СПОСОБ АВТОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ПРЯМОТОЧНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
SELF-IGNITION OF FUEL MIX IN RAMJET ENGINE

Изобретение относится к системам подачи и воспламенения жидких и/или газообразных топлив в камеры сгорания многорежимных сверхзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), работающих в широком диапазоне чисел Маха, например, от 4 до 10.
Серьезной проблемой при разработке способов сжигания топлив в конструкциях силовых установок, где реализуется высокоскоростной высокотемпературный воздушно-газовый поток, является выбор систем подачи и воспламенения топлив.
Не менее серьезной проблемой является обеспечение работоспособности топливных магистралей, находящихся в условиях теплового и силового воздействия воздушного высокоскоростного высокотемпературного потока.
Известен способ воспламенения топливной смеси, используемый в воздушно-реактивных и ракетных двигателях. Способ состоит в том, что предварительно образуют огневой факел в камере сгорания двигателя посредством воспламенителя, помещенного в камеру. В камеру подают топливные компоненты и воспламеняют их огневым факелом (Теория реактивных двигателей. Рабочий процесс и характеристики. / Под ред. акад. Стечкина Б.С.  М.: Гособоронгиз, 1958. Стр.105). Недостатком этого способа является то, что при реализации его требуется дополнительное устройство для образования факела. Это усложняет конструкцию камеры сгорания и снижает надежность работы. Чувствительность факельного воспламенителя к составу топливной смеси может приводить к отказу в работе.
Известен аэродинамический стабилизатор пламени для форсажных камер сгорания ВРД фирмы MTU (патент ФРГ №2329346, F02K 3/10, 08.03.73 г.), который обеспечивает устойчивый процесс горения и минимальные гидравлические потери потока в камере. Обводы стабилизатора пламени представляют собой аэродинамический профиль, на обеих поверхностях которого имеются форсуночные отверстия, через которые готовая топливовоздушная смесь под давлением подается в воздушный поток.
Внутри корпуса стабилизатора находятся смесительная камера с форсуночным устройством - трубкой - и одна или несколько воздушных полостей. Воздух, необходимый для подготовки топливовоздушной смеси, 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 тепловых потоков высокой плотности, воздействующих на стабилизатор от воздушного высокоскоростного потока, из-за чего отсутствует защита наиболее теплонапряженного места - передней кромки 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 близким к заявляемому техническому решению является стабилизатор пламени для ПВРД (патент США №3913319, F02C 7/22, 21.10.75). Стабилизатор состоит из переднего и заднего хорошо обтекаемых осесимметричных тел, соединенных цилиндрической нишей меньшего диаметра. Стабилизатор крепится к стенке камеры сгорания с помощью обтекаемой стойки. Топливо по трубопроводу подается к форсункам на передней кромке, впрыскивается против потока воздуха и смешивается с ним. Образующаяся топливная смесь воспламеняется в зоне рециркуляции в нише. Подпитка зоны рециркуляции происходит за счет массообмена между набегающим потоком топливной смеси и вихревым потоком в нише. Стабилизатор создает воспламенение топливной смеси без дополнительных источников зажигания, но не обеспечивает сохранность передней кромки на всех режимах теплового воздействия на нее воздушного потока.
В основу данного изобретения положено решение следующих задач:
- обеспечение автовоспламенения топливной смеси, поданной в камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего в широком диапазоне чисел Маха (примерно от 4 до 10);
- стабилизация и повышение надежности воспламенения топливной смеси;
- равномерность распыления и воспламенения топлива при его подаче в камеру сгорания;
- создание стойки подачи топлива в камеру сгорания ПВРД, работоспособной в условиях теплового и силового воздействия на нее набегающего воздушного высокоскоростного потока.
Поставленные задачи решаются тем, что в предлагаемом способе автовоспламенения топливной смеси камера сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя камера содержит стойку для подачи топлива. Стойка выполнена в виде тела аэродинамического профиля с передней и задней кромками, закреплена с одной стороны внутри на стенке камеры 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. Причем способ заключается в том, что подают воздушный высокотемпературный высокоскоростной поток в камеру сгорания, обдувают воздушным потоком переднюю кромку стойки, чем вызывают местное торможение и нагрев воздушного потока. Через форсунки подают топливо против потока воздуха и смешивают с ним, топливную смесь в потоке нагревают и воспламеняют.
Новым в изобретении является то, что используют стойку, которая дополнительно снабжена вторым каналом подвода топлива, расположенным в задней части стойки, и сообщающимися с каналом топливными форсунками, расположенными вдоль задней кромки. Стойка имеет боковую цилиндрическую поверхность и установлена на стенке камеры сгорания через опору с возможностью поворота вдоль тракта камеры. Воспламенение топливной смеси осуществляют тем, что в воздушном потоке стойку в месте закрепления на стенке устанавливают к оси тракта камеры наклонно под углом стреловидности χ, в зависимости от режима работы двигателя, притом дискретное значение угла стреловидности χ для конкретного режима работы двигателя определяют по соотношению
,
*
с
где Т  - температура самовоспламенения топливовоздушной смеси;
Т - статическая температура воздушного потока;
Мн - число Маха набегающего на стойку потока воздуха;
К - показатель адиабаты воздуха.
