RU2726862C1

RU2726862C1 - Low-thrust liquid-propellant engine chamber

Info

Publication number: RU2726862C1
Application number: RU2019111784A
Authority: RU
Inventors: Филипп Андреевич Казанкин; Леонид Васильевич Салич; Галина Анатольевна Долгих; Владимир Алексеевич Давыдов; Николай Васильевич Лемский; Юрий Александрович Бешенев
Original assignee: Акционерное общество "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (АО "НИИМаш")
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2020-07-16

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to low-thrust liquid-propellant engine chamber. Low-thrust liquid-propellant engine chamber comprising a combustion chamber, a nozzle and a mixing head, with a two-component centrifugal nozzle arranged on its axis, with corresponding fuel components at inlet of tangential channels of nozzles of external and internal centrifugal nozzles, wherein in the manifold of the external nozzle on its outer surface in the zone of input tangential channels there is a pressure tight ring installed, which forms an additional header, which is connected to the main header by tangential channels, located in cavity shifted relative to plane of inlet channels of external centrifugal nozzle, and directed to side coinciding with direction of swirling tangential channels of external nozzle. Additional collector is made in the form of an annular groove on the outer surface of the external centrifugal nozzle in the zone of tangential channels. Collector of inner nozzle is provided with axial supply of fuel component. Collector of external nozzle is additionally communicated with jet nozzles arranged on periphery of mixing head or periphery of external nozzle. Collector of external nozzle is communicated with manifold of jet nozzles via annular slotted channel.EFFECT: invention provides higher energy and dynamic characteristics of the engine.5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно - к организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги.The invention relates to rocket and space technology, and more specifically to the organization of the working process in the chamber of a low-thrust liquid-propellant rocket engine.

Известна камера жидкостного ракетного двигателя, состоящая из камеры сгорания, сопла, смесительной головки, двухкомпонентной центробежной форсунки с коллекторами на входе в тангенциальные каналы наружной и внутренней центробежных форсунок (п. РФ № 54102, МПК F02K 9/52, F02K 9/62).Known chamber of a liquid-propellant rocket engine, consisting of a combustion chamber, nozzle, mixing head, two-component centrifugal nozzle with manifolds at the entrance to the tangential channels of the external and internal centrifugal nozzles (p. RF No. 54102, IPC F02K 9/52, F02K 9/62).

В известной камере выполнены боковые каналы подачи топлива в коллекторы форсунок.In the known chamber there are side channels for supplying fuel to the injector manifolds.

При проектировании конструкций камеры с целью обеспечения высоких динамических и энергетических характеристик на импульсных режимах работы двигателей малой тяги требуется минимизация заклапанных объемов, в том числе и объемов входного коллектора, при сохранении высокой равномерности распыла топлива и, как следствие, равномерности протекания рабочего процесса в камере сгорания и сопле камеры.When designing chamber structures in order to ensure high dynamic and energy characteristics at pulsed operating modes of low-thrust engines, it is required to minimize the valve volumes, including the volumes of the inlet manifold, while maintaining a high uniformity of fuel spray and, as a consequence, uniformity of the workflow in the combustion chamber and the nozzle of the camera.

Наличие бокового подвода топлива в коллектор центробежной форсунки не позволяет обеспечить одинаковые условия на входе в тангенциальные каналы центробежной форсунки, что не обеспечивает достаточную равномерность распыла центробежной форсунки. Для повышения равномерности условий входа в тангенциальные каналы приходится увеличивать объем коллектора, но и это решение не позволяет решить задачу. Кроме того, это приводит к увеличению заклапанных объемов и ухудшению динамических характеристик двигателя.The presence of a side supply of fuel to the manifold of a centrifugal nozzle does not allow providing the same conditions at the entrance to the tangential channels of a centrifugal nozzle, which does not provide sufficient uniformity of spray of a centrifugal nozzle. To increase the uniformity of the conditions for entering the tangential channels, it is necessary to increase the volume of the reservoir, but even this solution does not allow solving the problem. In addition, this leads to an increase in valve volumes and a deterioration in the dynamic characteristics of the engine.

В предлагаемом устройстве ставится задача устранить этот недостаток.In the proposed device, the task is to eliminate this drawback.

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги содержит камеру сгорания, сопло и смесительную головку с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой с соответствующими коллекторами компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы сопел наружной и внутренней центробежных форсунок, при этом коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен со струйными форсунками, размещенными по периферии смесительной головки, либо периферии наружной форсунки. Согласно изобретению, в коллекторе наружной форсунки на внешней ее поверхности в зоне входных тангенциальных каналов герметично установлено кольцо с дополнительным коллектором, который соединен с основным коллектором тангенциальными каналами, расположенными в плоскости, смещенной относительно плоскости входных каналов наружной центробежной форсунки и направленными в сторону, совпадающую с направлением закрутки тангенциальных каналов наружной форсунки.The chamber of a low-thrust liquid-propellant rocket engine contains a combustion chamber, a nozzle and a mixing head with a two-component centrifugal nozzle located along its axis with corresponding collectors of fuel components at the inlet to the tangential channels of the nozzles of the external and internal centrifugal nozzles, while the collector of the external nozzle is additionally communicated with the jet nozzles, located on the periphery of the mixing head, or on the periphery of the external nozzle. According to the invention, in the manifold of the external nozzle on its outer surface in the area of the tangential inlet channels, a ring with an additional manifold is hermetically installed, which is connected to the main manifold by tangential channels located in a plane offset relative to the plane of the inlet channels of the external centrifugal nozzle and directed towards the side coinciding with the direction of twisting of the tangential channels of the external nozzle.

