RU2192555C2

RU2192555C2 - Chamber of liquid propellant thruster

Info

Publication number: RU2192555C2
Application number: RU2000116492A
Authority: RU
Inventors: Ф.А. Казанкин; Р.Х. Кутуев; Е.Г. Ларин; П.Б. Мезенин
Original assignee: Государственное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2002-11-10

Abstract

FIELD: rocketry. SUBSTANCE: proposed chamber of liquid propellant thrust has housing and mixing head with bipropellant centrifugal injector arranged along its axis. Inner and outer vortex chambers of centrifugal injector are connected with corresponding components supply channels and with peripheral spray injectors communicating with supply channels of fuel component to outer vortex chamber. Inner vortex chamber and tangential channels to supply fuel component into chamber are made in rod sealed in housing coaxially with outer vortex chamber. Tangential channels of inner vortex chamber are located in zone of plane passing through tangential channels of outer vortex chamber. EFFECT: improved efficiency of working process in combustion chamber, reduced labor input in manufacture of centrifugal injectors. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно к устройствам для организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ). The invention relates to rocket and space technology, and more particularly to a device for organizing a working process in a chamber of a liquid propellant small thrust engine (LRE).

Известна камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги [1], состоящая из корпуса камеры и смесительной головки с двухкомпонентной центробежной форсункой. A known chamber of a liquid propulsion thruster [1], consisting of a chamber body and a mixing head with a two-component centrifugal nozzle.

Известная камера имеет низкую эффективность процессов смесеобразования и горения. Это связано с тем, что рабочий процесс организован одной двухкомпонентной центробежной форсункой, отсутствует внутреннее пристеночное охлаждение камеры, особенно ее сопловой части. Поэтому потребовалось введение регенеративного охлаждения, которое обеспечило эффективное охлаждение докритической части сопла. Однако это не решает проблемы охлаждения расширяющейся сверхзвуковой части сопла. Кроме этого, смесеобразование, организованное двумя сплошными конусами распыла, имеет недостаток, заключающийся в том, что между конусами истекающих жидкостей образуется замкнутая полость, которая вызывает нестабильность процесса смесеобразования и горения из-за колебаний давления в этой полости, приводящих к разрушению сплошности конусов распыла. The known chamber has a low efficiency of the processes of mixture formation and combustion. This is due to the fact that the working process is organized by one two-component centrifugal nozzle, there is no internal wall cooling of the chamber, especially its nozzle part. Therefore, the introduction of regenerative cooling was required, which ensured effective cooling of the subcritical part of the nozzle. However, this does not solve the problem of cooling the expanding supersonic part of the nozzle. In addition, the mixture formation, organized by two continuous spray cones, has the disadvantage that a closed cavity is formed between the outflowing fluid cones, which causes instability of the mixture formation and combustion process due to pressure fluctuations in this cavity, leading to destruction of the continuity of the spray cones.

Известна также камера сгорания, состоящая из корпуса камеры и смесительной головки с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой, внутренняя и наружная камеры закручивания которой соединены с соответствующими каналами подвода компонентов топлива, и периферийными струйными форсунками окислителя [2]. A combustion chamber is also known, consisting of a chamber body and a mixing head with a two-component centrifugal nozzle located along its axis, the inner and outer twisting chambers of which are connected to the corresponding channels for supplying fuel components, and peripheral jet nozzles of the oxidizer [2].

В такой камере сгорания окислитель по подводящему каналу поступает в кольцевой коллектор, образованный втулкой и корпусом смесительной головки, где распределяется на два потока: часть окислителя идет через струйные форсунки на охлаждение стенок камеры сгорания ракетного двигателя, остальная часть окислителя через тангенциальные отверстия поступает в камеру закручивания, где выравнивается по толщине пелены и через сопло выходит в виде полого конуса распыла. In such a combustion chamber, the oxidizing agent enters the annular collector formed by the sleeve and the housing of the mixing head, where it is distributed into two flows: part of the oxidizing agent goes through the jet nozzles to cool the walls of the combustion chamber of the rocket engine, the rest of the oxidizing agent enters the twisting chamber through tangential openings , where it is evened out through the thickness of the shroud and through the nozzle comes out in the form of a hollow spray cone.

Горючее по подводящему каналу поступает в кольцевой коллектор, образованный шнековым завихрителем и корпусом смесительной головки, и далее через винтовые канавки шнекового завихрителя поступает в камеру закручивания, где выравнивается по толщине пелены и через сопло выходит в виде полого конуса до встречи с полым конусом окислителя. The fuel enters the annular collector formed by the screw swirl and the housing of the mixing head, and then through the screw grooves of the screw swirl comes into the swirl chamber, where it is aligned with the thickness of the shroud and through the nozzle comes out in the form of a hollow cone until it meets the hollow cone of the oxidizer.

