СОТОВЫЙ СМЕСИТЕЛЬ
CELLULAR MIXER

Изобретение относится к авиадвигателестроению.
Известны турбоэжекторные двигатели (патенты: RU 2190772, МПК F02С 3/32, 1999 г.; RU 2386829, МПК F02C 3/32, 2010 г.; RU 2392475, МПК F02C 7/18, 2010 г.), содержащие газовый эжектор с камерой смешения. Недостатком газодинамической схемы турбоэжекторного двигателя является большое удлинение камеры смешения (отношение длины к высоте), что отрицательно сказывается на массе двигателей. Кроме этого из-за высоких температур газа (более 2000 К) возникают проблемы с обеспечением прочности разделительной поверхности газового эжектора.
Известен смеситель, образованный набором ячеек (сот) и состоящий из двух газовых каналов и камеры смешения, причем гофрированная поверхность на входе в камеру смешения образует набор ячеек (патент JP 8-135504 А, МПК F02K, 1/48,1996).
Уменьшение относительного удлинения камеры смешения с одновременным улучшением охлаждения гофрированной поверхности достигается тем, что соты имеют разую форму и разную длину периметра.
Сущность изобретения заключается в том, что разная форма и разная длина периметра сот влияют на размеры (длину) камеры смешения. Известно, что полное смешение двух струй в цилиндрической камере смешения происходит на участке 8÷12 калибров (Г.А.Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976, с.560). Соответственно, длина камеры смешения будет тем меньше, чем меньше калибр (толщина) смешиваемых струй. Форма сот позволяет деформировать струи, уменьшая их толщину. Уменьшение длины периметра сот (при неизменной форме сот) также уменьшает длину камеры смешения. Увеличение площади контактной поверхности между струями, которое происходит при уменьшении длины периметра (достигается увеличением количество сот) ускоряет смесеобразование и, соответственно, уменьшается время, потребное для смешения струй (за меньшее время газ проходит меньшее расстояние, что позволяет уменьшить длину камеры смешения). Кроме этого увеличение контактной поверхности снижает тепловую нагрузку (тепловой поток, приходящийся на единицу площади) на гофрированную поверхность.
На фиг.1 изображена схема газового эжектора.
На фиг.2 изображено сечение входа в камеру смешения.
Газовый эжектор (фиг.1) состоит из двух кольцевых каналов («горячий» и «холодный» газ), разделенных гофрированной поверхностью, и цилиндрической камеры смешения, выполненной в форме кольца. Гофрированная поверхность деформирована таким образом, что на входе в камеру смешения 1 имеет точки соприкосновения (в статическом положении для компенсации тепловых расширений допускается наличие технологических зазоров).
В результате указанных соприкосновений образуются соты (фиг.2). Существенным является то, что соты имеют разную форму и разную длину периметра (фиг.2, где темным цветом обозначены соты, через которые проходит «горячий» газ, светлым - «холодный» газ).
Сотовый смеситель работает следующим образом.
Потоки «горячего» и «холодного» газа движутся по двум каналам, имеющим общую разделительную поверхность. При движении газа формы каналов изменяются таким образом, что потоки «горячего» и «холодного» газов взаимопроникают (перемешиваются), образуя на входе камеру смешения струи различной формы, имеющие различную длину периметра (фиг.2), которые при исчезновении разделительной поверхности оказываются в непосредственном контакте. В результате этого газы смешиваются.
Уменьшение длины камеры смешения в турбоэжекторных двигателях достигается путем уменьшения длины периметра сот (за счет увеличения их количества) и изменения формы сот, которая подбирается экспериментально.
Для турбоэжекторного двигателя (тяга 150 кН), имеющего расход воздуха в условиях старта ~170 кг/с, количество сот ~300 (форма сот показана на рис.2). При этом толщина (калибр) двух соседних струй составляет ~0,05 м (минимальный размер струй ограничивается величиной сопротивления, которое создают соты). Потребная длина камеры смешения в этом случае исходя из теории подобия составляет 0,4÷0,6 м (10÷12 калибров). Для сравнения, если использовать обычный лепестковый смеситель, то длина камеры смешения составит 1,8÷2,5 м.
Использование сотового смесителя позволяет снизить удельную массу турбоэжекторного двигателя как минимум на 3÷5 процента (за счет уменьшения его продольных размеров на 5÷10 процентов).