Для повышения равномерности распределения компонента топлива на стенке камеры сгорания коллектор наружной форсунки сообщен с коллектором струйных форсунок через кольцевой щелевой канал.To increase the uniformity of the distribution of the fuel component on the wall of the combustion chamber, the manifold of the external nozzle is connected with the manifold of the jet nozzles through the annular slotted channel.

Такое решение позволяет реализовать повышенную равномерность распределения компонента топлива в конусе распыла при меньших заклапанных объемах по сравнению с центробежной форсункой без кольца и дополнительного коллектора.This solution makes it possible to realize an increased uniformity of the distribution of the fuel component in the spray cone with smaller valve volumes compared to a centrifugal nozzle without a ring and an additional manifold.

Вторым преимуществом предлагаемого решения является наличие щелевого кольцевого канала, соединяющего основной коллектор с коллектором струйных форсунок, расположенных на периферии наружной центробежной форсунки, либо на периферии смесительной головки. Данное решение позволяет подбором ширины щели обеспечить равные условия на входе в струйные форсунки, а значит наименьшую разнорасходность струй между собой, тем самым повысить однородность рабочего процесса в камере сгорания и сопле, а также обеспечить повышенную равномерность температуры внутренней и наружной поверхностей камеры сгорания и сопла.The second advantage of the proposed solution is the presence of a slotted annular channel connecting the main manifold with the manifold of jet nozzles located on the periphery of the external centrifugal nozzle or on the periphery of the mixing head. This solution allows the selection of the slot width to ensure equal conditions at the inlet to the jet nozzles, which means the smallest different flow rates between the jets, thereby increasing the uniformity of the working process in the combustion chamber and nozzle, as well as ensuring increased temperature uniformity of the inner and outer surfaces of the combustion chamber and nozzle.

В целом предлагаемое техническое решение позволяет повысить в широком диапазоне входных условий энергетические и динамические характеристики двигателя.In general, the proposed technical solution allows increasing the energy and dynamic characteristics of the engine in a wide range of input conditions.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид камеры, на фиг. 2 приведена схема двухкомпонентной форсунки с расположенными по периферии струйными форсунками.The proposed device is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a general view of the camera, FIG. 2 shows a diagram of a two-component nozzle with jet nozzles located along the periphery.

Камера 1 состоит из камеры сгорания 2, сопла 3, смесительной головки 4 с расположенной по ее оси двухкомпонентной центробежной форсункой 5 с соответствующими коллекторами 6 и 7 компонентов топлива на входе в тангенциальные каналы 8 и 9, наружной центробежной форсунки 10 и внутренней центробежной форсунки 11, а коллектор наружной форсунки дополнительно сообщен через щелевой кольцевой канал 12 с коллектором 13, струйных форсунок 14.Chamber 1 consists of a combustion chamber 2, a nozzle 3, a mixing head 4 with a two-component centrifugal nozzle 5 located along its axis with corresponding manifolds 6 and 7 of fuel components at the inlet to tangential channels 8 and 9, an external centrifugal nozzle 10 and an internal centrifugal nozzle 11, and the manifold of the external nozzle is additionally communicated through the slotted annular channel 12 with the manifold 13 of the jet nozzles 14.

В коллекторе наружной центробежной форсунки установлено герметично кольцо 15 с дополнительным коллектором 16, который сообщен с основным коллектором тангенциальными каналами 17, направленными в ту же сторону, что и тангенциальные каналы 8 наружной центробежной форсунки. С целью достижения более высокой равномерности, плоскость расположения тангенциальных каналов 17, соединяющих дополнительный коллектор с основным, смещена относительно плоскости расположения тангенциальных каналов 8 наружной центробежной форсунки. Дополнительный коллектор может быть выполнен в виде кольцевой канавки 18 (показана условно) на поверхности наружной форсунки в зоне входных тангенциальных каналов 8 наружной центробежной форсунки.In the manifold of the external centrifugal nozzle, a hermetically sealed ring 15 with an additional manifold 16 is connected to the main manifold by tangential channels 17 directed in the same direction as the tangential channels 8 of the external centrifugal nozzle. In order to achieve higher uniformity, the plane of the tangential channels 17 connecting the additional collector with the main one is offset relative to the plane of the tangential channels 8 of the external centrifugal nozzle. The additional manifold can be made in the form of an annular groove 18 (shown conventionally) on the surface of the external nozzle in the area of the tangential inlet channels 8 of the external centrifugal nozzle.

Внутренняя центробежная форсунка 11 имеет торцевую заглушку 19, образующую коллектор 7 с осевым подводом 20 компонента топлива, позволяющим создать равные условия на входе в тангенциальные каналы 9.The internal centrifugal nozzle 11 has an end cap 19, which forms a manifold 7 with an axial supply 20 of the fuel component, which makes it possible to create equal conditions at the entrance to the tangential channels 9.

Каналы 21 и 22 предназначены для подачи компонентов топлива соответственно в коллекторы 6 и 7.Channels 21 and 22 are designed to supply fuel components to the manifolds 6 and 7, respectively.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче команды на запуск компоненты топлива по каналам 21 и 22 поступают в коллекторы 6 и 7 наружной 10 и внутренней 11 форсунок. Далее часть топлива для наружной форсунки поступает через щелевой канал 12 в коллектор струйных форсунок 13 и через струйные форсунки 14 истекает в камеру сгорания. Вторая часть топлива поступает через тангенциальные каналы 17, совпадающие с направлением тангенциальных каналов 8 центробежной форсунки, в дополнительный коллектор 16 (18). При этом за счет последовательного двухступенчатого движения жидкости через тангенциальные каналы, а также за счет смещения плоскости осей тангенциальных каналов 17 дополнительного коллектора относительно плоскости осей тангенциальных каналов 8 наружной форсунки 10 обеспечивается высокая равномерность расхода по сечению в сопле форсунки 10 и, как следствие, равномерность распыла форсунки в целом.The proposed device works as follows. When a start command is given, the fuel components through channels 21 and 22 enter the manifolds 6 and 7 of the outer 10 and inner 11 injectors. Further, part of the fuel for the external nozzle enters through the slotted channel 12 into the manifold of the jet nozzles 13 and through the jet nozzles 14 flows into the combustion chamber. The second part of the fuel enters through the tangential channels 17, which coincide with the direction of the tangential channels 8 of the centrifugal nozzle, into the additional manifold 16 (18). At the same time, due to the sequential two-stage movement of the liquid through the tangential channels, as well as due to the displacement of the plane of the axes of the tangential channels 17 of the additional collector relative to the plane of the axes of the tangential channels 8 of the external nozzle 10, a high uniformity of the flow rate over the cross section in the nozzle of the nozzle 10 and, as a consequence, the uniformity of the spray injectors in general.

Второй компонент топлива, поступающий через канал 22 и осевой подвод 20, равномерно растекается по коллектору 7, чем создаются равные условия на входах тангенциальных каналов 9 внутренней форсунки 11. Столкновение пелен компонентов топлива происходит в районе среза сопел соосных центробежных форсунок 10 и 11. Равномерное распределение компонентов топлива по периметру способствует устойчивому протеканию процессов воспламенения и горения в объеме камеры сгорания 2. Продукты сгорания ускоряются в процессе расширения в сопле 3 и создают необходимое управляющее усилие двигателя.The second component of the fuel entering through the channel 22 and the axial inlet 20 evenly spreads along the manifold 7, which creates equal conditions at the inputs of the tangential channels 9 of the internal nozzle 11. The collision of the shroud of the fuel components occurs in the area of the nozzles cut of the coaxial centrifugal nozzles 10 and 11. Uniform distribution of the fuel components along the perimeter contributes to the stable course of ignition and combustion processes in the volume of the combustion chamber 2. The combustion products are accelerated during the expansion process in the nozzle 3 and create the necessary control force of the engine.

Данное решение позволяет существенно уменьшить объем кольцевого коллектора 6 за счет заполнения его дополнительным коллектором 15 и сократить его геометрические размеры, т.к. не требуется значительный объем для выравнивания входных параметров компонента топлива в тангенциальные каналы 8.This solution allows to significantly reduce the volume of the annular collector 6 by filling it with an additional collector 15 and to reduce its geometric dimensions, since a significant volume is not required to equalize the input parameters of the propellant into the tangential channels 8.

Claims

1. A chamber of a low-thrust liquid-propellant rocket engine, containing a combustion chamber, a nozzle and a mixing head, with a two-component centrifugal nozzle located along its axis, with corresponding manifolds of fuel components at the inlet to the tangential channels of the nozzles of the external and internal centrifugal nozzles, characterized in that the manifold of the external nozzle, on its outer surface in the zone of the tangential inlet channels, a ring is hermetically installed, which forms an additional collector, which is connected to the main collector by tangential channels located in a cavity offset relative to the plane of the inlet channels of the external centrifugal nozzle, and directed towards the direction coinciding with the direction of swirling of the tangential channels of the external nozzle.

2. The chamber according to claim 1, characterized in that the additional manifold is made in the form of an annular groove on the outer surface of the outer centrifugal nozzle in the area of the tangential channels.

3. The chamber of claim. 1, characterized in that the manifold of the internal nozzle is made with an axial supply of the fuel component.

4. The chamber according to claim 1, characterized in that the manifold of the external nozzle is additionally communicated with the jet nozzles located along the periphery of the mixing head or the periphery of the external nozzle

5. A chamber according to claim 4, characterized in that the external nozzle manifold is in communication with the jet nozzle manifold through an annular slotted channel.