Данная камера сгорания сложна в изготовлении, не обеспечивает в достаточной мере стабильных характеристик как совместного, так и раздельных конусов распыла и не обеспечивает высокой эффективности смесеобразования. Равномерность распределения жидкости в факеле распыливания центробежной форсунки зависит от качества ее изготовления. Сильное влияние качества изготовления проявляется в т. н. закрытых форсунках, которое вызывает заметную неравномерность распределения жидкости в факеле с ярко выраженными минимумами и максимумами, произвольно расположенными по окружности диаграммы распределения. Неравномерность распределения жидкости в факеле появляется также при эксцентриситете между соплом и камерой закручивания, при разности проходных сечений входных каналов. Дополнительная обработка сопла, в особенности его выходной кромки (шлифовка, притирка, полировка), позволяет устранить эти дефекты. С такой смесительной головкой коэффициент камеры (φк) не превышает 0,916. This combustion chamber is difficult to manufacture, does not provide sufficiently stable characteristics of both joint and separate spray cones, and does not provide high efficiency of mixture formation. The uniformity of the liquid distribution in the spray torch of a centrifugal nozzle depends on the quality of its manufacture. A strong influence of workmanship is manifested in the so-called. closed nozzles, which causes a noticeable uneven distribution of the liquid in the plume with pronounced minima and maxima arbitrarily located around the circumference of the distribution diagram. The uneven distribution of the liquid in the plume also appears with an eccentricity between the nozzle and the swirl chamber, with a difference in the passage sections of the input channels. Additional processing of the nozzle, especially its outlet edge (grinding, lapping, polishing), eliminates these defects. With such a mixing head, the chamber coefficient (φk) does not exceed 0.916.

Кроме этого, увеличенные заклапанные объемы в центробежной форсунке с шнековым завихрителем на величину объемов винтовых каналов и объема камеры закручивания, определяемого степенью закрытия сопла, приводят к ухудшению динамических характеристик камеры и ЖРДМТ в целом (время выхода на режим номинальной тяги и время спада давления в камере сгорания) и, одним из следствий этого, к росту концентрации непрореагировавших компонентов топлива в продуктах сгорания, истекающих из сопла на переходных режимах работы ЖРДМТ. Непрореагировавшие компоненты топлива, оседая в виде пленки на наружные поверхности корабля, в т.ч. на оптические приборы, солнечные батареи и т.д., ухудшают условия эксплуатации космического корабля в космосе и создают вокруг корабля в течение всего срока эксплуатации (до 15 лет) высокотоксичное и загрязняющее облако паров компонентов. In addition, increased valve volumes in a centrifugal nozzle with a screw swirl by the size of the screw channels and the volume of the swirl chamber, which is determined by the degree of nozzle closure, lead to a deterioration in the dynamic characteristics of the chamber and the liquid propellant rocket engine as a whole (time to reach nominal thrust mode and time to pressure drop in the chamber combustion) and, as a consequence of this, to an increase in the concentration of unreacted fuel components in the combustion products flowing out of the nozzle during transient operation of the LREMS. Unreacted fuel components settling in the form of a film on the outer surfaces of the ship, incl. on optical instruments, solar panels, etc., worsen the operating conditions of a spacecraft in space and create a highly toxic and polluting cloud of component vapors around the spacecraft during the entire period of operation (up to 15 years).

Целью предлагаемого изобретения является:
- снижение трудоемкости изготовления форсунок, упрощение технологии их изготовления;
- повышение стабильности гидравлических и геометрических характеристик форсунок, равномерности конусов распыла окислителя и горючего, совместного конуса распыла топливной смеси, а также равномерности распределения топливной смеси по сечению камеры сгорания;
- повышение эффективности процессов смесеобразования и горения в камере сгорания, стабильности теплового состояния и основных характеристик жидкостных ракетных двигателей малой тяги;
- улучшение динамических характеристик ЖРДМТ, снижение концентрации непрореагировавших компонентов топлива в продуктах сгорания, улучшение условий эксплуатации космического корабля в космосе.The aim of the invention is:
- reducing the complexity of manufacturing nozzles, simplifying the technology for their manufacture;
- increasing the stability of the hydraulic and geometric characteristics of the nozzles, the uniformity of the cones for atomizing the oxidizer and fuel, the joint cone for atomizing the fuel mixture, as well as the uniform distribution of the fuel mixture over the cross section of the combustion chamber;
- increasing the efficiency of the processes of mixture formation and combustion in the combustion chamber, the stability of the thermal state and the main characteristics of liquid propellant small thrust engines;
- improving the dynamic characteristics of liquid propellant rocket engines, reducing the concentration of unreacted fuel components in the combustion products, improving the operating conditions of the spacecraft in space.

