Камера сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя для летательного аппарата
COMBUSTION CHAMBER OF STRAIGHT-FLOW AIR-JET ENGINE FOR AIRCRAFT

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может найти применение при создании прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) для летательных аппаратов (ЛА), использующих атмосферный воздух.
Известна прямоточная камера сгорания, содержащая термохимический реактор, расположенный в канале камеры сгорания и имеющий входное и выходное устройства с резонатором (см. патент РФ №2034996, 1995 г.).
Однако известное устройство с резонатором, принятое за прототип «обладает тем недостатком, что предлагаемая схема имеет ограничения по геометрическим параметрам, что ограничивает возможность ее применения (см. Е.Ю. Марчук, Ю.Н. Нечаев, А.С .Полев, А.Н. Тарасов «Второе рождение реактивных двигателей с периодическим сгоранием топлива», ж. Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики. №12, 2002, стр. 18).
Задачей и техническим результатом изобретения являются разработка эффективной конструкции камеры сгорания ПВРД, обеспечивающей улучшение показателей работы камеры сгорания, в частности, удельных тяговых характеристик, а также повышения энергетической эффективности процесса горения.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, содержащей проточный термохимический реактор с входным и выходным устройствами, выходное устройство термохимического реактора выполнено в виде дозвукового щелевого сопла с расположенными на щелях на внешней поверхности стенок сопла полых смесительных лепестков, вершины которых установлены по кругу образующих реактора и камеры сгорания. Площадь канала входного устройства реактора составляет 30-40% по отношению к площади канала камеры сгорания в том же сечении.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемой камеры сгорания, содержащая продольный разрез, вид сбоку и изометрию щелевого сопла. На фиг. 2 представлены расчетные зависимости изменения энтропии в камере сгорания от относительного тепломассоподвода и представлены экспериментальные точки.
Камера сгорания 1 содержит проточный термохимический реактор 2, снабженный топливными коллекторами с форсунками 3 и 4, к которым подключена топливная магистраль 5 (фиг. 1). Термохимический реактор 2 имеет входное устройство 6 и выходное устройство 7 в виде дозвукового щелевого сопла с полыми смесительными лепестками, вершины которых равномерно расположены по образующей термохимического реактора и камеры сгорания (фиг. 1).
0
R
При работе камеры сгорания 1 в термохимический реактор 2 посредством топливной магистрали 5 подают жидкое углеводородное топливо. Через входное устройство в реактор также поступает воздух. На первой стадии за счет сжигания части керосина, подаваемого через коллектор 3, осуществляется подогрев воздушного потока до температуры торможения Т≥1500 К. Причем состав его соответствует продуктам сгорания углеводорода в воздухе. На второй стадии в реакторе происходит термохимическая конверсия топлива, подаваемого через основной топливный коллектор 4 при коэффициенте избытка воздуха в реакторе α≈0,3. Продукты конверсии жидкого углеводородного топлива через выходное устройство 7 в виде дозвукового щелевого сопла, которым заканчивается реактор, поступают в камеру сгорания, где сгорают.
Обеспечение высоких показателей работы камеры сгорания и, в конечном счете, удельной тяги двигателя зависит от потери работоспособности газа в камере сгорания. Эти потери можно разделить на термодинамические, обусловленные законом теплоподвода и процессом горения в камере сгорания, которые характеризуются изменением энтропии или эксергии, и газодинамические, обусловленные смешением струй и наличием в камере сгорания вихревых структур, которые характеризуются коэффициентом гидравлического сопротивления.
R
0R
BR
TR
0
R
0R
Возможность и эффективность применения термохимической конверсии керосина в высокоскоростных ПВРД экспериментально исследовались в ЦАГИ на модельных камерах сгорания. Эксперименты предлагаемой камеры сгорания (фиг. 1) проводились без подогрева воздушного потока на входе в модель. При работе реактора с коэффициентом избытка воздуха α≤0,4 температура потока на выходе из него составляла T=800…1200 К (определена по измерениям поля полных давлений в потоке на выходе из реактора). Здесь  где G - расход воздуха через реактор, G - расход топлива через реактор, L - стехиометрический коэффициент. Расчетная температура потока на выходе из реактора при коэффициенте избытка воздуха α=0,2-0,4 равна соответственно T=1000…1300 К, что свидетельствует о протекании рабочего процесса с термохимическим разложением керосина.
КС
В камере сгорания при коэффициенте избытка воздуха α=1,6-3,2 происходит самовоспламенение и горение продуктов разложения керосина.
КС
Эффективность процесса горения в камере сгорания (фиг. 1) определяется смешением продуктов конверсии с воздушным потоком, для этого использовалось щелевое сопло 7 (фиг. 1). Полнота сгорания керосина в конце камеры сгорания с щелевым соплом при α=2,6-3,2 составляет η=0,93-1,0, а коэффициент гидравлического сопротивления ξ=1,5 (обычно для ПВРД ξ ≥ 2).
R
2
Как показали исследования реактора, исходя из совокупности основных показателей процесса можно рекомендовать некоторые оптимальные условия работы реактора в диапазоне α=0,25-0,35. Этому условию отвечают максимальные значения горючих компонентов СО и Н в продуктах разложения керосина.
КС
BR
BKC
Основные режимы работы камеры сгорания ПВРД соответствуют α=1,0-1,5. Оптимальному режиму работы реактора соответствует относительный расход воздуха через реактор ω=0,4-0,3, где  G - расход воздуха через реактор, G - расход воздуха через камеру сгорания. Таким образом, исходя из этих условий, выбирается площадь входа в реактор, которая составляет 30-40% (на фиг. 1  по отношению к площади канала камеры сгорания в том же сечении.
При сравнении термодинамической эффективности различных камер сгорания ставится в соответствие относительный тепломассоподвод и изменение приращения энтропии в реакциях горения.
р
∞
a
На фиг. 2 показана зависимость отношения прироста энтропии ΔS при горении в камере сгорания к теплоемкости газа с, т.е.  от комплекса характеризующего относительный тепломассоподвод , где , где k и k - показатели адиабаты на входе и выходе камеры сгорания соответственно,  - отношение газовых постоянных в соответствующих сечениях камеры сгорания,  - отношение расхода газа на выходе из камеры сгорания к расходу газа на входе,  - отношение температуры торможения на выходе и входе камеры сгорания. Из фиг. 2 видно, что процесс сжигания продуктов конверсии в виде конвертина идет с меньшими термодинамическими потерями (сплошная кривая продуктов конверсии) по сравнению с прямым сжиганием керосина (пунктирная кривая) при одном и том же относительном тепломассоподводе, гидравлические потери в предлагаемой камере сгорания также меньше принятых для камер сгорания ПВРД, для которых обычно  ξ ≥ 2. Следовательно, уменьшение гидравлических и термодинамических потерь позволяет обеспечить увеличение удельных тяговых характеристик камеры сгорания.