RU2183763C2

RU2183763C2 - Device for ignition of propellant components in combustion chamber of liquid-propellant rocket engine

Info

Publication number: RU2183763C2
Application number: RU2000111943/06A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Весноватов; О.А. Барсуков; А.В. Межевов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2002-06-20

Abstract

FIELD: ignition devices for liquid-propellant rocket engines. SUBSTANCE: proposed device has body where electric spark-plug is fitted centrally, reaction chamber narrowing towards outlet of combustion chamber, fuel delivery chamber and oxidizer supply manifold. Ignition device is also provided with mixing member inside which reaction chamber is formed and its outer surface if provided with auger. Oxidizer supply manifold is located at auger outlet on side of combustion chamber. Fuel delivery chamber is formed in bush forming under-plug which is connected via central hole made in bush with fuel delivery chamber and through holes made in bush around fuel delivery chamber, with reaction chamber of mixing member mounted at spaced relation on side of combustion chamber. EFFECT: possibility of starting the chamber working on non-hypergolic propellant components at low-energy of electric spark-plug discharge, at small pressure differential (0.2 to 0.4 kgf/sq.cm) at liquid propellant injection orifices. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области жидкостных реактивных двигателей, применяемых в ракетной технике, в составе ракетных блоков космического применения, к которым предъявляются жесткие требования экономии массы и энергопотребления, поскольку вывод на орбиту лишней массы конструкции и источников энергии связан с большими экономическими затратами. Такие двигатели должны многократно запускаться на орбите в условиях глубокого вакуума космического пространства. Это могут быть двигатели малой тяги (ЖРДМТ) с малыми расходами компонентов несамовоспламеняющегося топлива. Изобретение может быть использовано в авиационной технике и в агрегатах промышленной энергетики. The invention relates to the field of liquid-propellant rocket engines used in rocket technology, as part of space rocket blocks, which are subject to stringent requirements for saving mass and energy consumption, since putting extra mass of a structure and energy sources into orbit is associated with high economic costs. Such engines should be launched repeatedly in orbit under the conditions of a deep vacuum in outer space. It can be small thrust engines (LRE) with low consumption of non-combustible fuel components. The invention can be used in aircraft and in industrial power units.

Известно коническое вихревое устройство смешения и сжигания (воспламенения) для реактивных двигателей, описанное в патенте США 3199295 от 26.08.1968 года, содержащее тангенциальные и радиальные отверстия для впрыска компонентов топлива во внутреннюю полость конуса - камеры сгорания и цилиндрическое отверстие - сопло в центре конического устройства для выхода продуктов сгорания. Для воспламенения несамовоспламеняющихся компонентов топлива в устройстве предусмотрена электрическая свеча. Known conical vortex device for mixing and burning (ignition) for jet engines, described in US patent 3199295 from 08.26.1968, containing tangential and radial holes for injection of fuel components into the internal cavity of the cone - the combustion chamber and a cylindrical hole - nozzle in the center of the conical device for the exit of combustion products. To ignite non-combustible fuel components, an electric spark plug is provided in the device.

Такое устройство для смешения компонентов топлива образует весьма неоднородную топливную смесь, для воспламенения которой требуется достаточно высокая мощность электрического тока, подводимого к электрической свече (1 кВт), что практически не применимо для двигателей ракетных блоков космического применения из-за неприемлемо большой массы источника питания электрической свечи. Кроме того, такое устройство не работоспособно при запуске двигателя в вакууме, работающего в напряженных условиях при малых расходах топлива. Such a device for mixing fuel components forms a very heterogeneous fuel mixture, the ignition of which requires a sufficiently high power of the electric current supplied to the electric candle (1 kW), which is practically not applicable to engines of space rocket units due to the unacceptably large mass of the electric power source candles. In addition, such a device is not functional when starting the engine in a vacuum, operating under stressful conditions at low fuel consumption.

Известно так же устройство для воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ЖРД (преимущественно для кислородно-водородных двигателей, например для двигателя SSME американского ракетоплана "Спейс шаттл") (см. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. /Под ред. Г.Г. Гахуна. М.: Машиностроение, 1989, стр. 77, рис. 4.7), принятое за прототип и содержащее корпус, в котором установлена электрическая свеча, реакционную полость, сужающуюся к выходу в камеру сгорания, полость подачи горючего и коллектор подвода окислителя. A device is also known for igniting fuel components in a rocket engine’s combustion chamber (mainly for oxygen-hydrogen engines, for example, for the SSME engine of the Space Shuttle American rocket plane) (see Design and Design of Liquid Rocket Engines. Ed. By G. G. Gakhun M .: Mashinostroenie, 1989, p. 77, Fig. 4.7), taken as a prototype and containing a housing in which an electric candle is installed, a reaction cavity, tapering towards the exit to the combustion chamber, a fuel supply cavity and an oxidizer supply manifold.

