанные полости через патрубки 10 и 11, выполненные в корпусе смесительной головки 2, соединены с системой подачи окислителя и горючего (не показано). Между средним 6 и огневым 7 днищами равномерно расположены по концентрическим окружностям форкамеры 12. Каждая из форкамер выполнена в виде цельноточенного корпуса 13 с соосно расположенными в нем форсунками горючего 14 и окислителя 15 со смесительной камерой 16. Форсунки горючего 14 через тангенциальные отверстия 17, выполненные в корпусе 13 форкамеры, соединены с полостью горючего 8, а форсунки окислителя 15 через тангенциальные отверстия 18 соединены с полостью окислителя 9. Указанные форсунки соединены со смесительной камерой 16. Корпуса 13 форкамер 12 со стороны форсунок горючего 14 закреплены в среднем днище 6, а со стороны смесительных камер 16 в сквозных отверстиях 19 огневого днища 7 с образованием кольцевых каналов 20 - поясов разбавления, которые гидравлически соединены с полостью окислителя.

Толщина кольцевого зазора определяется по следующей формуле:

где

- площадь кольцевого канала для ввода окислителя, подлежащего испарению;

D_Н - наружный диаметр форкамеры;

µ - коэффициент расхода канала, зависящий от конфигурации входных кромок (0,650,75);

- плотность испаряемого компонента;

Р - срабатываемый перепад давления на форкамере;

- массовый секундный расход компонента через форкамеры;

Работа устройства

При работе газификатора горючее из патрубка 10 заполняет полость горючего 8, подается через тангенциальные отверстия 17 в форсунки 14 горючего и далее в смесительную камеру 16. Окислитель через патрубок 11 подается в полость 9, а из нее в тангенциальные отверстия 18 попадает в форсунку 15 окислителя, а затем в смесительную камеру 16, где смешиваясь с горючим, вызывает реакции горения. Горение происходит при соотношении близком к стехиометрическому. Окислитель из полости 9 попадает в кольцевые каналы 20 пояса разбавления, где и происходит превращение жидкого кислорода в газообразное состояние.

В отличие от прототипа, в предлагаемом техническом решении смесительные элементы выполнены в виде форкамер, а огневое днище выполнено утолщенным, что позволило обеспечить надежное и качественное перемешивание компонентов топлива и устойчивый процесс их горения при высоких температурах на минимальных длинах и малых объемах смесительной головки.

Кроме того, выполнение сквозных отверстий в утолщенном огневом днище, в которые вставлены концевые участки форкамер, позволило организовать эффективный процесс принудительного превращения жидкого кислорода в газообразное состояние в узких каналах коллектора разбавления, значительно сокращая осевые габариты газификатора.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает газификацию жидкого кислорода при следующих массовых соотношениях компонентов топлива Км:

- в форкамерах Км~6÷16 (температура ~2000°С);

- в поясе разбавления Км~100÷50 (температура ~100÷500°С).

Такое решение позволяет уменьшить осевые габариты газификатора, снизить его массу, увеличить выход газообразного кислорода при меньших затратах тепловой энергии. Кроме того, применение пояса разбавления в виде кольцевого канала над огневым днищем позволяет обеспечить надежное охлаждение днища.

Промышленное применение

Газификатор для жидкостного ракетного двигателя открытой схемы содержит смесительную головку и камеру с выходным патрубком, при этом смесительная головка включает крышку, среднее и огневое днища, которые образуют полости горючего и окислителя, указанные полости через патрубки, выполненные в корпусе смесительной головки, соединены с системой подачи окислителя и горючего, причем между средним и огневым днищами равномерно расположены по концентрическим окружностям смесительные элементы, кроме того, имеется пояс разбавления, отличающийся тем, что в качестве смесительных элементов применены форкамеры, каждая из которых выполнена в виде цельноточенного корпуса с соосно расположенными в нем форсунками горючего и окислителя со смесительной камерой, причем форсунки горючего через отверстия, выполненные в корпусе форкамеры, соединены с полостью горючего, а форсунки окислителя через отверстия соединены с полостью окислителя, при этом указанные форсунки соединены со смесительной камерой, кроме того, корпуса форкамер со стороны форсунок горючего закреплены в среднем днище, а со стороны смесительных камер в сквозных отверстиях огневого днища с образованием кольцевых каналов-поясов разбавления, которые гидравлически соединены с полостью окислителя, при этом толщина кольцевого зазора определяется по следующей формуле: