ПИЛОН - АВТОВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ ТОПЛИВА
PYLON-AUTOIGNITER OF FUEL

Изобретение относится к системам подачи в камеры сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) и зажигания жидких и газообразных топлив.
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 поток.
Внутри корпуса стабилизатора находятся смесительная камера с форсуночным устройством-трубкой и одна или несколько воздушных полостей. Воспламенение топливовоздушных струй осуществляется свечой зажигания, помещенной в конце рециркуляционной зоны.
Недостатком этого типа воспламенения является сложность его использования при высоких температурах набегающего потока воздуха. Так как отсутствует какая-либо система охлаждения наиболее теплонапряженного места - передней кромки стабилизатора. Кроме того, отсутствует возможность компенсирования тепловой деформаций конструкции, что при сильном нагреве может вызвать его разрушение. Дополнительную сложность вызывает необходимость использования свечи зажигания.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является стабилизатор пламени ПВРД (патент США №3913319, F02С 7/22, 21.10.75 г.). Стабилизатор состоит из переднего и заднего обтекаемых осесимметричных тел, соединенных цилиндрической перемычкой меньшего диаметра. Стабилизатор крепится к стенкам камеры сгорания с помощью обтекаемой стойки. Топливо по каналам в стойке и обтекаемым телам впрыскивается против потока воздуха и смешивается с ним. Образующаяся смесь воспламеняется в зоне рециркуляции в нише между передним и задним телами.
Принципиальным недостатком этого устройства является то, что стойка, являясь вспомогательным элементом конструкции, вносит дополнительное аэродинамическое сопротивление и подвергается существенным тепловым и силовым нагрузкам. Кроме того, подача и воспламенение топлива осуществляется локально в одном месте, что приводит к неравномерности распыла и последующего воспламенения топлива в объеме камеры сгорания.
В основу изобретения положены задачи упрощения конструкции пилона, обеспечения подачи топлива, смесеобразования, зажигания и горения топливовоздушной смеси по всему фронту камеры сгорания на маршевом режиме работы двигателя.
Условием самовоспламенения топлива в камере сгорания при запуске на маршевом режиме работы двигателя является обеспечение температуры набегающего в камеру сгорания воздушного потока в пределах 1400-1850 K и угла наклона передней кромки пилона к оси камеры сгорания под углом от 20 до 70 градусов.
Поставленная задача решается тем, что пилон - автовоспламенитель топлива камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя содержит переднее и заднее тела аэродинамического профиля, ориентированные вдоль тракта камеры и разделенные нишей, где пилон одним концом закреплен на стенке камеры сгорания, а также систему подачи топлива в камеру сгорания, расположенную в пилоне.
Новым в изобретении является то, что тела пилона выполнены трубчатыми. Пилон содержит, по меньшей мере, две трубки, расположенные одна за другой вдоль тракта камеры. Трубки скреплены между собой с образованием снаружи вдоль мест скрепления трубок продольных ниш и скругленной передней кромки. Причем трубки одним концом закреплены на стенке камеры сгорания через опору, а свободные концы трубок заглушены.
При этом трубки наклонены к оси камеры под углом стреловидности α, который определяется по формуле
где h - высота передней кромки пилона;
L - длина передней кромки пилона;
М - число Маха набегающего на пилон потока.
Система подачи топлива включает полости трубок, соединенных раздельно на входе через опору с магистралями подвода топлива, а на выходе - с отверстиями топливных форсунок, расположенных по образующим трубок вдоль передней и задней кромок.
При таком устройстве пилона - автовоспламенителя:
- выполнение тела пилона трубчатым обеспечивает упрощение его конструкции и технологичность выполнения;
- закрепление трубок одним концом на стенке камеры сгорания через опору, где свободные концы трубок заглушены и скреплены между собой, обеспечивает возможность компенсации теплового расширения пилона;
- установка в пилоне, по меньшей мере, двух трубок, сопрягаемых между собой по образующим с созданием снаружи вдоль мест сопряжения трубок продольных ниш, обеспечивает стабилизацию образования топливной смеси и последующее ее воспламенение;
- округление передней кромки пилона обеспечивает формирование отошедшей ударной волны, нагрев набегающего потока воздуха до температуры самовоспламенения топливовоздушной смеси и образование защитной тепловой завесы перед пилоном;
- наклонение трубок к оси камеры под углом α стреловидности обеспечивает уменьшение тепловой и силовой нагрузок на переднюю часть пилона, а также снижение волновых потерь;
- включение в состав системы подачи топлива полостей трубок, соединенных раздельно на входе через опоры с магистралями подвода топлива, а на выходе - с отверстиями топливных форсунок, расположенных по образующим трубок вдоль передней и задней кромок, а также боковых стенок трубок пилона обеспечивает при многорядном расположении отверстий равномерность распыла горючего и стабильность последующего воспламенения топливной смеси.
