RU2829676C1

RU2829676C1 - Gas generator

Info

Publication number: RU2829676C1
Application number: RU2024100287A
Authority: RU
Inventors: Владислав Юрьевич Климов
Original assignee: Владислав Юрьевич Климов
Filing date: 2024-01-09
Publication date: 2024-11-05

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to liquid-propellant rocket engines (LPRE), namely to gas generators generating gas for driving a turbopump unit. Gas generator comprises chamber and mixing head consisting of housing with fire and outer bottoms secured at its ends, oxidizer manifold arranged on outer cylindrical surface of housing. Between housing and fire bottom two-component nozzles are evenly arranged along concentric circles, consisting of a tip with a profiled axial channel for supply of fuel and inclined holes for supply of an oxidizer, located in its outlet part, and a prechamber. Prechamber represents a sleeve with tangential holes for oxidizer supply made in its inlet part. Between the nozzles on the fire bottom there are oxidizer sprayers made in the form of tubes plugged in the outlet part. Radial holes are made on the cylindrical surface of the tubes. Plugged ends and cylindrical parts with holes of sprayers are located in the cavity of the chamber, into which fuel combustion products from the prechambers are also supplied.

EFFECT: proposed is a gas generator.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а именно к газогенераторам, генерирующим газ для привода турбонасосного агрегата.The invention relates to the field of liquid rocket engines (LRE), namely to gas generators that generate gas for driving a turbopump unit.

Одной из проблем, стоящих в настоящее время в данной области техники, является обеспечение устойчивости рабочего процесса в газогенераторе и достаточно высокой равномерности температурного поля по сечению потока на выходе из него.One of the problems currently facing this area of technology is ensuring the stability of the working process in the gas generator and a sufficiently high uniformity of the temperature field across the flow cross-section at its outlet.

Известен газогенератор, содержащий охлаждаемую камеру сгорания, форсуночную головку, состоящую из переднего, среднего и огневого днищ, форсунок окислителя и горючего, установленный по оси газогенератора распределитель избыточного компонента. Распределитель избыточного компонента выполнен в виде полого цилиндра, закрытого продольным днищем. Распределитель снабжен смесительными элементами подачи избыточного компонента в зону смешения, которые выполнены в виде полых перфорированных цилиндров, закрытых перфорированными шатровыми головками, и расположенных по боковой поверхности распределителя в шахматном порядке с уменьшающейся их высотой по потоку газа. На распределителе между огневым днищем и смесительными элементами расположены радиальные профилированные пластины с каналами подачи компонента из полости распределителя в полость камеры газогенератора, выполненными на всю высоту пластины. Днище распределителя выполнено в виде усеченного конуса, обращенного вершиной в сторону огневого днища. В месте перехода цилиндра в днище и в вершине конуса выполнены отверстия (Патент РФ №2179256, МПК: F02K 9/64 - прототип).A gas generator is known that contains a cooled combustion chamber, a nozzle head consisting of a front, middle and fire bottoms, oxidizer and fuel nozzles, a distributor of excess component installed along the axis of the gas generator. The distributor of excess component is made in the form of a hollow cylinder closed by a longitudinal bottom. The distributor is equipped with mixing elements for feeding excess component to the mixing zone, which are made in the form of hollow perforated cylinders closed by perforated tent heads and located along the side surface of the distributor in a staggered order with their height decreasing along the gas flow. On the distributor between the fire bottom and the mixing elements, radial profiled plates with channels for feeding the component from the distributor cavity to the cavity of the gas generator chamber, made along the entire height of the plate, are located. The bottom of the distributor is made in the form of a truncated cone, facing with its apex towards the fire bottom. At the point where the cylinder transitions to the bottom and at the top of the cone, holes are made (Patent of the Russian Federation No. 2179256, IPC: F02K 9/64 - prototype).

Указанный газогенератор работает следующим образом.The specified gas generator works as follows.

Горючее поступает в полость форсуночной головки, откуда через форсунки поступает в камеру сгорания. Окислитель поступает в полость форсуночной головки, откуда по форсункам подается в камеру сгорания и частично по каналам тракта охлаждения камеры сгорания поступает на охлаждение внутренней оболочки. Большая часть окислителя поступает в полость распределителя, и далее через отверстия, выполненные в смесительных элементах и пластинах, подается в поток горючих газов, идущих со стороны форсуночной головки. Этим обеспечивается равномерная раздача окислителя по всему сечению камеры сгорания и равномерное его перемешивание с потоком горячих газов на коротком по длине участке. Коническое днище обеспечивает плавный поворот потока окислителя в полости от осевого направления в радиальное. Оставшаяся часть окислителя, поступающая через отверстия в зону за днищем, сдувает зону завихрений за днищем. Перегородки делят полость камеры сгорания в районе форсуночной головки на ряд полостей и препятствуют распространению вибрационного горения из одной из этих полостей в другую.Fuel enters the cavity of the injector head, from where it enters the combustion chamber through the injectors. The oxidizer enters the cavity of the injector head, from where it is fed through the injectors into the combustion chamber and partially through the channels of the combustion chamber cooling tract enters for cooling the inner shell. Most of the oxidizer enters the cavity of the distributor, and then through the holes made in the mixing elements and plates, it is fed into the flow of combustible gases coming from the side of the injector head. This ensures uniform distribution of the oxidizer over the entire cross-section of the combustion chamber and its uniform mixing with the flow of hot gases in a short section. The conical bottom ensures a smooth turn of the oxidizer flow in the cavity from the axial direction to the radial one. The remaining part of the oxidizer, entering through the holes into the area behind the bottom, blows away the swirl zone behind the bottom. The partitions divide the combustion chamber cavity in the area of the injector head into a number of cavities and prevent the spread of vibrational combustion from one of these cavities to another.

В известном газогенераторе сложно обеспечить высококачественное смесеобразование и устойчивый процесс горения при больших величинах соотношения расходов компонентов топлива в условиях малых габаритов.In the known gas generator, it is difficult to ensure high-quality mixture formation and a stable combustion process at high values of the ratio of fuel component consumption in small-sized conditions.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, и повышение однородности температурного поля генераторного газа на выходе в широком диапазоне температур и давлений за счет повышения качества смесеобразования и оптимизации конструкции газогенератора.The objective of the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages and to increase the homogeneity of the temperature field of the generator gas at the outlet in a wide range of temperatures and pressures by improving the quality of mixture formation and optimizing the design of the gas generator.

Решение указанной задачи достигается тем, что предложенный газогенератор, содержит камеру и смесительную головку, состоящую из корпуса, на торцах которого закреплены огневое и наружное днища, коллектора окислителя, установленного на наружной цилиндрической поверхности корпуса, при этом между корпусом и огневым днищем равномерно расположены по концентрическим окружностям двухкомпонентные форсунки, состоящие из наконечника с профилированным осевым каналом для подачи горючего и наклонными отверстиями для подачи окислителя, расположенными в его выходной части, и форкамеры, представляющей собой втулку во входной части которой выполнены тангенциальные отверстия для подачи окислителя, отличающийся тем, что между форсунок на огневом днище закреплены распылители окислителя, выполненные в виде трубок, заглушенных в выходной части и на цилиндрической поверхности которых выполнены радиальные отверстия, при этом заглушенные концы и цилиндрические части с отверстиями распылителей расположены в полости камеры, в которую также поступают продукты сгорания топлива из форкамер.The solution to the specified problem is achieved in that the proposed gas generator contains a chamber and a mixing head consisting of a housing, on the ends of which a fire and outer bottom are fixed, an oxidizer collector mounted on the outer cylindrical surface of the housing, wherein between the housing and the fire bottom, two-component nozzles are uniformly arranged in concentric circles, consisting of a tip with a profiled axial channel for feeding fuel and inclined openings for feeding an oxidizer, located in its outlet part, and a pre-chamber, which is a sleeve in the inlet part of which tangential openings are made for feeding an oxidizer, characterized in that between the nozzles on the fire bottom, oxidizer sprayers are fixed, made in the form of tubes, plugged in the outlet part and on the cylindrical surface of which radial openings are made, wherein the plugged ends and cylindrical parts with openings of the sprayers are located in the cavity of the chamber, into which the combustion products of the fuel from the pre-chambers also enter.

Предлагаемая конструкция газогенератора, за счет своих отличительных признаков, обеспечивает решение поставленной технической задачи - снижение габаритов, массы устройства, а также повышение однородности температурного поля генераторного газа на выходе в широком диапазоне температур и давлений за счет повышения качества смесеобразования и оптимизации конструкции газогенератора.The proposed design of the gas generator, due to its distinctive features, ensures the solution of the technical task - reduction of the dimensions, weight of the device, as well as increase in the homogeneity of the temperature field of the generator gas at the outlet in a wide range of temperatures and pressures due to the improvement of the quality of mixture formation and optimization of the design of the gas generator.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез газогенератора, на фиг. 2 - вид снизу на газогенератор; на фиг. 3 - разрез А-А - продольный разрез смесительной головки, на фиг. 4 - выносной элемент Б - продольный разрез смесительной головки, на фиг. 5 - разрез В-В - поперечный разрез двухкомпонентной форсунки.The essence of the invention is illustrated by the drawings, where Fig. 1 shows a longitudinal section of the gas generator, Fig. 2 is a bottom view of the gas generator; Fig. 3 is a section A-A - a longitudinal section of the mixing head, Fig. 4 is a remote element B - a longitudinal section of the mixing head, Fig. 5 is a section B-B - a cross section of the two-component nozzle.

Газогенератор содержит камеру 1 и смесительную головку 2.The gas generator contains a chamber 1 and a mixing head 2.

Смесительная головка 2 состоит из корпуса 3, коллектора окислителя 4, наружного днища 5, огневого днища 6, двухкомпонентных форсунок 7 и распылителей окислителя 8.The mixing head 2 consists of a body 3, an oxidizer collector 4, an outer bottom 5, a fire bottom 6, two-component nozzles 7 and oxidizer sprayers 8.