Техническое решение прототипа обладает тем недостатком, что требует мощного электропитания от высоковольтной электросистемы, работа которой в условиях вакуума ненадежна. Этот недостаток усугубляется при переходе на несамовоспламеняющееся топливо с углеводородным горючим, например керосином. The technical solution of the prototype has the disadvantage that it requires powerful power from a high-voltage electrical system, which is unreliable in a vacuum. This disadvantage is exacerbated by the transition to non-combustible fuel with hydrocarbon fuels, such as kerosene.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение надежного воспламенения в камере сгорания ракетного двигателя, работающего на несамовоспламеняющихся компонентах топлива при использовании электрической свечи, работающей при малой мощности подводимого электрического тока, при запуске в условиях вакуума в камере, при малых расходах компонентов несамовоспламеняющегося топлива, и повышение стойкости конструкции устройства к термическому воздействию продуктов сгорания. Thus, it is an object of the present invention to provide reliable ignition in a combustion chamber of a rocket engine operating on non-combustible fuel components when using an electric spark plug operating at low power of the supplied electric current when starting in a vacuum in a chamber at low flow rates of components of non-combustible fuel, and increasing the resistance of the design of the device to the thermal effects of combustion products.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ЖРД, содержащее корпус, в котором центрально установлена электрическая свеча, реакционную полость, сужающуюся к выходу в камеру сгорания, полость подачи горючего и коллектор подвода окислителя, введен смесительный элемент, внутри которого образована реакционная полость, а на наружной поверхности выполнен шнек, на входе в шнек со стороны камеры сгорания размещен коллектор подвода окислителя, причем полость подачи горючего образована во втулке, установленной под электрической свечей с образованием подсвечной полости, которая соединена через центральное отверстие, выполненное во втулке, с полостью подачи горючего и сквозными отверстиями, выполненными во втулке вокруг полости подачи горючего, с реакционной полостью смесительного элемента, установленного под втулкой с зазором со стороны камеры сгорания. The essence of the invention lies in the fact that a mixing element is introduced into the device for igniting the components of the fuel in the LRE combustion chamber, comprising a housing in which the electric candle is centrally mounted, a reaction cavity, tapering towards the exit to the combustion chamber, a fuel supply cavity and an oxidizer supply manifold, inside of which a reaction cavity is formed, and a screw is made on the outer surface, an oxidizer supply manifold is placed at the inlet of the screw from the side of the combustion chamber, and the fuel supply cavity is developed in a sleeve installed under an electric candle with the formation of a backlight cavity, which is connected through a central hole made in the sleeve with a fuel supply cavity and through holes made in the sleeve around the fuel supply cavity with a reaction cavity of the mixing element installed under the sleeve with a gap from the side of the combustion chamber.

Техническим результатом применения такого устройства для воспламенения смеси компонентов топлива является надежный запуск камеры, работающей на несамовспламеняющихся компонентах топлива в условиях пониженного давления в камере на запуске (менее 1 кгс/см²) в широком интервале изменения малых расходов компонентов несамовоспламеняющегося топлива, при малой мощности электрического тока, протекающего через свечу, при малом значении перепада давления (0,2-0,4 кгс/см²) на отверстиях для впрыска жидкого горючего.The technical result of the use of such a device for igniting a mixture of fuel components is a reliable start-up of a chamber operating on non-combustible fuel components under reduced pressure in the starting chamber (less than 1 kgf / cm ² ) in a wide range of small flow rates of components of non-combustible fuel, at low electric power the current flowing through the candle, with a small pressure drop (0.2-0.4 kgf / cm ² ) at the holes for the injection of liquid fuel.

