Блиск охлаждаемых пилонов подачи горючего
BLISK OF COOLED FUEL FEED PYLONS

Изобретение относится к области аэрокосмической техники и может быть использовано для подачи горючего в высокоскоростной поток воздуха в перспективных прямоточных воздушно-реактивных двигателях внутриатмосферных летательных аппаратов.
Из существующего уровня техники известен аэродинамический стабилизатор пламени для форсажных камер сгорания ВРД фирмы MTU (патент ФРГ №2329346, F02K 3/10, 08.03.73 г.). Этот стабилизатор имеет аэродинамический профиль, на обеих поверхностях которого имеются форсуночные отверстия, через которые готовая топливовоздушная смесь под давлением подается в воздушный поток, тем самым обеспечивает устойчивый процесс горения и минимальные гидравлические потери потока в камере. Для подготовки топливовоздушной смеси в стабилизаторе имеется смесительная камера с форсуночным устройством - трубкой - и одна или несколько воздушных полостей. Воздух поступает в воздушные полости, откуда в смесительную камеру через отверстия, расположенные на ее наружной стенке. В камеру также впрыскивается топливо. Гомогенная топливовоздушная смесь из камеры впрыскивается в наружный поток. Воспламенение топливовоздушных струй осуществляется свечой зажигания, помещенной в конце рециркуляционной зоны.
Недостатком такого типа стабилизатора является сложность его защиты от высоких значений тепловых потоков, воздействующих на стабилизатор от воздушного высокоскоростного потока, из-за чего отсутствует защита наиболее теплонапряженного места - передней и задней кромок стабилизатора. Кроме того, отсутствует возможность компенсирования тепловой деформации конструкции стабилизатора, что при сильном нагреве может вызвать его разрушение. Конструктивную дополнительную сложность и ненадежность в работе создает использование свечи зажигания для воспламенения топливной смеси.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является конструкция, описанная в способе автовоспламенения топливной смеси (патент РФ № RU 2444639, F02C 7/26, 10.03.2012 г.), характеризующаяся тем, что камера сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя содержит стойку для подачи топлива, которая выполнена в виде тела аэродинамического профиля с передней и задней кромками, закреплена с одной стороны внутри на стенке камеры сгорания через опору, заглушена с другой стороны и ориентирована профилем вдоль тракта камеры. Кроме того, стойка снабжена одним каналом подвода топлива и сообщающимися с каналом топливными форсунками, расположенными на передней кромке. При подаче высокоэнтальпийного высокоскоростного воздушного потока в камеру сгорания на передней кромке стойки возникает местное торможение и повышение статической температуры воздушного потока, а подаваемое топливо против потока воздуха хорошо смешивается с ним, нагревается и воспламеняется. При этом описываемая в способе конструкция отличается также тем, что используется стойка, которая дополнительно снабжена вторым каналом подвода топлива, расположенным в задней части стойки, и сообщающимися с каналом топливными форсунками, расположенными вдоль задней кромки стойки, причем стойка имеет боковую цилиндрическую поверхность и установлена на стенке камеры сгорания через опору с возможностью поворота вдоль тракта камеры, где воспламенение топливной смеси осуществляют тем, что в воздушном потоке стойку в месте закрепления на стенке устанавливают к оси тракта камеры наклонно под углом стреловидности, в зависимости от режима работы двигателя. Кроме того, в стойке на наружных боковых поверхностях выполняют симметричные продольные ниши, образуют в нишах вихревые зоны горения и осуществляют стабилизацию горения набегающего потока топливной смеси.
Недостатками данного технического решения являются недостаточность для надлежащей работоспособности стойки охлаждения ее передней и задней кромок при высоких температурах набегающего воздушного потока, в случае стабилизации горения топливной смеси вблизи стойки и заброса пламени против воздушного потока, а также сильная зависимость перепада давления на форсунках, которые расположены в стойке, от массового расхода топлива, что может негативно сказаться на эффективности горения топливно-воздушной смеси. Кроме того, наличие устройства для поворота стойки в канале создает дополнительную конструктивную сложность и повышает вероятность отказа при работе.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание блиска охлаждаемых пилонов подачи горючего в высокоэнтальпийный воздушный поток внутри камеры сгорания с круглым поперечным сечением, который позволил бы получить существенный технический результат, а именно исключить возможность прогара пилонов при высоких тепловых нагрузках, тем самым повысить надежность блиска подачи горючего, а также расширить режимный диапазон по расходу горючего при практически неизменном перепаде давления на форсунках для улучшения эффективности горения смеси горючего с воздухом.
