Способ стабилизации зоны горения в форсажной камере сгорания турбореактивного двигателя и форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя
TURBOJET ENGINE AFTERBURNER COMBUSTION CHAMBER COMBUSTION ZONE STABILIZATION METHOD AND THE TURBOJET ENGINE AFTERBURNER COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в форсажной камере турбореактивного двигателя (ТРД) или в форсажной камере турбореактивного двухконтурного двигателя ДТРД) с пониженным уровнем инфракрасного излучения силовых установок.
Известна форсажная камера сгорания с пониженным уровнем инфракрасного излучения, (патент RU №2028487, МПК F02K 3/10, опубл. 09.02.1995), в которой соосно затурбинному обтекателю (ЗО) установлен кольцевой охлаждающий профилированный экран, передняя часть которого расположена внутри клапана горячего газа перед максимальным утолщением на 30, и выполнен пересекающий сектор, образованный двумя линиями, проведенными из точки на образующей сопла в его минимальном сечении, первая из которых касательна к образующей ЗО в месте его утолщения, а вторая пересекает образующую разделителя контуров в сечении начала ЗО.
Известны устройство и способ (варианты) для стабилизации пламени в форсажной камере турбореактивного двигателя (патент RU №2403422, МПК F02K 3/10 (2006.01), F23R 3/18 (2006.01), опубл. 10.11.2010, бюл. №31). Устройство для стабилизации пламени в форсажной камере турбореактивного двигателя содержит струйный аэродинамический стабилизатор пламени с топливной форсункой и камерой сгорания с воспламенителем топливовоздушной смеси и дополнительный малоразмерный газотурбинный двигатель, а также патрубки отбора воздуха, устройство отвода выхлопных газов и систему сверхзвуковых сопел. Компрессор малоразмерного газотурбинного двигателя установлен перед топливной форсункой и камерой сгорания с воспламенителем топливовоздушной смеси, турбина которого расположена за камерой сгорания. Способ стабилизации пламени в форсажной камере турбореактивного двигателя осуществляют с помощью воздушных струй, вдуваемых в газовый поток форсажной камеры через систему сверхзвуковых сопел навстречу под некоторым углом к потоку. Отбор воздуха производят из промежуточной ступени компрессора двигателя. Необходимое для стабилизации пламени давление струи, выходящей из системы сверхзвуковых сопел, получают за счет использования дополнительного малоразмерного газотурбинного двигателя, расположенного в центральном теле форсажной камеры. Способ стабилизации пламени в форсажной камере турбореактивного двигателя с помощью воздушных струй, вдуваемых в газовый поток форсажной камеры через отверстия различной формы навстречу под некоторым углом к потоку, отличающийся по первому варианту тем, что отбор воздуха производят из промежуточной ступени компрессора, при этом необходимое для стабилизации пламени давление струи, выходящей из системы сопел, получают за счет использования дополнительного малоразмерного газотурбинного двигателя, расположенного в центральном теле форсажной камеры. Для турбореактивного двухконтурного двигателя отбор воздуха производят из второго контура.
Известна форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя (патент РФ №2258830, МПК F02K 3/10, опубл. 20.08.2005), содержащая наружную стенку и последовательно расположенные по тракту двигателя затурбинный канал с обтекателем, фронтовое устройство с V-образным стабилизатором пламени, внутри которого размещены форсунки горелочного устройства. По продольной оси форсажной камеры сгорания расположено центральное тело с внутренней полостью, образованное верхней и нижней плоскими стенками и имеющее утолщенную закругленную входную часть и клиновидную выходную. V-образный стабилизатор пламени выполнен из двух кольцевых сегментов, каждый из которых симметричен друг другу относительно продольной оси форсажной камеры сгорания, расположен в полуокружности поперечного сечения форсажной камеры сгорания перед центральным телом и отстоит от другого кольцевого сегмента на расстоянии не менее максимальной толщины поперечного сечения центрального тела. Центральное тело закреплено посредством обтекаемой формы пустотелых пилонов на стенке форсажной камеры сгорания и снабжено двумя плоскими панелями, шарнирно прикрепленными к его входной части над и под плоскими стенками с приданием обтекаемой формы центральному телу. Задние части панелей с каждой боковой стороны, например, шарнирно-рычажной системой соединены с приводом для осуществления их отклонения от плоских стенок. На входной части и в плоских стенках центрального тела выполнены сквозные отверстия, соединенные с его внутренней полостью, которая сообщена с внутренними полостями пилонов и далее через отверстия в стенке форсажной камеры сгорания - с внутренней полостью трубопроводов подвода охлаждающего воздуха, например, из компрессора одноконтурного двигателя или из одного из наружных контуров многоконтурного двигателя.