Через каналы и форсунки стойки в камеру сгорания подают топливо, при этом через канал и форсунки передней кромки подают захоложенное топливо. В камере сгорания смешивают топливо с воздухом и при соударении топливной смеси в составе воздушного потока с передней кромкой стойки, за счет сжатия в ударной волне, нагревают смесь до уровня температур самовоспламенения топлива. Воспламеняют топливную смесь, горящую топливную смесь и продукты сгорания направляют от передней кромки стойки вдоль ее боковых поверхностей до задней кромки и далее в камеру. Основную часть топлива подают в воздушный поток через второй канал и форсунки задней кромки стойки, распыляют и смешивают это топливо с продуктами сгорания топлива, которые направляют по потоку от передней кромки стойки. Воспламеняют топливную смесь основной части топлива и стабилизируют процесс ее сжигания нагретыми продуктами сгорания топлива, подаваемого в воздушный поток с передней кромки стойки. Продукты сгорания смеси топлива направляют в камеру сгорания.
При таком способе автовоспламенения топливной смеси в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя:
- дополнительное снабжение стойки вторым каналом подвода топлива, расположенным в задней части стойки, и сообщающимися с каналом топливными форсунками, расположенными вдоль задней кромки стойки, обеспечивает сжигание основной части топлива в подготовленном стабилизированном воздушном потоке;
- выполнение стойки с боковой цилиндрической поверхностью обеспечивает упрощение конструкции;
- установка стойки на стенке камеры сгорания через опору с возможностью поворота вдоль тракта камеры и закрепление стойки на стенке камеры наклонно под углом стреловидности χ к оси тракта в зависимости от режима работы по заданному соотношению параметров обеспечивает торможение воздушного потока на передней кромке стойки в ударной волне со скольжением, нагрев и автовоспламенение топливной смеси при уменьшении теплового потока в переднюю кромку стойки, а также уменьшение теплового и силового воздействий воздушного потока на стойку;
- подача захоложенного топлива в камеру сгорания через канал и форсунки передней кромки совместно с наклоном стойки к оси камеры сгорания обеспечивает дополнительное уменьшение тепловых потоков в переднюю кромку стойки и ее минимальный нагрев;
- направление горящей топливной смеси и продуктов сгорания от передней кромки стойки вдоль ее боковых поверхностей до задней кромки и далее в камеру обеспечивает воспламенение основной части топлива;
- подача основной части топлива через второй канал и форсунки задней кромки стойки обеспечивает его контакт с горящей топливовоздушной смесью и его последующее воспламенение;
- непрерывность нагрева набегающего на стойку потока воздуха, смешивающегося с топливом, обеспечивает стабильность воспламенения топлива, а непосредственный контакт нагретого воздуха с топливом создает надежность его воспламенения;
- одностороннее крепление стойки на стенке камеры исключает силовую нагрузку на стойку от тепловых деформаций.
Развитие совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев дано далее.
На боковых поверхностях стойки могут быть выполнены топливные форсунки, сообщающиеся со вторым каналом подвода топлива, что увеличивает подачу топлива в поперечном сечении воздушного потока. Это обеспечивает равномерность подачи топлива в поперечном сечении камеры сгорания и надежность воспламенения топливной смеси.
Стойка может иметь на наружных боковых поверхностях симметричные продольные ниши, где в нишах образуют рециркуляцию части набегающего потока топливной смеси и вихревые зоны горения этой смеси, а посредством этого, за счет массообмена, осуществляют дополнительную стабилизацию горения основной части потока топливной смеси.
В нишах могут быть выполнены топливные форсунки, которые соединены со вторым каналом подвода топлива в стойку, где через форсунки подают топливо в нишу и интенсифицируют стабилизацию горения набегающего потока топливной смеси.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- обеспечено автовоспламенение топливной смеси, поданной в камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего в широком диапазоне чисел Маха (примерно от 4 до 10);
- обеспечены стабилизация и повышение надежности воспламенения топливной смеси в камере сгорания ПВРД;
- обеспечена равномерность распыливания и воспламенения топлива при его подаче в камеру сгорания;
- создана стойка подачи топлива в камеру сгорания ПВРД, работоспособная в условиях теплового и силового воздействия на нее набегающего воздушного высокоскоростного потока.
Настоящее изобретение поясняется последующим описанием конструкции стойки и способа ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-5, где
на фиг.1 схематично изображен тракт камеры сгорания ПВРД с установленной в нем с возможностью поворота на стенке стойкой;
на фиг.2 - поперечное сечение А-А стойки на фиг.1;
на фиг.3 - поперечное сечение А-А на фиг.1 для варианта с дополнительными топливными форсунками на боковых поверхностях стойки;
на фиг.4 - поперечное сечение А-А на фиг.1 для варианта выполнения продольных ниш на наружных боковых поверхностях стойки;
на фиг.5 - поперечное сечение А-А на фиг.1 для варианта с дополнительными топливными форсунками, выполненными в нишах на наружных боковых поверхностях стойки.
