Устройство для стабилизации горения в сверхзвуковом потоке

 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к камере сгорания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Устройство стабилизации горения состоит из основного сопла, обечайки, трубопровода с дополнительным соплом для подачи жидкого или газообразного горючего. Диаметр критического сечения дополнительного сопла составляет от 0,1 до 0,2 диаметра критического сечения основного сопла. Расстояние между критическими сечениями основного и дополнительного сопл равно от 5 до 50 диаметров критического сечения дополнительного сопла. Изобретение повышает эффективную стабилизацию диффузионного горения. 4 ил.

Изобретение относится к авиации, в частности к устройствам для стабилизации горения в сверхзвуковом потоке.

Известна камера сгорания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) со стабилизатором горения, представляющим собой уступ, расположенный на стенке камеры (Патент США N 5097663, кл. F 02 К 7/10, 199).

Известна камера сгорания со стабилизатором горения, представляющим собой нишу, расположенную в стенке камеры. На стенке в нише - свеча для поджига (ФГВ, N 6, 1991, с. 24 - 29).

Недостатком известных устройств являются относительно большие потери полного напора, так как косые скачки создают по всему сечению камеры сложности организации горения при больших поперечных размерах камеры и понижение устойчивости пограничного слоя к возмущениям в потоке, большие пики давления и теплового потока (повышение температуры стенки и уменьшение ее прочностных свойств).

Известно устройство для сжигания горючего в сверхзвуковом газовом потоке, включающее основное сопло и стабилизатор пламени, расположенный за критическим сечением сопла. Стабилизатор выполнен в виде профиля крылообразной формы, расположенного от критического сечения и от оси сопла на расстояниях, составляющих соответственно 0,04 - 0,4 и не более 0,2 от диаметра критического сечения сопла. Стабилизатор наклонен к оси сопла под углом, равным 10 - 25^o (Патент РФ N 1452265, F 23 C 9/00, 1994).

Однако это устройство предназначено для стабилизации горения готовой горючей смеси при предварительном ее образовании и поэтому не позволяет организовать стабилизацию диффузионного горения при раздельной подаче горючего и окислителя (воздуха), т.е. не обеспечивает эффективную стабилизацию диффузионного горения.

Задачей изобретения является повышение эффективной стабилизации диффузионного горения.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство, содержащее основное сопло, снабжено обечайкой, трубопроводом с дополнительным соплом для подачи жидкого или газообразного горючего, расположенным соосно с основным соплом. Диаметр критического сечения дополнительного сопла составляет от 0,1 до 0,2 диаметра критического сечения основного сопла. Расстояние между критическими сечениями основного и дополнительного сопел равно от 5 до 50 диаметров критического сечения дополнительного сопла.

На фиг. 1 представлено устройство для стабилизации горения в сверхзвуковом потоке.

На фиг. 2 показана схема течения воздушной струи и дополнительной струйки горючего с образованием дежурного факела в рециркуляционной зоне.

На фиг. 3 приведены теневые фотографии течения, полученные при испытаниях на воздушных струях без горения: а) свободная струя, б) та же струя с рециркуляционной зоной; в) рециркуляционная зона в струе за соплом с обечайкой, На фиг. 4 даны теневые фотографии, полученные в испытаниях: а) со свободной воздушной струей, б) той же струи с рециркуляционной зоной на дополнительной струйке жидкости (воды).

Устройство для стабилизации горения (фиг. 1, 2) состоит из основного сопла 1 и обечайки 2, образующих канал 3 с внезапным расширением. Внутри основного сопла и соосно обечайки расположен трубопровод 4 с дополнительным соплом 5 для подачи жидкого или газообразного горючего.

Принцип работы предлагаемого устройства (фиг. 2) заключается в следующем.

При подводе в основное сопло 1 воздушного потока с давлением, достаточным для присоединения границы струи 6 к обечайке 2, в струе образуется система: конический скачок 7 + центральный скачок 8. При подаче через трубопровод 4 и дополнительное сопло 5 жидкого или газообразного горючего (например, водорода), образующаяся струйка газа или жидкости 9 в результате взаимодействия с центральным скачком 8 приводит к созданию свободновисящей зоны рециркуляционного течения 10 с головным скачком 11. В этой зоне в результате перемешивания горючего 9 и воздуха образуется гемогенизированная горючая смесь. При температуре воздушного потока T_п > T_с - температуры самовоспламенения (число Маха М > 7) горючая смесь в рециркуляционной зоне поджигается за счет самовоспламенения. Образуется устойчивый дежурный факел пламени 12, т. е. газодинамический стабилизатор пламени. От этого факела воспламеняется подводимое во внешний поток 13 основное газообразное или жидкое горючее.

Для стабилизации горения при температуре потока T_п < T_с - температуры самовоспламенения (число Маха М < 7) используется принудительный поджиг от электроискры, создаваемой от введения в рециркуляционную зону двух электродов.

Проведены расчетные и экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность предлагаемого устройства (фиг. 3, 4).

Согласно расчетным оценкам использование предлагаемого устройства повышает эффективность стабилизации диффузионного горения при раздельной подаче струек горючего и воздуха.

Использование такого устройства в камере сгорания ГПВРД обеспечивает устойчивую стабилизацию диффузионного горения в сверхзвуковом потоке, уменьшает потери полного напора на устройстве стабилизации горения до 30 - 40% вследствие торможения только локальных участков потока, устраняет образование локальных высоких температур на стенках камеры, повышает устойчивость пограничного слоя сверхзвукового потока к возмущениям в камере сгорания, что в совокупности повышает эффективность стабилизации диффузионного горения.

Формула изобретения

Устройство для стабилизации горения в сверхзвуковом потоке, содержащее основное сопло, отличающееся тем, что оно снабжено обечайкой и трубопроводом с дополнительным соплом для подачи жидкого или газообразного горючего, расположенным соосно с основным соплом, причем диаметр критического сечения дополнительного сопла составляет от 0,1 до 0,2 диаметра критического сечения основного сопла, а расстояние между критическими сечениями основного и дополнительного сопл равно от 5 до 50 диаметров критического сечения дополнительного сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4