Данная цель достигается тем, что в камере ЖРДМТ, содержащей корпус камеры, смесительную головку с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой, внутренняя и наружная камеры закручивания которой соединены с соответствующими каналами подвода компонентов топлива, и периферийными струйными форсунками, сообщенными с каналами подвода компонента к наружной камере закручивания, внутренняя камера закручивания с тангенциальными каналами подвода в нее компонента топлива выполнена в стержне, уплотненном в корпусе соосно наружной камере закручивания, причем тангенциальные каналы внутренней камеры закручивания расположены в зоне или ниже плоскости, проходящей через тангенциальные каналы наружной камеры закручивания. This goal is achieved by the fact that in the chamber of the liquid propellant rocket engine containing the chamber body, a mixing head with a two-component centrifugal nozzle located on its axis, the inner and outer twisting chambers of which are connected to the respective channels for supplying fuel components, and peripheral jet nozzles in communication with channels for supplying the component to an external twisting chamber, an inner twisting chamber with tangential channels for supplying a fuel component to it is made in a rod sealed in a housing coaxially zhnoy twisting chamber, the tangential channels of the inner chamber located in the twisting zone or below the plane passing through tangential channels outer twisting chamber.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан продольный разрез камеры ЖРДМТ. На фиг.2 - конструктивное исполнение внутренней форсунки. The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a longitudinal section of the chamber LRE. Figure 2 - design of the internal nozzle.

Предлагаемая камера ЖРДМТ состоит из смесительной головки 1 и корпуса камеры 2. Смесительная головка состоит из корпуса, подводящих каналов окислителя 3 и горючего 4, коллекторов горючего 5 и окислителя 6, втулки 7 с тангенциальными отверстиями 8 и серией равномерно расположенных по периферии струйных форсунок 9, питающихся из коллектора 6, стержня 10 с тангенциальными отверстиями 11. Стержень 10 установлен в корпусе таким образом, что тангенциальные отверстия 11 находятся в зоне или ниже плоскости расположения тангенциальных отверстий 8 втулки 7. При этом геометрическая характеристика внутренней центробежной форсунки максимально приближена к геометрической характеристике наружной центробежной форсунки, соответственно, величина угла конуса распыла горючего максимально приближена к величине угла конуса распыла окислителя, а столкновение конусов распыла горючего и окислителя происходит в корневой зоне последнего. The proposed LHDMT chamber consists of a mixing head 1 and a chamber body 2. The mixing head consists of a housing, supply channels of an oxidizer 3 and a fuel 4, a manifold of a fuel 5 and an oxidizer 6, a sleeve 7 with tangential openings 8 and a series of jet nozzles evenly spaced along the periphery 9, fed from the collector 6, the rod 10 with tangential holes 11. The rod 10 is installed in the housing so that the tangential holes 11 are in the area or below the plane of the tangential holes 8 of the sleeve 7. In this case, the geometrical characteristic of the inner centrifugal nozzle is as close as possible to the geometrical characteristic of the outer centrifugal nozzle, respectively, the angle of the spray pattern of the fuel is as close as possible to the angle of the spray pattern of the oxidizer, and the collision of the spray pattern of the fuel and oxidizer occurs in the root zone of the latter.

Предлагаемая камера ЖРДМТ работает следующим образом. Компоненты топлива, проходя по подводящим каналам окислителя 3 и горючего 4, попадают в коллекторы окислителя 6 и горючего 5. Далее окислитель из коллектора 6 распределяется и подводится к тангенциальным отверстиям 8 и струйным форсункам 9, расположенным во втулке 7, горючее из коллектора 5 подводится к тангенциальным отверстиям 11, расположенным в стержне 10. Тангенциально закрученные окислитель и горючее, истекая из соответствующих камер закручивания в виде полых конусов, сталкиваются в корневой зоне конуса окислителя и самовоспламеняются. Струи окислителя, истекая из форсунок 9, пронизывают конуса окислителя и горючего, дополнительно интенсифицируя процессы перемешивания и горения компонентов топлива, попадают на стенку камеры сгорания и, растекаясь по ней, образуют защитное пленочное охлаждение. Воспламенившиеся компоненты топлива, истекая из камеры сгорания и сопла, создают тягу. Такое исполнение форсунки исключает сложный в технологическом отношении процесс изготовления камеры закручивания по тракту горючего и обеспечивает достаточную стабильность характеристик конуса распыла. The proposed chamber ZhRDMT works as follows. The fuel components passing through the supply channels of the oxidizer 3 and fuel 4 fall into the collectors of the oxidizer 6 and fuel 5. Next, the oxidizer from the collector 6 is distributed and fed to the tangential openings 8 and the jet nozzles 9 located in the sleeve 7, the fuel from the collector 5 is fed to tangential openings 11 located in the rod 10. The tangentially twisted oxidizer and fuel flowing from the corresponding twisting chambers in the form of hollow cones collide in the root zone of the oxidizer cone and self-ignite. The oxidizer jets flowing out of the nozzles 9 penetrate the cone of the oxidizer and fuel, further intensifying the processes of mixing and burning of the fuel components, fall on the wall of the combustion chamber and, spreading along it, form a protective film cooling. Flammable fuel components flowing out of the combustion chamber and nozzle create traction. This nozzle design eliminates a technologically complicated process of manufacturing a swirl chamber along the fuel path and provides sufficient stability of the spray cone characteristics.