Известна форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя (патент РФ №2300655, МПК F02K 3/105, опубл. 10.06.2007), содержащая последовательно, по направлению потока, расположенные фронтовое устройство с V-образным стабилизатором пламени и центральное тело. Внутри V-образного стабилизатора пламени размещены горелочные устройства, а сам стабилизатор выполнен из двух кольцевых сегментов, отстоящих друг от друга на расстоянии не менее максимальной толщины поперечного сечения центрального тела. Центральное тело содержит неподвижный корпус с плоскими поверхностями с обеих сторон и контактирующие с ними плоские отклоняемые панели, утолщенную закругленную в поперечном сечении входную и клиновидную выходную части. Клиновидная выходная часть и контактирующие плоские поверхности корпуса и отклоняемых панелей покрыты радиопоглощающим материалом. Плоские панели и их шарнирные соединения с корпусом центрального тела выполнены пустотелыми и их привод осуществлен с обеих боковых сторон через пустотелые рессоры. Внутри пустотелого шарнирного соединения каждой панели размещена неподвижная пустотелая цилиндрическая штанга, наружная поверхность которой по подвижной посадке сопряжена с внутренней поверхностью пустотелого шарнирного соединения. Концы каждой пустотелой цилиндрической штанги проходят внутри пустотелых рессор, пилонов и через боковые отверстия в стенке форсажной камеры соединены с трубопроводами подвода охлаждающего воздуха. Шарнирные соединения и цилиндрические штанги снабжены двумя рядами сквозных отверстий, расположенных под углом друг к другу таким образом, что при не отклоненном исходном положении панелей отверстия в штангах и шарнирных соединениях совпадают между собой передними по направлению потока рядами, а задними - не совпадают и наоборот, при отклоненном положении панелей отверстия совпадают задними рядами, а передними - не совпадают. Внутренняя полость каждой плоской панели, с одной стороны, через сквозные отверстия соединена с внутренней полостью форсажной камеры, а с другой стороны при отклоненном положении панелей соединена через совпадающие отверстия в штанге и шарнирного соединения с внутренней полостью цилиндрической штанги. На внешней поверхности шарнирного соединения каждой панели по всей его длине выполнен тонкостенный экран обтекаемый формы, образующий внутреннюю полость между экраном и внешней поверхностью шарнирного соединения, которая соединена при не отклоненном исходном положении панелей через совпадающие передними рядами отверстий в штанге и шарнирного соединения с внутренней полостью цилиндрической штанги, а противоположная по направлению от шарнирного соединения кромка каждой плоской панели выполнена в форме эллипса и при отклонении панелей проекция обеих панелей на плоскость поперечного сечения камеры представляет собою экран в виде круга.
Известна комбинированная силовая установка (патент RU на полезную модель №148094, МПК F02K 3/105, опубл. 27.11.2014), в которой достигается снижение уровня ее инфракрасного излучения за счет экранирования горячих неохлаждаемых частей сопл и турбин основного и дополнительного модулей и уменьшение температуры видимых поверхностей центральных тел обоих модулей путем подачи охлаждающего воздуха в их внутренние полости. Комбинированная силовая установка, содержит основной модуль, выполненный в виде турбореактивного двухконтурного двигателя, включающий компрессор, турбину, стойку и сопло с центральным телом, и дополнительный модуль, установленный во втором контуре основного модуля и выполненный в виде турбореактивного двигателя, включающий компрессор, турбину, стойку, эжекторное сопло с центральным телом. Стойки основного и дополнительного модулей снабжены каналами отбора воздуха из компрессоров, соединенными с каналами подвода воздуха, выполненными в центральных телах, видимые со стороны сопл, поверхности которых образованы двойными стенками, наружные из которых перфорированы, а полости между стенками сообщены с каналами подвода воздуха, при этом центральные тела своими расширяющимися частями полностью перекрывают турбины со стороны сопл.