Двухкомпонентная форсунка 7 состоит из наконечника 9 с профилированным осевым каналом 10, предназначенным для подачи горючего, и наклонными отверстиями 11, расположенными в его выходной части и предназначенными для подачи окислителя, и форкамеры 12, представляющей собой втулку, во входной части которой выполнены тангенциальные отверстия 13 через которые осуществляется подача окислителя.The two-component injector 7 consists of a tip 9 with a profiled axial channel 10, intended for supplying fuel, and inclined holes 11, located in its outlet part and intended for supplying an oxidizer, and a pre-chamber 12, which is a sleeve, in the inlet part of which tangential holes 13 are made through which the oxidizer is supplied.

Распылители окислителя 8, закрепленные на огневом днище 6, расположены между двухкомпонентных форсунок 7 и выполнены в виде трубок, заглушенных в выходной части и на цилиндрической поверхности которых выполнены радиальные отверстия 14. При этом заглушенные концы и цилиндрические части с отверстиями распылителей окислителя 8 расположены в полости камеры 1, в которую также поступают продукты сгорания топлива из форкамер 12.The oxidizer sprayers 8, fixed on the fire bottom 6, are located between the two-component nozzles 7 and are made in the form of tubes, plugged in the outlet part and on the cylindrical surface of which radial openings 14 are made. In this case, the plugged ends and cylindrical parts with openings of the oxidizer sprayers 8 are located in the cavity of the chamber 1, into which the products of fuel combustion from the pre-chambers 12 also enter.

Предложенный газогенератор работает следующим образом.The proposed gas generator operates as follows.

Горючее поступает в полость, образованную наружным днищем 5 и корпусом 3 где оно равномерно распределяется по двухкомпонентным форсункам 7. Через профилированный осевой канал 10 в наконечнике 9 двухкомпонентной форсунки 7 горючее направляется в форкамеру 12.The fuel enters the cavity formed by the outer bottom 5 and the body 3 where it is evenly distributed over the two-component injectors 7. Through the profiled axial channel 10 in the tip 9 of the two-component injector 7, the fuel is directed into the pre-chamber 12.

Окислитель (избыточный компонент топлива) поступает в коллектор окислителя 4 и далее в полость, образованную огневым днищем 6 и корпусом 3, из которой его основная часть направляется в распылители окислителя 8, а оставшаяся часть через наклонные отверстия 11 и тангенциальные отверстия в форкамеры 12.The oxidizer (excess fuel component) enters the oxidizer manifold 4 and then into the cavity formed by the fire bottom 6 and the body 3, from which its main part is directed into the oxidizer sprayers 8, and the remaining part through the inclined openings 11 and tangential openings into the pre-chambers 12.

В форкамерах 12 горючее смешивается с окислителем и сгорает, образуя при этом высокотемпературные продукты сгорания топлива. При этом окислитель, поступающий в форкамеры 12 через тангенциальные отверстия 13, образует пелену, защищающую стенки форкамеры 12 от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания топлива, следовательно, и прогара.In the pre-chambers 12, the fuel mixes with the oxidizer and burns, forming high-temperature fuel combustion products. In this case, the oxidizer entering the pre-chambers 12 through the tangential openings 13 forms a veil that protects the walls of the pre-chamber 12 from the effects of high-temperature fuel combustion products, and therefore from burnout.

Во внутренней полости камеры 1 высокотемпературные продукты сгорания топлива, поступающие из форкамер 12, охлаждаются и перемешиваются с окислителем, поступающим из радиальных отверстий 14, выполненных в распылителях окислителя 8.In the internal cavity of chamber 1, high-temperature fuel combustion products coming from pre-chambers 12 are cooled and mixed with the oxidizer coming from radial openings 14 made in oxidizer sprayers 8.

Использование предложенного технического решения позволит снизить габариты и массу газогенератора, а также повысить однородности температурного поля генераторного газа на выходе в широком диапазоне температур и давлений за счет повышения качества смесеобразования и оптимизации конструкции газогенератора.The use of the proposed technical solution will reduce the dimensions and weight of the gas generator, as well as increase the homogeneity of the temperature field of the generator gas at the outlet in a wide range of temperatures and pressures by improving the quality of mixture formation and optimizing the design of the gas generator.

Claims

The gas generator comprises a chamber and a mixing head consisting of a housing, on the ends of which a fire bottom and an outer bottom are fixed, an oxidizer collector mounted on the outer cylindrical surface of the housing, wherein between the housing and the fire bottom, two-component nozzles are uniformly arranged in concentric circles, consisting of a tip with a profiled axial channel for feeding fuel and inclined openings for feeding an oxidizer, located in its outlet part, and a pre-chamber, which is a sleeve, in the inlet part of which tangential openings for feeding an oxidizer are made, characterized in that between the nozzles on the fire bottom, oxidizer sprayers are fixed, made in the form of tubes, plugged in the outlet part and on the cylindrical surface of which radial openings are made, wherein the plugged ends and cylindrical parts with openings of the sprayers are located in the cavity of the chamber, into which the products of fuel combustion from the pre-chambers also enter.