Акустический вихревой инжектор
Акустический вихревой инжектор предназначен для обеспечения процессов смешения, воспламенения и устойчивого горения топливовоздушной смеси (ТВС) в КС ВРД. Инжектор, подключенный на входе к системе подачи топлива, содержит канал с суживающимся - расширяющимся соплом на выходе и расположен в пилоне камеры сгорания двигателя. Вдоль продольной оси канала перед входом в суживающуюся часть сопла размещена, по меньшей мере, одна пластина. Профиль канала выполнен цилиндрическим или прямоугольным и разделен пластиной на две равновеликие части. Размеры пластины определяются заданными соотношениями. 1 н.п. и 5 з.п., 6 ил.
Полезная модель относится к устройствам связанным с организацией рабочего процесса в камерах сгорания (КС) воздушно-реактивных двигателей (ВРД). В КС таких двигателей особенно актуальной является проблема конструктивного решения подачи (инжекции) сверхзвуковых струй газообразного топлива в основной поток воздуха (окислителя) для обеспечения процессов смешения, воспламенения и устойчивого горения топливовоздушной смеси (ТВС). К настоящему времени исследованы и реализованы различные варианты подачи газообразного горючего в КС: со стенки в сносящий воздушный поток под различными углами, с торца уступа при внезапном расширении канала камеры сгорания и т.д. Основным недостатком таких вариантов является малое проникновение струй газообразного топлива в воздушный основной поток. Поэтому горение топлива происходит только вблизи стенки КС с большими потерями полного давления.
Известно (см. Ю.Н.Нечаев. «Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов». Москва, издание Академии Космонавтики им. К.Э.Циолковского, 1996, стр.84-91), что использование пилонов (стоек), содержащих каналы (инжекторы) заданных (как правило, цилиндрического или прямоугольного профилей) для подачи газообразного горючего в форме сверхзвуковых струй спутно основному потоку воздуха, показало преимущество такого варианта перед другими. Данный вариант позволяет осуществить более равномерное распределение топлива по профилю камеры сгорания, что способствует улучшению процессов смешения, воспламенения и горения ТВС. Вместе с тем, один из основных недостатков такого варианта подачи топлива связан с достаточно большой протяженностью зон смешения и горения струй ТВС. Для уменьшения зоны смешения ТВС используют различные варианты. Один из них состоит в направленном воздействии регулярными акустическими колебаниями на зону зарождения истекающей струи горючего в окрестности выхода инжектора в КС. При таком воздействии, когда уровень амплитуды звукового давления источника достигает больших значений, происходит уменьшение начального участка струи, а распад струи на вихри при турбулентном перемешивании с окружающей средой начинается раньше и происходит гораздо интенсивнее, чем при отсутствии воздействующих на струйное течение регулярных колебаний. Известны два варианта акустического воздействия на струю, в первом варианте источник звука располагается во внешнем пространстве вблизи начального сечения струи, а во втором - в канале системы подачи газообразного рабочего тела (см. А.С.Гиневский, Е.В.Власов, Р.К.Каравосов «Акустическое управление турбулентными струями». Москва, физматлит, 2001, стр.181-186, рис.7.3, стр.127-134, рис.4.1).
Использование различных самостоятельных излучателей звука, входящих в конструкцию системы подачи горючего или КС двигателя, требует решения сложных технологических и эксплуатационных проблем, поэтому в таком варианте данный способ интенсификации смешения ТВС не нашел практического применения.
Известен способ самовозбуждения резонансных автоколебаний различных звуковых и ультразвуковых частот (М.А.Ильченко, В.В.Крютченко, Ю.С.Мнацаканян, И.М.Пинкэ, А.С.Рудаков, А.Н.Руденко, Е.А.Фоломеев, В.А.Эпштейн. «Устойчивость рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов» Москва, Машиностроение, стр.168-180, 1995) в потоке газа внутри каналов различного профиля (например, прямоугольного или цилиндрического). Конструктивно сущность способа заключается в размещении, по меньшей мере, одной плоской пластины или набора пластин с постоянным шагом вдоль продольной оси канала. При обтекании потоком газа нескольких пластин значение максимальной амплитуды колебаний давления больше, чем в канале с одной пластиной. В данном случае автоколебания использованы для интенсификации теплообмена (Авторское свидетельство, СССР, 