Указанная задача решается тем, что предлагаемый блиск охлаждаемых пилонов подачи горючего 2 (см. фиг. 1), располагаемый между входным участком 1 и выходным участком 5 камеры сгорания, содержит несколько пилонов подачи горючего 3. Каждый пилон 3 выполнен заедино с корпусом блиска 6 (см. фиг. 2), в котором имеется распределительная полость 7. Распределительная полость закрыта цилиндрической крышкой 8 и соединена с патрубком 4 (см. фиг. 1). В каждом пилоне выполнены по три заглушенных с одной стороны канала 20, 11, 14 (см. фиг. 2). Открытые концы каналов 11 и 14 закрыты заглушками 9 и 10 соответственно. Каналы 20 и 14 соединены отверстием 16, а каналы 14 и 11 - отверстием 13. В отверстиях 16 и 13 установлены заглушки 12 и 15 соответственно. В центральном канале 11 расположена заслонка 19, уплотнительное кольцо 18, стопорное кольцо 21 и коническая пружина 17. В заслонке 19 выполнены отверстия 24 (см. фиг. 3). На боковых поверхностях каждого пилона изготовлено два уступа 22 (по одному с каждой стороны), в каждом из которых расположено по несколько струйных форсунок 23.
Техническая сущность представленного изобретения поясняется чертежами:
На фиг. 1 представлена общая схема расположения блиска охлаждаемых пилонов подачи горючего, при этом на фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - входной участок камеры сгорания;
2 - блиск охлаждаемых пилонов подачи горючего;
3 - пилоны подачи горючего;
4 - патрубок;
5 - выходной участок камеры сгорания.
На фиг. 2 представлена схема пилона в продольном разрезе, при этом на фиг. 2 приняты следующие обозначения:
6 - корпус блиска;
7 - распределительная полость;
8 - цилиндрическая крышка полости;
9 - заглушка;
10 - заглушка;
11 - канал;
12 - заглушка;
13 - отверстие;
14 - канал;
15 - заглушка;
16 - отверстие;
17 - коническая пружина;
18 - уплотнительное кольцо;
19 - заслонка;
20 - канал;
21 - стопорное кольцо.
На фиг. 3 показана схема пилона в поперечном разрезе А-А (положение 1), при этом на фиг. 3 приняты следующие обозначения:
22 - уступы;
23 - струйная форсунка;
24 - отверстия в заслонке.
На фиг. 4 показана схема пилона в поперечном разрезе А-А (положение 2).
Устройство работает следующим образом: горючее попадает через патрубок 4 в распределительную полость 7 и распределяется между пилонами. Далее горючее последовательно проходит через канал 20, отверстие 16, канал 14, отверстие 13 и попадает в полость заслонки 19. При прохождении через канал 20, отверстие 16 и канал 14 горючее интенсивно охлаждает кромки пилона и исключает возможность его прогара при высоких тепловых нагрузках, тем самым повышает надежность блиска подачи горючего. Под давлением горючего заслонка 19 опускается до состояния равновесия сил от давления горючего и воздействия конической пружины 17. При совпадении отверстий 24, расположенных в заслонке, и струйных форсунок 23 струйные форсунки 23 открываются и горючее через них поступает в выходной участок камеры сгорания 5. Состояние равновесия определяется количеством открытых струйных форсунок 23, упругостью конической пружины 17 и массовым расходом горючего. В зависимости от массового расхода горючего заслонка 19 смещается на разные расстояния, открывая тем самым необходимое количество форсунок 23 (с увеличением расхода - больше форсунок открыто), что позволяет реализовать режим авторегулирования и расширить режимный диапазон по расходу горючего при практически неизменном перепаде давления на форсунках для улучшения эффективности горения горючего с воздухом. Верхнее положение заслонки 19 ограничено стопорным кольцом 21. Для исключения попадания горючего в область между заслонкой 19 и конической пружиной 17 в отверстии 11 установлено уплотнительное кольцо 18. Наличие уступа 22 и подачи горючего под углом к оси камеры сгорания способствует улучшению смесеобразования и повышению эффективности горения горючего с воздухом.
Вывод: за счет нового конструктивного решения в предложенном блиске пилонов подачи горючего, а именно наличия специальных отверстий и каналов, а также расположения в центральном отверстии каждого пилона заслонки, конической пружины, стопорного кольца и уплотнительного кольца решаются задачи исключения возможности прогара пилонов при высоких тепловых нагрузках, тем самым повышая надежность блиска подачи горючего, и расширения режимного диапазона по расходу горючего при практически неизменном перепаде давления на форсунках для улучшения эффективности горения смеси горючего с воздухом. Кроме того, дополнительно решается задача улучшения смесеобразования посредством подачи горючего под углом к оси камеры сгорания и выполнения уступов на боковых поверхностях пилонов.
Изобретение может быть использовано в области аэрокосмической техники, при создании эффективных и надежных энергосиловых установок, где проблемы организации эффективного процесса горения и обеспечения работоспособности контракции очень актуальны.
Источники информации
1. Патент ФРГ №2329346, F02K 3/10, 08.03.1973 г.
2. Патент РФ № RU 2444639, F02C 7/26, 10.03.2012 г.