Технический результат достигается введением новых элементов, т.е. смесительного элемента, на наружной поверхности которого имеется шнек, и втулки с полостью подачи горючего, имеющей отверстия для протекания топливной смеси под свечой. Шнек закручивает газовый поток, поступающий в каналы шнека из коллектора подвода окислителя, с интенсивностью закрутки, превышающей критическую. В результате в реакционной полости образуется закрученное течение с образованием приосевой зоны обратных токов, газодинамические параметры которой благоприятны для смешения потока газа - окислителя с горючим (см. А. Гупта, Д.Лилли, Н.Сайред. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987). Вихревая зона обратных токов, распространяясь вверх по потоку, занимает полость подачи горючего. Горючее, впрыскиваемое из нескольких отверстий, выполненных во втулке, попадает в вихревую зону закрученного течения и интенсивно смешивается с потоком газа, образуя смесь компонентов топлива. Образовавшаяся топливная смесь имеет возможность протекать через подсвечную полость, втекая в нее через периферийные отверстия во втулке, соединяющие реакционную и подсвечные полости, и истекая из нее через центральное отверстие во втулке, соединяющее подсвечную полость с полостью подачи горючего. При этом указанное центральное отверстие ограничивает количество топливной смеси, протекающей через подсвечную полость, что обеспечивает надежное искрообразование на электродах свечи. Опыт отработки такого воспламеняющего устройства показывает, что поток топливной смеси в подсвечной полости надежно воспламеняется эрозионной свечой при энергии разряда, не превышающей 20 мДж. The technical result is achieved by the introduction of new elements, i.e. a mixing element, on the outer surface of which there is a screw, and bushings with a fuel supply cavity having openings for the flow of the fuel mixture under the candle. The auger swirls the gas flow entering the auger channels from the oxidizer supply manifold, with a twist intensity exceeding the critical one. As a result, a swirling flow forms in the reaction cavity with the formation of an axial zone of reverse currents, the gas-dynamic parameters of which are favorable for mixing the gas flow - an oxidizing agent with fuel (see A. Gupta, D. Lilly, N. Saired. Swirling flows. M: Mir, 1987). The vortex zone of reverse currents, propagating upstream, occupies the fuel supply cavity. Fuel injected from several holes made in the sleeve enters the vortex zone of the swirling flow and intensively mixes with the gas flow, forming a mixture of fuel components. The resulting fuel mixture has the ability to flow through the backlight cavity, flowing into it through peripheral holes in the sleeve connecting the reaction and backlight cavities, and flowing out of it through the central hole in the sleeve connecting the backlight cavity to the fuel supply cavity. Moreover, the specified Central hole limits the amount of fuel mixture flowing through the backlight cavity, which ensures reliable sparking on the spark plug electrodes. The experience of testing such an igniting device shows that the flow of the fuel mixture in the backlight cavity is reliably ignited by an erosion candle with a discharge energy not exceeding 20 mJ.

Надежности запуска (воспламенению топливной смеси) при давлении в камере много меньшем, чем 1 кгс/см², т.е. в условиях вакуума, способствует сужение реакционной полости на выходе в камеру. Кроме того, следует отметить, что зона горения в смесительном элементе, располагаясь в приосевой вихревой зоне, надежно изолирована от стенок реакционной зоны закрученным газовым потоком и поэтому не оказывает на стенки существенного термического воздействия.Reliability start (ignition of the fuel mixture) at a pressure in the chamber is much less than 1 kgf / cm ² , i.e. in a vacuum, the narrowing of the reaction cavity contributes to the exit to the chamber. In addition, it should be noted that the combustion zone in the mixing element, located in the axial vortex zone, is reliably isolated from the walls of the reaction zone by a swirling gas stream and therefore does not significantly affect the walls.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройства. The essence of the invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the device.

Устройство для воспламенения включает в себя корпус (1), выполненный, например, из хромоникелевой стали Х18Н9Т, в котором устанавливается электрическая свеча (2). Свеча герметизируется при помощи прокладки (3), которая одновременно обеспечивает образование подсвечной полости (4) между торцевой поверхностью (5) свечи (2) и торцевой поверхностью (6) втулки (7), устанавливаемой в корпусе за свечой (2). Втулка (7) выполняется, например, из медного сплава Ml и прикрепляется к корпусу (1) пайкой. Во втулке выполняется полость подачи горючего (8), куда впрыскивается горючее из отверстий (9), которые соединяют коллектор горючего (10), образующийся между корпусом (1) и втулкой (7) при их соединении, с полостью подачи горючего (8). Во втулке вокруг полости подачи горючего выполняются периферийные отверстия (11) и центральное отверстие (12), которые обеспечивают проток топливной смеси через подсвеченную полость. После втулки (7) с зазором по отношению к ней в корпусе (1) устанавливается смесительный элемент (13) с реакционной полостью (14), имеющий на внешней стороне шнек (15) для закрутки потока газообразного окислителя. Смесительный элемент (13) соединяется с корпусом (1), например, путем пайки. Газообразный окислитель поступает в шнек (15) из коллектора (16), образованного между корпусом (1) и смесительным элементом (13). Реакционная полость (14), выполненная в виде цилиндрического канала в смесительном элементе (13), имеет на выходе в камеру сужающееся проходное сечение (17). К коллектору горючего (10) и к коллектору окислителя (16) присоединяются входные трубопроводы (18) и (19). The ignition device includes a housing (1) made, for example, of X18H9T chromium-nickel steel, in which an electric candle (2) is installed. The candle is sealed with a gasket (3), which simultaneously provides the formation of a backlight cavity (4) between the end surface (5) of the candle (2) and the end surface (6) of the sleeve (7), which is installed in the housing behind the candle (2). The sleeve (7) is, for example, made of copper alloy Ml and is attached to the body (1) by soldering. In the sleeve, a fuel supply cavity (8) is executed, where fuel is injected from the holes (9) that connect the fuel manifold (10), which is formed between the housing (1) and the sleeve (7) when they are connected, with the fuel supply cavity (8). In the sleeve around the fuel supply cavity, peripheral holes (11) and a central hole (12) are made, which allow the fuel mixture to flow through the illuminated cavity. After the sleeve (7) with a gap in relation to it, a mixing element (13) with a reaction cavity (14) is installed in the housing (1), having a screw (15) on the outside for swirling the flow of gaseous oxidizer. The mixing element (13) is connected to the housing (1), for example, by soldering. The gaseous oxidizer enters the screw (15) from the collector (16) formed between the housing (1) and the mixing element (13). The reaction cavity (14), made in the form of a cylindrical channel in the mixing element (13), has a tapering cross section (17) at the outlet to the chamber. Inlet pipelines (18) and (19) are connected to the fuel collector (10) and to the oxidizer collector (16).