Как показали экспериментальные исследования, проведенные на 10 экземплярах форсунок автономно и в составе двигателей, в процессе изготовления обеспечивается высокая равномерность (коэффициент неравномерности не более 1,5) и стабильные характеристики конусов распыла (разброс угла конуса не превышает 3^o) при возросших величинах этих конусов (конуса горючего на 10^o, суммарного конуса окислителя и горючего на 30^o). Вследствие повышенного угла суммарного конуса распыла и равномерно распределенной по сечению камеры сгорания топливной смеси более эффективно используется объем камеры сгорания и соответственно увеличивается эффективность смесеобразования и рабочего процесса. Коэффициент камеры (φк) предлагаемой камеры достигает 0,95.As shown by experimental studies carried out on 10 nozzles autonomously and as part of engines, the manufacturing process ensures high uniformity (unevenness coefficient of not more than 1.5) and stable characteristics of the spray cones (the spread of the cone angle does not exceed 3 ^o ) with increased values of these cones (fuel cone at 10 ^o , total cone of oxidizer and fuel at 30 ^o ). Due to the increased angle of the total spray cone and the fuel mixture uniformly distributed over the cross section of the combustion chamber, the volume of the combustion chamber is more efficiently used and, accordingly, the efficiency of mixture formation and the working process increases. The camera coefficient (φk) of the proposed camera reaches 0.95.

Таким образом, предлагаемая камера ЖРДМТ позволяет снизить трудоемкость изготовления, упростить технологию изготовления центробежной форсунки горючего, обеспечить стабильность характеристик конусов распыла окислителя и горючего, совместного конуса распыла топливной смеси, повысить эффективность процессов смесеобразования и горения в камере, а также улучшить динамические характеристики ЖРДМТ по сравнению с известными. Thus, the proposed liquid fuel rail engine chamber allows to reduce the complexity of manufacturing, to simplify the manufacturing technology of a centrifugal fuel nozzle, to ensure the stability of the characteristics of the spray cones of the oxidizer and fuel, the joint spray cone of the fuel mixture, to increase the efficiency of the processes of mixture formation and combustion in the chamber, as well as to improve the dynamic characteristics of the liquid metal engine with famous.

Источники информации
1. Состояние и развитие иностранных ЖРДМТ и ДУ космических летательных аппаратов. /Под ред. Е.Г.Любарского и В.А.Шерстянникова, 1978, стр. 33.Sources of information
1. The status and development of foreign liquid-propellant rocket engines and remote control spacecraft. / Ed. E.G. Lyubarsky and V.A.Sherstyannikov, 1978, p. 33.

2. Патент РФ 2041375 (заявка 4812921 от 28.2.90), МПК F 02 K 9/52, F 02 K 9/62. 2. RF patent 2041375 (application 4812921 from 28.2.90), IPC F 02 K 9/52, F 02 K 9/62.

Claims

1. The chamber of a liquid propellant small thrust engine, comprising a chamber body and a mixing head with a two-component centrifugal nozzle located on its axis, the inner and outer twisting chambers of which are connected to the respective channels for supplying components, and peripheral jet nozzles in communication with channels for supplying the fuel component to the external twisting chamber, characterized in that the inner twisting chamber and tangential channels for supplying a component into it are made in a rod sealed in the housing is coaxial with the outer twisting chamber, and the tangential channels of the inner twisting chamber are located in the area of the plane passing through the tangential channels of the outer twisting chamber.

2. The chamber of a liquid propellant small thrust engine according to claim 1, characterized in that the plane of location of the tangential channels of the inner twisting chamber lies below the plane passing through the tangential channels of the outer twisting chamber.