RU2522119C2

RU2522119C2 - Liquid-propellant rocket engine mixing head

Info

Publication number: RU2522119C2
Application number: RU2011100992/06A
Authority: RU
Inventors: Павел Анатольевич Солженикин; Владимир Григорьевич Стогней; Владимир Викторович Черниченко; Юрий Петрович Лукин
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2014-07-10
Also published as: RU2011100992A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to rocketry and can be used in units of industrial power generators. Liquid-propellant rocket engine mixing head comprises body, oxidiser feed unit, propellant feed unit and nozzles. Said nozzles are arranged inside mixing head in concentric circles and consist of several coaxial sleeves. Said sleeves make ring chambers for gaseous propellant and liquid oxidiser feed. Circular ledge is made at every inner sleeve wit grooves perpendicular to nozzle axis for feed of propellant into appropriate ring chamber and parallel grooves for feed of oxidiser into appropriate chamber. Ring chambers of fuel feed components on combustion chamber side are closed by spacer rings. Fuel feed holes are made in said spacer rings. Note here that all sleeves on side opposite the combustion zone are arranged right against each other.

EFFECT: higher combustion efficiency.

1 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, which consists 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 extending into the combustion chamber, and in the outer sleeve facing the combustion zone, an annular strip is 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, внешний 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 at 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.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.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенной смесительной головке камеры ЖРД, содержащей корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, форсунки, установленные в смесительной головке по концентрическим окружностям, и состоящие из нескольких коаксиально установленных втулок, образующих кольцевые полости для подачи газообразного горючего и жидкого окислителя, согласно изобретению, на каждой внутренней втулке выполнен кольцевой выступ, в котором выполнены перпендикулярные оси форсунки пазы для подачи горючего внутрь кольцевой полости горючего и параллельные пазы для подачи окислителя в кольцевую полость окислителя, кольцевые полости подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками, в которых выполнены отверстия для подачи компонентов, при этом все втулки, со стороны, противоположной зоне горения, установлены вплотную друг к другу.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 installed in the mixing head along concentric circles, and consisting of several coaxially mounted bushings forming annular cavities for supplying gaseous fuel and a liquid oxidizing agent, according to the invention, an annular protrusion is made on each inner sleeve, in which perpendicular axis of the nozzle are made, grooves for supplying fuel three annular fuel cavities and parallel grooves for supplying the oxidizing agent to the annular oxidizing cavity, the annular supply cavities of the components on the side of the combustion chamber cavity are closed by spacers in which the holes for supplying the components are made, while all the bushings, on the side opposite to the combustion zone, are mounted close to each other to friend.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена смесительная головка.The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows a mixing head.

Смесительная головка камеры ЖРД содержит корпус 1, состоящий из блока подачи окислителя 2 и блока подачи горючего 3. Форсунки состоят из коаксиально установленных внутренних 4 и наружных 5 втулок. На каждой внутренней втулке 4 выполнен кольцевой выступ 6, в котором выполнены перпендикулярные оси форсунки пазы 7 для подачи горючего внутрь кольцевой полости горючего 8 и параллельные пазы 9 для подачи окислителя в кольцевую полость окислителя 10. Кольцевые полости подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками, в которых выполнены отверстия 11 и 12 для подачи компонентов топлива - окислителя и горючего соответственно. Все втулки, со стороны, противоположной зоне горения, установлены вплотную друг к другу.The mixing head of the LRE chamber contains a housing 1 consisting of an oxidizer supply unit 2 and a fuel supply unit 3. The nozzles consist of coaxially mounted internal 4 and external 5 bushings. An annular protrusion 6 is made on each inner sleeve 4, in which grooves 7 are made perpendicular to the nozzle axis for supplying fuel into the annular fuel cavity 8 and parallel grooves 9 for supplying the oxidizing agent to the annular oxidant cavity 10. The annular component supply cavities on the side of the combustion chamber cavity are closed by spacers in which holes 11 and 12 are made for supplying fuel components - oxidizer and fuel, respectively. All bushings, on the side opposite the combustion zone, are mounted close to each other.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Горючее из блока подачи горючего 3 по пазам 7 подается в кольцевую полость горючего 8. Из полости горючего 8 по отверстиям 12 горючее поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.The fuel from the fuel supply unit 3 through the grooves 7 is fed into the annular cavity of the fuel 8. From the fuel cavity 8 through the openings 12, the fuel enters the combustion chamber for further use.

Окислитель из блока подачи окислителя 2 по параллельным пазам 9 подается в кольцевую полость окислителя 10. Из полости окислителя 10 по отверстиям 11 окислитель поступает в камеру сгорания, где перемешивается с горючим, поступившим из отверстий 12, воспламеняется и сгорает, образуя при этом продукты сгорания, обладающие значительной кинетической энергией. Подача компонентов из мелких отверстий 10 и 11, расположенных в виде концентрических поясов, дает возможность реализовать смесеобразование компонентов топлива при щелевой подаче, когда один слой компонента топлива взаимодействует с другим 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.The oxidizing agent from the supply unit of the oxidizing agent 2 in parallel grooves 9 is fed into the annular cavity of the oxidizing agent 10. From the cavity of the oxidizing agent 10 through the openings 11, the oxidizing agent enters the combustion chamber, where it is mixed with the fuel coming from the openings 12, ignites and burns, forming combustion products, possessing significant kinetic energy. The supply of components from small holes 10 and 11 arranged in the form of concentric belts makes it possible to realize mixture formation of fuel components during slot feeding, when one layer of the fuel component interacts with another 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

The mixing head of the LPRE chamber, comprising a housing, an oxidizer supply unit, a fuel supply unit, nozzles installed in concentric circles in the mixing head and consisting of several coaxially mounted bushings forming annular cavities for supplying gaseous fuel and liquid oxidizer, characterized in that each an annular protrusion is made in the inner sleeve, in which grooves are perpendicular to the axis of the nozzle for supplying fuel into the annular cavity of the fuel and parallel grooves for supplying oxidizer into the annular cavity of the oxidizer, and the annular cavity for supplying components from the side of the cavity of the combustion chamber is closed by spacers in which holes are made for supplying fuel components, while all the bushings, on the side opposite to the combustion zone, are mounted close to each other.