1740957 A1, F28F 13/10, 11.07.1989).
Указанный способ возбуждения колебаний предлагается использовать для интенсификации смешения инжектируемых газообразных неизобарических сверхзвуковых струй топлива как в затопленном пространстве, так и в спутном воздушном потоке.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является модель топливного пилона с инжектором, элементы конструкции которого приведены в (V.Yu.Alexandrov, Yu.S.Mnatsakanyan, A.N.Prokhorov. Experimental comparative researches of ignition and combustion of supersonic jets of hydrogen in co-flowing supersonic stream in a channel with use of conical and elliptical ingectors. AIAA 2002-17-5227). Конструктивно инжектор состоит из цилиндрического канала оканчивающегося соосным с ним суживающимся - расширяющимся коническим соплом (Fig.2, view А). Инжектор для подачи газообразной недорасширенной сверхзвуковой струи топлива в КС (Fig.4, Pilon for fuel) расположен внутри пилона. Пилон выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда. В КС высокоскоростных ВРД истекающая из инжектора сверхзвуковая газовая струя топлива должна быть нерасчетной. Основными параметрами, определяющими степень нерасчетности струи на выходе из инжектора, являются давление в цилиндрическом канале и характерные размеры диаметров в отдельных сечениях канала: диаметры канала D, критического dкр и выходного сечений Dc сопла. Эффективность работы инжектора в зависимости от степени нерасчетности струи, угла раскрытия сверхзвуковой части сопла и чисел Маха для спутного потока определяется по форме зоны смешения, характеризующейся величиной относительного вертикального внедрения в поток воздуха струй газообразного топлива (отношение максимального значения вертикального внедрения инжектируемой струи топлива в затопленное пространство или спутный поток воздуха к диаметру критического сечения сопла) на различном расстоянии от выходного сечения сопла инжектора. Форма и размеры зоны смешения определялась теневыми фотографиями потока. Результаты экспериментов с инжектором представленной конструкции показали, что основным ее недостатком является незначительное увеличение относительного вертикального внедрения (поперечного размера струи газообразного топлива, характеризующего интенсивность процесса смешения) при удалении от среза выходного сечения сопла.
В основу полезной модели положена задача интенсификации смешения газообразной недорасширенной сверхзвуковой струи топлива, истекающей из инжектора в затопленное пространство или в спутный воздушный поток КС ВРД для устойчивого воспламенения и стабильного горения ТВС.
Поставленная задача решается тем, что инжектор подачи газообразного топлива в воздушно-реактивный двигатель содержит канал с суживающимся - расширяющимся соплом на выходе, подключенный на входе к системе подачи топлива. Канал расположен в пилоне КС двигателя.
Согласно полезной модели вдоль продольной оси канала перед входом в суживающуюся часть сопла инжектора размещена, по меньшей мере, одна пластина. При обтекании пластины в канале инжектора дозвуковым потоком газообразного топлива происходит самовозбуждение акустико-вихревых автоколебаний в диапазоне скоростей потока, при которых Струхалевская частота попеременного схода вихрей с задней кромки пластины (Д.И.Блохинцев. «Акустика неоднородной движущейся среды». Москва, Наука. Главная редакция физико-математической литературы, стр.130-132, 1981) близка к одной из различных собственных акустических частот системы «канал + профиль» (М.А.Ильченко, В.В.Крютченко, Ю.С.Мнацаканян, И.М.Пинкэ, А.С.Рудаков, А.Н.Руденко, Е.А.Фоломеев, В.А.Эпштейн. «Устойчивость рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов». Москва, Машиностроение, стр.177, формула (4.98), 1995). Возникающие, при обтекании пластины поступающим в канал инжектора газообразным потоком топлива, колебания распространяются далее в виде акустических волн в потоке истекающем из суживающегося - расширяющегося сопла. Воздействие таких колебаний на ударно-волновую структуру недорасширенной сверхзвуковой струи в выходном сечении сопла инжектора в зоне ее зарождения, наиболее чувствительной к акустическим колебаниям, может усиливать процесс смешения газообразного топлива как в затопленном воздушном пространстве так и в спутном воздушном потоке.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнения.
Профиль канала может быть выполнен цилиндрическим и разделен пластиной на две равновеликие части со следующими соотношениями размеров пластины
L/D=1.02-1.15,
h/D=0.15-0.2,
где L - длина пластины;
h - толщина пластины;
D - диаметр канала инжектора.
Профиль канала может быть выполнен прямоугольным и разделен пластиной перпендикулярной одной из сторон канала на две равновеликие части со следующими соотношениями размеров пластины
L/H=1.2-1.35,
h/H=0.15-0.25
для пластины перпендикулярной длинной стороне профиля канала;
L/W=1.2-1.35,
h/W=0.15-0.25
для пластины перпендикулярной короткой стороне профиля канала;
где L - длина пластины;
h - толщина пластины;
Н - размер длинной стороны профиля канала;
W - размер короткой стороны профиля канала.
Вдоль продольной оси канала перед входом в суживающуюся часть сопла с постоянным шагом t может быть размещен набор пластин.
Разделение цилиндрического или прямоугольного профиля канала пластиной на две равновеликие части обеспечивает стабильную воспроизводимость автоколебаний в канале инжектора.
Выбор соотношений размеров пластины для цилиндрического и прямоугольного каналов инжектора в заданном диапазоне обеспечивает режимы самовозбуждения автоколебаний с наибольшей амплитудой в потоке газа в канале инжектора, что подтверждено экспериментально.
Размещение с постоянным шагом набора пластин вдоль продольной оси канала перед входом в суживающуюся часть сопла увеличивает максимальную амплитуду колебаний в потоке газа, обтекающего набор пластин по сравнению с амплитудой колебаний в потоке газа, обтекающего одну пластину.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Достигнута интенсификации смешения газообразной недорасширенной сверхзвуковой струи топлива, истекающей из инжектора в затопленное пространство или в спутный поток КС ВРД, что необходимо для устойчивого воспламенения и стабильного горения ТВС.