Известна форсажная камера воздушнореактивного двигателя (патент РФ №2208204, МПК F02R 3/22, F02K 3/10, опубл. 10.07.2003), с пониженными гидравлическими потерями в форсажной камере на бесфорсажном режиме, содержащая наружную стенку с разъемными корпусами и теплозащитными экранами, топливный коллектор, фронтовое устройство с радиальными стабилизаторами пламени, равномерно расположенными по окружности в потоке газов проточного тракта. Стабилизаторы имеют возможность поворота вдоль оси камеры посредством приводного механизма, выполненного в виде гидроцилиндра. Гидроцилиндр шарнирно прикреплен к заднему фланцу наружной стенки. Недостатком данного устройства является возможность заклинивания поворотных механизмов, работающих в условиях высоких температур, а также сложность конструкции и дополнительная масса приводного механизма.
Известен способ стабилизации зоны горения в камере сгорания воздушно-реактивных двигателей изобретение (а.с. СССР №131162, МПК F02K 7/02 (2000.01), F02K 11/00 (2000.01), опубл. 1960 г.), наиболее близкий к заявляемому способу, в котором подают жидкое топливо в движущийся воздушный поток распыливающей форсункой. Стабилизацию зоны горения создают подачей сжатого воздуха в радиальном направлении от оси форсунки через расположенную перед форсункой узкую кольцевую щель.
Известно устройство для стабилизации пламени в форсажной камере турбореактивного двигателя (патент на полезную модель RU №165003, МПК F23R 3/18 (2006.01), опубл. 27.09.2016, бюл. №27), ближайшее по технической сущности к заявляемому устройству и принятое за прототип устройства, содержащее корпус, в котором расположен затурбинный обтекатель с системой радиально расположенных сопел, патрубок отбора воздуха, топливную форсунку и устройство генерации газовых струй, которое установлено внутри затурбинного обтекателя и соединено с патрубком отбора, устройство генерации газовых струй выполнено в виде золотниковой камеры сгорания постоянного объема, которая соединена с соплами, а форсунка, установлена внутри патрубка отбора воздуха. Однако известное устройство не достаточно надежно в работе и не достаточно защищает двигатель от инфракрасного излучения.
Технической проблемой является создание форсажной камеры сгорания с оптимальным сочетанием надежной работы, величины гидравлических потерь и эффективности, с пониженным уровнем инфракрасного излучения двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение заключается в повышении надежности работы форсажной камеры сгорания, в снижении гидравлических потерь и уровня инфракрасного излучения двигателя.
Технический результат достигается тем, что в способе стабилизации зоны горения в форсажной камере сгорания турбореактивного двигателя, включающем подачу струй в набегающий поток радиально ему, новым является то, что в вышеупомянутый поток подают парные соударяющиеся друг с другом топливовоздушные струи, при этом оси каждой пары соударяющихся топливовоздушных струй расположены в плоскости, проходящей через ось двигателя, а угол соударения а находится в диапазоне 45-120 градусов.
Технический результат достигается тем, что в форсажной камере сгорания турбореактивного двигателя, содержащей корпус, в котором расположен затурбинный обтекатель с системой радиальных сопел, равномерно расположенных по окружности, патрубок подвода воздуха, топливную форсунку, установленную внутри патрубка подвода воздуха, смеситель топливо-воздушной смеси, установленный внутри затурбинного обтекателя и соединенный с патрубком подвода воздуха и с системой радиальных сопел, воспламенитель топливовоздушной смеси, новым является то, что радиальные сопла расположены попарно в плоскости, проходящей через ось двигателя, при этом оси каждой пары наклонены друг к другу, а угол между осями составляет 45-120 градусов, образуя при этом в плоскости перпендикулярной плоскости угла соударения пленку топливовоздушной смеси в виде эллипса.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1. представлена схема форсажной камеры сгорания ТРД.
