ГЕНЕРАТОР АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГПВРД
ACOUSTIC OSCILLATION GENERATOR FOR SUPERSONIC AIR BREATHER ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в камере сгорания гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя.
Известна камера сгорания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) со стабилизатором горения, представляющим собой уступ, расположенный на стенке камеры (патент США № 5097663, кл. F02K 7/10, 1992).
Недостатком данного устройства являются большие гидравлические потери, в результате чего возникает снижение удельных тяговых характеристик. Косые скачки уплотнения усложняют организацию горения по всему сечению камеры, а также понижают устойчивость пограничного слоя к возмущениям в потоке.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для стабилизации горения в сверхзвуковом потоке (патент RU 2119118 С1, 20.09.1998), предназначенное для повышения эффективной стабилизации диффузионного горения, содержащее основное сопло, обечайку, трубопровод с дополнительным соплом для подачи жидкого или газообразного горючего.
x
Основным и главным недостатком этой конструкции является диффузионное горение, которое, как известно, вызывает образование большого количества оксида азота NO. Кроме того, пламя распространяется в ограниченной приосевой области камеры сгорания, что, вероятно, не в состоянии обеспечить воспламенение значительного количества топлива в невозмущенном потоке. Существует вероятность низкой полноты сгорания в самом стабилизирующем факеле. Необходимы значительные энергозатраты при создании воздушного потока с давлением, достаточным  для присоединения границы струи к обечайке.
Техническим результатом изобретения является снижение выбросов оксидов азота, повышение полноты сгорания топлива как в объеме невозмущенного потока, так и в проточной части самого генератора акустических колебаний, минимизация энергозатрат на создание необходимого давления.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что генератор акустических колебаний, содержащий свечу зажигания, дополнительно содержит топливные сопла, профилированную геометрию проточной части, камеру смешения, вихревую камеру и выходной диффузор, лопаточное закручивающее устройство, сверхзвуковой диффузор.
Уменьшение концентрации оксидов азота достигается с помощью топливных сопел; повышение полноты сгорания топлива как в объеме невозмущенного потока, так и в проточной части самого генератора акустических колебаний, достигается за счет содержания в геометрии проточной части спрофилированных между собой камеры смешения, вихревой камеры и выходного диффузора, а также лопаточного закручивающего устройства; давление в камере смешения повышается за счет организации процесса сжатия в сверхзвуковом диффузоре.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на чертеже представлен продольный разрез генератора акустических колебаний для камеры сгорания ГПВРД.
Генератор акустических колебаний 1 крепится к корпусу камеры сгорания 2 с помощью шести пилонов 3, в корпусе которых имеется канал 4 для соединения топливного коллектора 5, топливных сопел 6 и камеры смешения 7. Для торможения сверхзвукового потока в генераторе акустических колебаний 1 имеется сверхзвуковой диффузор 11, состоящий из центрального тела 12 обечайки 13. Проточная часть генератора акустических колебаний 1 состоит из лопаточного закручивающего устройства 14, камеры смешения 7, вихревой камеры 8, выходного диффузора 9 и свечи зажигания 10.
Генератор акустических колебаний для камеры сгорания ГПВРД работает следующим образом.
Сверхзвуковой поток воздуха (М~2…5) из воздухозаборника ГПВРД 15 поступает в проточную часть 16 камеры сгорания 2. Далее небольшая часть потока (~10…11%) поступает в генератор акустических колебаний 1 через сверхзвуковой диффузор 11. Вследствие образования между краем обечайки 13 и центральным телом 12 серии конических скачков уплотнения, в соответствии с законом Бернулли, скорость потока падает, а полное давление повышается, при этом не задействуются никакие дополнительные системы, что минимизирует энергозатраты на создание необходимого давления. Проходя через лопаточное закручивающее устройство 14, поток приобретает закрученный характер и поступает в камеру смешения 7.
Горючее из топливного коллектора 5 через канал 4, который проходит через пилон 3, делится на две части: одна поступает в топливные сопла 6. Именно благодаря их наличию при обтекании пилонов 3 воздухом генерируется локальная зона обратных токов (вихрь), которая увеличивает интенсивность массообмена топлива, и воздуха. В результате получается заранее перемешанная топливовоздушная смесь, при горении которой (в отличие от диффузионного горения) не формируется локальных высокотемпературных областей, в результате чего снижается образование оксидов азота.
Вторая часть топливного потока поступает (также через канал 4) в камеру смешения 7, где перемешивается с закрученным потоком воздуха, прошедшим через лопаточное закручивающее устройство 14. За счет организации закрученного потока увеличивается время пребывания топлива в камере смешения, что улучшает качество перемешивания и, как следствие, увеличивает полноту сгорания топлива в проточной части генератора акустических колебаний 1.
Далее топливовоздушная смесь, проходя закрученным потоком через вихревую камеру 8, поступает в выходной диффузор 9. За счет того, что расход топливовоздушной смеси в генераторе акустических колебаний 1 постоянный, а проходная площадь вихревой камеры 8 меньше площади камеры смешения 7, скорость потока (особенно радиальная и тангенциальная составляющие) в ней (вихревой камере 8) возрастает. В результате после вихревой камеры 8 поток стремится на периферию выходного диффузора 9, при этом образуется тороидальный вторичный вихрь, имеющий нестационарный характер. В центре вихря образуется область пульсаций давления, вызывающих акустические колебания, которые распространяются дальше по потоку. Воспламенение в генераторе акустических колебаний 1 осуществляется за счет свечи зажигания 10. Камера смешения 7 профилирована с вихревой камерой 8 с помощью лемнискаты Бернулли; вихревая камера 8 и выходной диффузор 9 профилированы между собой с помощью сопрягающего радиуса - эти факторы улучшают аэродинамические характеристики проточной части генератора акустических колебаний 1 - это приводит к уменьшению энергопотерь и, как следствие, к увеличению интенсивности акустических колебаний. Распространяющиеся колебания вызывают образование локальных областей разряжения, в результате генерируются мелкомасштабные зоны обратных токов, увеличивающие время пребывания топливовоздушной смеси в зоне горения, качество перемешивания, и, как следствие, увеличивающие полноту сгорания топлива в потоке. Таким образом, именно наличие профилированных между собой камеры смешения, вихревой камеры и выходного диффузора обеспечивает повышение полноты сгорания во всем объеме камеры сгорания.