Соосно-струйная форсунка

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 топлива 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, и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.

Известна 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, в которой 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 (Патент РФ №2171427, МПК F02K 9/53, 9/60, F23D 11/10 - прототип).

В указанной форсунке горючее из полости горючего по кольцевому каналу между наконечником и втулкой подается в камеру сгорания. В месте расположения каналов, перед кольцевым конфузором, горючее разделяется на две части. Одна часть горючего поступает в полость камеры сгорания, проходя через конфузор и кольцевой канал, образованные наконечником и втулкой. Вторая часть горючего поступает в каналы наконечника. Так как давление горючего перед каналами больше давления окислителя внутри наконечника, горючее поступает по каналам в канал окислителя. Такая подача горючего создает дополнительное сопротивление для струи жидкого окислителя. Величина этого сопротивления зависит от расхода горючего, поступающего в камеру сгорания, соотношения компонентов в форсунке, т.е. от расхода горючего, поступающего в радиальные каналы, 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), причем более линейно при больших значениях величины соотношения компонентов в камере сгорания.

Струи горючего, поступающего по каналам внутрь наконечника, деформируют сплошную струю окислителя, придавая ей на выходе из наконечника форму звезды с несколькими радиальными лучами, по числу каналов.

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.

Основными недостатками данной форсунки является то, что струи горючего перекрывают проходное сечение наконечника окислителя, происходит нерасчетное дробление струи на капли достаточно большого диаметра, что в конечном итоге приводит к потерям экономичности. Кроме этого, данная форсунка может быть использована только для определенного типа двигателей, что ограничивает возможность ее применения.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение полноты сгорания компонентов топлива путем придания выходной части струи формы профилированного поперечного сечения без ярко выраженной центральной части.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенной соосно-струйной форсунке, содержащей полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, согласно изобретению, в пилонах выполнены каналы, один конец которых открывается в полость наконечника, а другой - в полость втулки.

В варианте исполнения в выходной части полого наконечника установлен с возможностью замены жиклер.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предложенной соосно-струйной форсунки, на фиг.2 - выносной элемент.

Соосно-струйная форсунка содержит корпус 1 с полым наконечником 2, соединяющим полость одного компонента топлива-окислителя, с зоной горения компонентов топлива 3, расположенной на некотором расстоянии от среза форсунки, преимущественно, камерой сгорания, втулку 4, охватывающую с зазором 5 полый наконечник 1 и соединяющую полость 6 другого компонента топлива-горючего с зоной горения 3. В выходной части наконечника 1 выполнены пилоны 7, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки 4 и центрирующие наконечник 1 относительно втулки 4. В пилонах 7 выполнены каналы 8, один конец 9 которых открывается в полость наконечника 1, а другой 10 - в зону горения 3 через зазор 5.

В выходной части наконечника 2 выполнено сужение канала 11.

В варианте исполнения, в выходной части полого наконечника 1 установлен с возможностью замены жиклер 12.

Предложенная соосно-струйная форсунка работает следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по осевому каналу внутри корпуса 1 и наконечника 2 подается в зону горения 3. В выходной части наконечника 2, в районе пилонов 7, поток окислителя разделяется на две части. Одна часть поступает из выходной части наконечника 2 в зону горения, а другая, за счет местного сопротивления, вызванного уменьшением площади проходного сечения наконечника за счет сужения канала 11, в каналы 8. Из каналов 8 окислитель также поступает в зону горения. При такой подаче струя окислителя поступает в зону горения в виде сплошной центральной струи, окруженной со всех сторон струями меньшего диаметра, по числу пилонов.

Горючее из полости горючего по зазору 5 между наконечником 1 и втулкой 4 подается в зону горения. В районе пилонов 7 к горючему подмешивается часть расхода окислителя, поступающая из выходных частей 10 каналов 8, и в зону горения поступает уже частично подготовленная смесь, что позволяет улучшить условия смесеобразования.

Такая подача позволяет уменьшить диаметр сплошной основной струи окислителя, т.к. часть расхода отбирается на каналы 8, увеличить периметр контакта и степень перемешивания компонентов, т.к. в этом случае контакт горючего и окислителя будет происходить не только по поверхности сплошной основной струи, но и по поверхностям дополнительных струй, истекающих из каналов 10 пилонов 7.

Использование предложенного технического решения позволит улучшить условия смесеобразования и повысить удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя.

1. Соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, отличающаяся тем, что в пилонах выполнены каналы, один конец которых открывается в полость наконечника, а другой - в полость втулки.

2. Соосно-струйная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что в выходной части полого наконечника установлен с возможностью замены жиклер.