Способ автовоспламенения топливной смеси (см. фиг.1) в камере сгорания 1 прямоточного воздушно-реактивного двигателя осуществляют при помощи стойки 2 для подачи топлива. Стойка 2 выполнена (см. фиг.2) в виде тела аэродинамического профиля овальной формы с передней 3 и задней 4 кромками, имеет боковую цилиндрическую поверхность 5 и ориентирована профилем вдоль тракта камеры сгорания 1. Стойка 2 закреплена с одной стороны внутри на стенке 6 камеры сгорания 1 через опору 7 с возможностью поворота вдоль тракта камеры и заглушена с другой стороны. Стойка 2 снабжена (см. фиг.2) одним каналом 8 подвода топлива, сообщающимся с топливными форсунками 9, расположенными на передней кромке 3, и вторым каналом 10 подвода топлива, который расположен в задней части стойки 2 и сообщается с топливными форсунками 11, расположенными на задней кромке 4. На боковых поверхностях 5 стойки 2 (см. фиг.3) могут быть выполнены топливные форсунки 12, сообщающиеся со вторым каналом 10. Стойка 2 (см. фиг.4) может иметь на наружных боковых поверхностях 5 симметричные продольные ниши 13, а в нишах 13 могут быть выполнены (см. фиг.5) топливные форсунки 14, сообщающиеся со вторым каналом 10. Следует отметить, что дискретное значение угла стреловидности χ наклона стойки 2 к оси тракта камеры 2 устанавливают в диапазоне от 30 до 90 градусов.
Способ автовоспламенения топливной смеси в камере сгорания 1 прямоточного воздушно-реактивного двигателя осуществляют следующим образом. При работе в камеру сгорания 1 двигателя направляют (см. фиг.1) высокоскоростной высокотемпературный поток воздуха, который набегает на переднюю кромку 3 стойки 2. На передней кромке 3 температуру набегающего сверхзвукового потока воздуха, за счет сжатия в ударной волне, повышают сверх значений температуры самовоспламенения топливовоздушной смеси. Через канал 8 (см. фиг.2-5) в стойку 2 подают захоложенное топливо, которым охлаждают изнутри переднюю кромку 3 стойки 2 и через топливные форсунки 9 подают в камеру сгорания 1 против воздушного потока, где смешивают с ним. При соударении топливной смеси в составе воздушного потока с передней кромкой 3 стойки 2, за счет сжатия в ударной волне, нагревают смесь до уровня температур самовоспламенения топлива, воспламеняют топливную смесь, горящую топливную смесь, и продукты ее сгорания в составе воздушного потока направляют от передней кромки 3 стойки 2 вдоль ее боковых поверхностей 5 до задней кромки 4 и далее в камеру сгорания 1. Необходимое повышение температуры топливной смеси за счет ее сжатия в ударной волне на передней кромке 3 при минимально возможном тепловом потоке в стойку 2 обеспечивают за счет установки стойки 2 под углом стреловидности χ по заданному соотношению.
Основную часть топлива (см. фиг.2-5) подают в воздушный поток через канал 10 и форсунки 11 задней кромки 4 стойки 2. Распыляют и смешивают это топливо с продуктами сгорания топлива, которые направляют по потоку от передней кромки 3 стойки 2, воспламеняют топливную смесь основной части топлива в рециркуляционной зоне за задней кромкой 4 стойки 2 и стабилизируют процесс ее сжигания нагретыми продуктами сгорания топлива, подаваемого в воздушный поток с передней кромки 3 стойки 2. Воспламенившуюся основную часть топлива направляют в камеру сгорания 1. С боковых поверхностей 5 стойки 2 (см. фиг.3) через форсунки 12, сообщающиеся со вторым каналом 10, возможна подача топлива поперек тракта камеры сгорания 1. При выполнении на наружных боковых поверхностях 5 стойки 2 симметричных продольных ниш 13 (см. фиг.4) образующиеся у передней кромки 3 неполные продукты сгорания имеют дополнительную зону стабилизации 13, возможность воспламенения и сгорания. Добавление в ниши 13 топлива через форсунки 14 (см. фиг.5) интенсифицирует процесс сжигания несгоревшей топливной смеси.
Для подтверждения эффективности технического решения проведены экспериментальные исследования воспламенения топливной смеси в камере сгорания ПВРД при подаче топлива с передней кромки пилона против воздушного потока. В процессе испытаний менялись температура и давление торможения набегающего потока в пределах 1400-1850 К и 15-25 бар соответственно. Результаты испытаний показали стабильность воспламенения и последующего горения топливной смеси.