Результат интеллектуальной деятельности: СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к организации распыливания струи, истекающей из струйной форсунки жидкостного ракетного двигателя малой и особо малой тяги.

Известны струйные форсунки (см. "Жидкостные ракетные двигатели". Основы проектирования под редакцией М.В. Добровольского. Издательство - М.: Машиностроение, 1968, стр.88-89; Д.Г. Пажи, В.С. Галустов, «Распылители жидкостей». Издательство «Химия», Москва, 1979, стр.53-59).

Такие форсунки состоят из корпуса, канала подачи рабочего тела и сопла.

Струйные форсунки просты в изготовлении, компактны и имеют большой коэффициент расхода, в 2,5-3 раза превышающий коэффициент расхода центробежных форсунок, что позволяет повысить расходонапряженность по сечению камеры сгорания ракетного двигателя.

К недостаткам струйных форсунок следует отнести их большую дальнобойность, малый угол распыления и невысокую дисперсность. Угол распыла по данным вышеприведенных источников составляет 10-15° при больших перепадах давления (более 3 кгс/см²).

В жидкостных ракетных двигателях малой тяги перепад давления на форсунке составляет около 3 кгс/см² и менее, при этом дальнобойность струи достигает величины более 90 мм, что совершенно неприемлемо для нормального смесеобразования, особенно в двигателях особо малых тяг (1Н и менее).

Большой угол распыла при одновременном улучшении тонкости распыливания можно обеспечить при одновременном столкновении нескольких струй (обычно одна струя горючего сталкивается с несколькими струями окислителя в одной точке); аналогичную картину можно получить также при соударении струи с преградой (стенкой) при условии столкновения струи с преградой под прямым углом; в этом случае распад струи на капли возможен только при больших перепадах давления.

Следующим недостатком перечисленных методов увеличения угла распыла и улучшения тонкости распыливания является отсутствие возможности использования их в жидкостных ракетных двигателях малой и особо малой тяги, поскольку в указанных двигателях ограничены количество струйных форсунок и пространство, в котором они размещены. Особо сложной задачей является организация смесеобразования в двигателях особо малой тяги, когда количество струйных форсунок составляет всего две (по одной форсунке окислителя и горючего); столкновение таких струй приводит к образованию пелены, и в этом случае не может быть и речи о тонкости распыливания. Кроме того, на таких двигателях из-за малого расхода компонентов топлива (доли грамма в секунду) срабатывают низкие перепады давления (менее 1 кгс/см²), при которых даже при соударении струй или столкновении с преградой они не распадаются, а образуют жидкие пелены или растекаются на преграде.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение дальнобойности струй за счет обеспечения распыливания их непосредственно на выходе из форсунки и обеспечение надежного смесеобразования компонентов топлива непосредственно в зоне у смесительной головки двигателя малой тяги. Схемы пересечения факелов, образованных форсунками, приведены на рис.1.12. а, б, в (Д.Г. Пажи, B.C. Галустов, «Основы техники распыливания жидкостей». - М.: Химия, 1984, стр.25).

Решение заключается в том, что в струйной форсунке жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из корпуса, канала подачи рабочего тела и сопла дополнительно в канале подачи компонента топлива, непосредственно перед соплом, установлен турбулизатор в виде цилиндрической проволочной спирали.

Для повышения стабильности результатов распыливания рабочего тела предлагается выполнять спираль с шагом, равным диаметру проволоки.

Предлагаемая конструкция поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез струйной форсунки. Форсунка состоит из корпуса 1, канала подачи рабочего тела 2, сопла 3 и турбулизатора 4. Турбулизатор представляет собой цилиндрическую спираль из проволоки. Перемещения турбулизатора как в направлении продольной оси форсунки, так и перпендикулярно ей исключаются. Канал, образованный витками спирали, имеет диаметр, примерно равный диаметру сопла.

Форсунка работает следующим образом. Жидкое рабочее тело (вода, окислитель, горючее) поступает в канал подачи рабочего тела 2 и далее при прохождении через турбулизатор 3 встречает на пути препятствия в виде витков спирали. На этих чередующихся препятствиях поток жидкого рабочего тела становится турбулентным в пристеночном слое. Вихревое течение быстро распространяется в радиальном направлении и перед сопловым участком 3 по всему сечению канала течение рабочего тела становится турбулентным, при этом ослабевает связь между соседними вихревыми потоками жидкости, обусловленная силами поверхностного натяжения. Кроме того, в каналах, образованных витками спирали, поток рабочего тела приобретает вращательное движение, напоминающее движение рабочего тела в центробежной форсунке. В целом работа струйной форсунки напоминает работу ценробежно-струйной форсунки. В результате истечения из сопла 3 форсунки сплошной поток жидкости дробится на капли. С увеличением количества витков спирали и перепада давления, срабатываемого на форсунке, а также при использовании рабочих тел с низким коэффициентом вязкости происходит дробление на более мелкие капли. Корневой угол факела распыла доходит до 20°.

На опытном образце получены положительные результаты при проливке на воде экспериментальной форсунки с турбулизатором для двигателя тягой порядка 0,6 Н. При этом диаметр сопла струйной форсунки составил 0,2 мм, внутренний диаметр корпуса в проточке под спираль - 0,5 мм. Спираль была изготовлена из проволоки диаметром 0,15 мм с образованием канала с наименьшим диаметром 0,2 мм. Выполнение спирали с шагом навивки, равным диаметру проволоки, позволит получать стабильные характеристики по качеству распыла рабочего тела при малых перепадах давления на струйной форсунке

Предлагаемая форсунка позволяет уменьшить дальнобойности струй за счет распыливания жидкого рабочего тела непосредственно на выходе из форсунки при малых перепадах давления. Использование таких форсунок в паре (когда две форсунки направлены под углом друг к другу) за счет увеличения поверхности взаимодействия компонентов топлива приводит к качественному перемешиванию и активному химическому взаимодействию капель окислителя и горючего в жидкой фазе в непосредственной близости от днища форсуночной головки, что улучшает динамические и энергетические характеристики двигателя малой тяги.

Еще одной особенностью предлагаемой конструкции является простота, ее высокая технологичность и возможность регулирования параметров распыла путем изменения длины спирали или шага навивки спирали.