На фиг. 2. - схема расположения топливовоздушных соударяющихся струй.
На фиг. 3-схема соударяющихся топливовоздушных струй вид по оси двигателя.
На фиг. 4 представлен макет форсажной камеры сгорания с радиальными соплами в затурбинном обтекателе.
Позиции на фигурах: 1 - корпус; 2 - обтекатель; 3 - радиальные сопла; 4 - камера смешения; 5 - патрубок подвода воздуха; 6 - патрубок подвода топлива; 7 - воспламенитель топливовоздушной смеси; 8 - теплоизолирующий экран; 9 - топливовоздушные струи.
Сущность способа заключается в следующем. На форсажном режиме в поток газов проточного тракта форсажной камеры радиально ему подают ряды парных соударяющихся друг с другом топливовоздушных струи. Оси каждой пары соударяющихся топливовоздушных струй расположены в плоскости, проходящей через ось двигателя, а угол соударения а находится в диапазоне 45-120 градусов. При выдуве парных соударяющихся топливовоздушных струй образуется пленка топливовоздушной смеси в виде эллипса, которая воспламеняется, обеспечивая устойчивую зону стабилизации горения и эффективное сгорание топливовоздушной смеси.
Форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором расположен затурбинный обтекатель 2 с системой радиальных сопел 3 равномерно расположенных по окружности, камеру смешения 4 с патрубком подвода воздуха 5 и патрубками подвода топлива 6, воспламенители топливовоздушной смеси 7. Затурбинный обтекатель 2 снабжен теплоизолирующим экраном 8, что снижает уровень инфракрасного излучения при работе двигателя на безфорсажном режиме. Радиальные сопла 3 расположены попарно в плоскости, проходящей через ось двигателя, при этом оси каждой пары наклонены друг к другу, а угол между осями составляет 45-120 градусов. Парные радиальные сопла 3 образуют ряды соударяющихся топливовоздушных струй с образованием зон обратных токов за ними (фиг. 2).
При работе турбореактивного двигателя воздух из наружного или внутреннего контура двигателя, поступающий по патрубку 5 подвода воздуха, смешивается с топливом подаваемым форсункой через патрубок подвода топлива 6. Образовавшаяся в камере смешения 4 топливовоздушная смесь под давлением поступает в ряды парных радиальных сопел 3. При соударении топливовоздушных струй 9, вытекающих под углом друг к другу, в плоскости перпендикулярной плоскости угла соударения образуется пленка топливовоздушной смеси в виде эллипса (фиг. 3), которая воспламеняется. Размеры эллипса зависят от угла соударения и диаметра топливовоздушных струй 9 (фиг. 3), вытекающих из радиальных сопел 3. Пленка в виде эллипса, образованная соударением топливовоздушных струй 9, очень быстро и эффективно, в отличие от плоской (щелевой) струи, перемешивается с потоком и создает оптимальные условия для горения и стабилизации пламени. Это происходит в связи с тем, что эллиптическая пленка нестабильна и имеет значительные колебания в плоскостях угла соударения и перпендикулярной ему. Стабилизация пламени в форсажной камере сгорания ТРД осуществляется газодинамическим способом, без применения механических стабилизаторов пламени, причем в качестве газодинамических стабилизаторов применяются соударяющиеся топливовоздушные струи 9 с расположением осей каждой пары соударяющихся топливовоздушных струй в плоскости, проходящей через ось двигателя. Эллиптическая пленка, образованная соударением топливовоздушных соударяющихся струй 9, имеет достаточное аэродинамическое сопротивления для создания устойчивых зон обратных токов, которые необходимы для стабилизации пламени. В отличие от плоских (щелевых) газодинамических стабилизаторов, эллиптическая пленка, образованная соударяющимися топливовоздушными струями 9, быстро распадается и смешивается с потоком для создания устойчивого горения.
При прекращении подачи топливовоздушной смеси в радиальные сопла 3, работа форсажной камеры сгорания прекращается, аэродинамическое сопротивление в тракте двигателя уменьшается и инфракрасное излучение становится минимальным.