Настоящая полезная модель поясняется последующим описанием инжектора подачи газообразного топлива в воздушно - реактивный двигатель и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-6, где:
на фиг.1 изображен продольный разрез пилона с каналом инжектора цилиндрического профиля с пластиной (пластинами) или каналом прямоугольного профиля с пластиной (пластинами) перпендикулярной длинной стороне канала;
на фиг.2 - вид А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 для канала инжектора цилиндрического профиля;
на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1 для канала инжектора прямоугольного профиля;
на фиг.5 - продольный разрез пилона с каналом инжектора прямоугольного профиля с пластиной (пластинами) перпендикулярной короткой стороне канала;
на фиг.6 - разрез В-В для канала инжектора прямоугольного профиля на фиг.5.
Инжектор (фиг.1) содержит канал 1 с суживающимся - расширяющимся соплом 2 на выходе. Канал 1 подключен на входе к системе подачи топлива (не показано) и расположен в пилоне 3 камеры сгорания двигателя. Вдоль продольной оси канала 1 перед входом в суживающуюся часть сопла 2 размещена, по меньшей мере, одна пластина 4.
В первом варианте профиль канала 1 выполнен цилиндрическим и разделен пластиной (пластинами) 4 на две равновеликие части (фиг.3) 5 и 6 со следующими соотношениями размеров пластины L/D=1.02-1.15, h/D=0.15-0.2,
где L - длина пластины;
h - толщина пластины;
D - диаметр канала.
Во втором варианте (фиг.1, 4) профиль канала 1 выполнен прямоугольным и разделен пластиной (пластинами) 4 перпендикулярной длинной стороне канала на две равновеликие части 7, 8 со следующими соотношениями размеров пластины L/H=1.2-1.35, h/H=0.15-0.25.
В третьем варианте (фиг.5, 6) профиль канала 1 выполнен прямоугольным и разделен пластиной (пластинами) 4 перпендикулярными короткой стороне профиля канала на две равновеликие части 9, 10 со следующими соотношениями размеров пластины L/W=1.2-1.35, h/W=0.15-0.25.
где L - длина пластины;
h - толщина пластины;
Н - размер длинной стороны профиля канала;
W - размер короткой стороны профиля канала.
Вдоль продольной оси канала 1 (фиг.1, 5) перед входом в суживающуюся часть сопла 2 может быть размещен с постоянным шагом t набор пластин 4.
Инжектор работает следующим образом. При подаче на вход канала 1 в пилоне 3 газообразного топлива последнее заполняет полость канала 1, обтекает пластины 4 и через сопло 2 истекает в камеру сгорания двигателя. При обтекании дозвуковым потоком газообразного топлива пластины 4 в канале 1 инжектора происходит самовозбуждение акустико-вихревых автоколебаний в диапазоне скоростей потока, при которых Струхалевская частота попеременного схода вихрей с задней кромки пластины близка к одной из различных собственных акустических частот системы «канал + профиль». Возникающие, при обтекании поступающим в канал 1 инжектора газообразным потоком топлива пластины 4, колебания распространяются далее в виде акустических волн в потоке истекающем из суживающегося - расширяющегося сопла 2. Воздействие таких колебаний на ударно-волновую структуру недорасширенной сверхзвуковой струи в выходном сечении сопла 2 инжектора, усиливает процесс смешения газообразного топлива в спутном воздушном потоке камеры сгорания ВРД. Для канала с набором нескольких пластин, размещенных с постоянным шагом t, значение максимальной амплитуды колебаний давления в потоке газа в канале инжектора увеличивается, что приводит к усилению процесса смешения ТВС в КС.
1. Акустический вихревой инжектор, содержащий канал с суживающимся - расширяющимся соплом на выходе, подключенный на входе к системе подачи топлива и расположенный в пилоне камеры сгорания двигателя, отличающийся тем, что вдоль продольной оси канала перед входом в суживающуюся часть сопла размещена, по меньшей мере, одна пластина.
2. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что профиль канала выполнен цилиндрическим и разделен пластиной на две равновеликие части со следующими соотношениями размеров пластины
L/D=1,02-1,15,
h/D=0,15-0,2,
где L - длина пластины;
h - толщина пластины;
D - диаметр канала.
3. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что профиль канала выполнен прямоугольным и разделен пластиной, перпендикулярной одной из сторон канала, на две равновеликие части со следующими соотношениями размеров пластины
L/H=L2-1,35,
h/H=0,15-0,25
для пластины, перпендикулярной длинной стороне Н профиля канала;
L/W=1,2-1,35,
h/W=0,15-0,25
для пластины, перпендикулярной короткой стороне W профиля канала;
где L - длина пластины;
h - толщина пластины;
Н - размер длинной стороны профиля канала;
W - размер короткой стороны профиля канала.
4. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что вдоль продольной оси канала перед входом в суживающуюся часть сопла с постоянным шагом t размещен набор пластин.
