Устройство для воспламенения и стабилизации сверхзвукового горения

Полезная модель относится к области авиационной техники и может быть использована для обеспечения надежного воспламенения и стабилизации горения углеводородных топлив в сверхзвуковых камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Когда традиционные газодинамические способы не позволяют организовать процесс горения по причине низких статических температур и давлений, а также высоких скоростей потока, может потребоваться дополнительный энерговклад в объем канала камеры сгорания.
Известно изобретение «Способ стабилизации процесса горения топлива в камере сгорания и камера сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя летательного аппарата» (патент РФ №2454607 МПК F23R 3/18, F02K 7/08). Термохимический реактор с использованием паровой конверсии углеводородов применяется для облегчения воспламенения жидких углеводородных топлив в канале камеры сгорания ПВРД. Это происходит путем раздельного впрыска из близко расположенных инжекторов. Недостатком этого решения является потребность в значительном количестве продуктов конверсии, требуемых для воспламенения жидких углеводородных топлив.
Известно устройство (Y. Tian, S. Yang, "Study on the Effect of Air Throttling on Flame Stabilization of an Ethylene Fueled Scramjet Combustor", International Journal of Aerospace Engineering vol. 2015, Article ID 504684), в котором достигается локальное возрастание давления в канале камеры сгорания путем впрыска газов (например воздуха) со стенки, за счет чего обеспечивается надежное воспламенение топливно-воздушной смеси. Недостатком технического решения является необходимость иметь источник газов - дополнительную емкость или снижающий обтекаемость летательного аппарата дополнительный воздухозаборник. Недостатком является также то, что впрыскиваемые газы имеют низкую температуру. Это не позволяет использовать их для нагрева топливно-воздушных смесей при перемешивании в канале камеры сгорания.
Известно также устройство, (М. Vachon, Т. Grindle, С.St. John, D. Dowdell, "X-43A Fluid and Environmental Systems: Ground and Flight Operation and Lessons Learned", AIAA/CIRA 13th International Space Planes and Hypersonics Systems and Technologies Conference, AIAA 2005-3337), в котором для воспламенения основного топлива используется подмешивание в общую смесь топливной добавки с высокими химико-кинетическими показателями. Недостатком является потребность в значительном количестве добавки. Требуются громоздкие емкости для хранения больших объемов дополнительных топлив с повышенной опасностью.
Ближайшим техническим решением является «Сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения», (патент РФ №2499193 МПК F23R 3/18, F23R 3/34, F23Q 5/00, F23D 14/26), который по максимальному количеству сходных существенных признаков принимается за прототип. Известный стабилизатор содержит установленные в канале камеры сгорания два пилона с симметричными аэродинамическими профилями, один из которых является также электродом, изолированным от корпуса камеры сгорания. В один из пилонов встроены инжекторы с трубками, которые соединены соответственно с источником основного топлива и источником химически активных добавок для впрыска их в поток. Основным недостатком этого стабилизатора является подача добавок и топлива в камеру сгорания с одного пилона, путем чего достигается их полное перемешивание. Это ведет к повышенному расходу добавок. К существенным недостаткам можно также отнести наличие высоковольтной электроизоляции второго пилона и необходимость размещения на борту мощного высоковольтного источника электропитания, работающего длительное время.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, и полученный при осуществлении этого решения результат могут быть достигнуты совокупностью заявленных существенных признаков, необходимых и достаточных для достижения технического результата.
Сущность заключается в том, что заявляемое техническое решение, как и прототип, содержит фрагмент прямоточной камеры сгорания 1 с расположенными в ней пилонами 2 и 3, в первый из которых встроены инжекторы 4, подключенные по отдельным трубкам к источнику химически активных добавок 5 и источнику основного топлива 6. В отличие от прототипа, в предлагаемом решении дополнительно введен встроенный в пилон 3 инжектор 7, подключенный по трубке к источнику основного топлива 6. Для обеспечения запуска прямоточного воздушно-реактивного двигателя к фрагменту камеры сгорания 1 снаружи подключен плазмотрон 8 через выводной канал плазмы 9.
Сущность поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для стабилизации сверхзвукового горения, где изображены:
1 - фрагмент камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя прямоугольного сечения (в продольном разрезе);
2, 3 - пилоны;
4 - инжекторы основного топлива и химически активных добавок;
5, 6 - источники химически активных добавок и основного топлива, соответственно;
7 - инжектор основного топлива;
8 - устройство плазмотронного типа;
9 - выводной канал устройства плазмотронного типа.
В процессе работы устройства в камеру сгорания 1 впрыскиваются химические активные добавки, характеризующиеся высокими показателями скорости воспламенения и тепловыделения при горении. Эти добавки впрыскиваются в камеру сгорания 1 от источника 5 совместно с основным топливом из источника 6 через инжекторы 4, установленные в пилоне 2, в соотношении, достаточном для формирования устойчивого факела, благодаря которому в канале создается также зона повышенного давления. Остальная часть топлива без химических добавок (благодаря чему их расход снижается по сравнению с прототипом) подается от источника 6 через инжектор 7, установленный в пилоне 3, в свободную от пламени область камеры сгорания 1. При этом происходит смешение части топлива, не активированной химическими добавками, с воздухом и воспламенение полученной смеси при взаимодействии с факелами химически активированных топлив ниже по потоку. Формирование в канале зоны повышенного давления также способствует более легкому воспламенению основного топлива, то есть задействуется, помимо огневого, и газодинамический механизм влияния на внутрикамерные процессы. Стабилизация горения основного топлива обеспечивается воздействием более стабильного факела химически активированного топлива. Устройство 8 плазмотронного типа задействуется кратковременно при старте прямоточного воздушно-реактивного двигателя для воспламенения факела с добавочным топливом путем выброса плазмы в топливно-воздушную смесь через выводной канал плазмы 9.
Химическими добавками могут быть легковоспламеняющиеся топлива, в том числе водород, содержащийся в продуктах паровой конверсии углеводородов при высоких температурах (порядка 1000 С). Возможно использование в качестве источника водорода соединений с более низкой температурой разложения, например, аммиака, а также комплексных гидридов. Были проведены предварительные испытания добавочных топлив и получены оценки, которые могут подтвердить возможность реализации ожидаемого эффекта с помощью предложенного устройства.
Таким образом, положительный эффект заявленного технического решения, а именно: воспламенение и стабилизация сверхзвукового горения, обеспечивается осуществлением воспламенения топлива в сверхзвуковом потоке и поддержания горения с помощью химически активированных факелов в прямоточных воздушно-реактивных двигателях со сверхзвуковым потоком в канале камеры сгорания 1, в том числе и на режимах с низкими статическими температурами и давлениями, а также высокими скоростями потока, с использованием минимального количества химических добавок и низкими энергозатратами по электропитанию. Достигается это путем пространственного распределения впрыскиваемых химически активных веществ в объеме камеры сгорания.