Работает данное устройство для воспламенения следующим образом. Газообразный компонент-окислитель из входного трубопровода (19) поступает в коллектор (16) и из него протекает по винтовым каналам шнека (15), из-за чего в реакционной зоне (14) смесительного элемента (13) возникает закрученное течение газа с приосевой вихревой зоной обратного тока. Жидкий компонент-горючее из входного трубопровода (18) поступает в коллектор (10), из которого через отверстия (9) впрыскивается в полость подачи горючего (8), в которую распространяется приосевая вихревая зона обратного тока. Горючее, поступающее в полость (8), интенсивно смешивается с газообразным окислителем, в результате чего в приосевой вихревой зоне образуется топливная смесь, которая имеет возможность протекать в подсвечную полость (4) через периферийные отверстия (11) и центральное отверстие (8). При подаче импульсов электрического тока на электроды свечи (2) топливная смесь воспламеняется в канале смесительного элемента (13), и через пережатое выходное сечение (17) высокотемпературные продукты сгорания истекают в камеру. This device works for ignition as follows. The gaseous oxidizing component from the inlet pipe (19) enters the collector (16) and flows from it through the screw channels of the screw (15), which causes a swirling gas flow with an axial vortex in the reaction zone (14) of the mixing element (13) reverse current zone. The liquid fuel component from the inlet pipe (18) enters the manifold (10), from which it is injected through the holes (9) into the fuel supply cavity (8), into which the axial swirl zone of the reverse current propagates. The fuel entering the cavity (8) is intensively mixed with a gaseous oxidizing agent, as a result of which a fuel mixture is formed in the axial vortex zone, which can flow into the illumination cavity (4) through the peripheral holes (11) and the central hole (8). When applying electric current pulses to the electrodes of the candle (2), the fuel mixture ignites in the channel of the mixing element (13), and through the clamped output section (17), the high-temperature combustion products flow into the chamber.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяют достичь надежного воспламенения смешивающихся компонентов топлива в широких интервалах малых расходов компонентов и их массового соотношения, при давлении в камере в момент запуска, составляющем намного меньше, чем 1 кгс/см², т.е. в условиях вакуума в камере сгорания, при высокой стойкости устройства воспламенителя к термическому воздействию горения, при малой энергии электрического разряда свечи.Thus, the combination of new features that are absent in the known technical solutions, allows to achieve reliable ignition of miscible fuel components in wide ranges of low consumption of components and their mass ratio, with a pressure in the chamber at the time of launch, which is much less than 1 kgf / cm ² those. under vacuum conditions in the combustion chamber, at high resistance of the igniter device to the thermal effects of combustion, at low energy of the electric discharge of the candle.

Claims

A device for igniting the components of the fuel in the combustion chamber of a liquid propellant rocket engine, comprising a housing in which the electric candle is centrally mounted, a reaction cavity that tapers toward the exit to the combustion chamber, a fuel supply cavity and an oxidizer supply manifold, characterized in that a mixing element is introduced therein, inside of which a reaction cavity is formed, and on the outer surface a screw is made, at the entrance to the screw from the side of the combustion chamber there is a collector for supplying an oxidizer, and the feed cavity the fuel is formed in the sleeve installed with the formation of the backlight cavity, which is connected through the Central hole made in the sleeve, with the fuel supply cavity and through holes made in the sleeve around the fuel supply cavity, with the reaction cavity of the mixing element mounted under the sleeve with a clearance from the side combustion chambers.