Развитие совокупности существенных признаков изобретения для частного случая дано в дополнительном пункте.
Пилон может содержать дополнительную трубку, которая расположена между передней и задней трубками, причем полость дополнительной трубки соединена на входе через опору с дополнительной магистралью подвода топлива, а на выходе - с отверстиями топливных форсунок, расположенных по образующим вдоль боковых стенок трубки. Это, в случае необходимости, увеличивает подачу топлива в камеру сгорания.
Таким образом решена поставленная в изобретении задача. Упрощена конструкции пилона, обеспечена подача топлива, смесеобразование, зажигание и горение топливовоздушной смеси по всему фронту камеры сгорания на маршевом режиме работы двигателя.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции пилона - автовоспламенителя и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1 и 2.
На фиг.1 схематично изображен пилон - автовоспламенитель, размещенный в камере сгорания;
- на фиг.2 - сечение А-А трубок пилона.
Пилон - автовоспламенитель топлива камеры сгорания 1 прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) содержит переднее 2 и заднее 3 тела аэродинамического профиля, ориентированные вдоль тракта камеры 1 и разделенные нишами 4. Пилон одним концом закреплен на стенке 5 камеры сгорания 1. В пилоне также расположена система подачи топлива в камеру сгорания. Тела 2 и 3 пилона выполнены трубчатыми. Пилон содержит, по меньшей мере, две трубки 2 и 3, расположенные одна за другой вдоль тракта камеры 1. Трубки 2 и 3 скреплены между собой сваркой с образованием снаружи вдоль мест скрепления трубок продольных ниш 4. Трубка 2 имеет скругленную переднюю кромку 6. Причем трубки 2 и 3 одним концом закреплены на стенке 5 камеры сгорания через опору 7. Свободные концы трубок 2 и 3 заглушены. Трубки 2 и 3 наклонены к оси камеры 1 под углом стреловидности α, который определяется по формуле, указанной выше.
Система подачи топлива включает полости 8 и 9 соответственно трубок 2 и 3, соединенные раздельно на входе через опору 7 с магистралями 10 и 11 подвода топлива. На выходе полости 8 и 9 соединены соответственно с отверстиями топливных форсунок 12 и 13, расположенных по образующим вдоль передней кромки 6 трубки 2 и задней кромки 14 трубки 3.
Пилон - автовоспламенитель топлива может содержать дополнительную трубку 15, которая расположена между передней 2 и задней 3 трубками в одной плоскости. Полость 16 дополнительной трубки 15 соединена на входе через опору 7 с дополнительной магистралью подвода топлива 17, а на выходе - с отверстиями топливных форсунок 18, расположенных по образующим вдоль боковых стенок 19 трубки 15. Количество дополнительных трубок можно увеличивать по потребности.
При работе камеры сгорания 1 на переднюю кромку 6 трубки 2 пилона набегает сверх- или дозвуковой высокотемпературный (1400 - 2100 K) поток воздуха. Через магистраль 10 в полость 8 передней трубки 2 подают топливо, которое охлаждает изнутри стенку передней кромки 6 трубки 2 и вытекает в камеру сгорания 1 из отверстий топливных форсунок 12 навстречу потоку воздуха. Топливо, впрыскиваемое из форсунок 12, создает защитную завесу перед кромкой 6 трубки 2, уберегая кромку от разрушения. Через магистраль 11 в полость 9 трубки 3 также подается топливо, которое охлаждает изнутри трубку 3 и вытекает в камеру сгорания 1 из отверстий топливных форсунок 13 по направлению высокотемпературного потока воздуха. Топливо, впрыскиваемое из форсунок 13, позволяет увеличить импульс тяги двигателя и обогатить топливовоздушную смесь, образованную ранее топливом, поданным в камеру 1 через форсунки 12.
Для дозвуковых скоростей сопротивление передней трубки 2 благодаря адиабатическому сжатию потока повышает на передней кромке 6 в отдельных местах температуру набегающего воздуха сверх значений температуры воспламенения топливовоздушной смеси, что приводит к зажиганию смеси.
Для сверхзвуковых скоростей температура набегающего воздуха повышается на передней кромке 6 сверх значений температуры самовоспламенения топливовоздушной смеси за счет сжатия в ударной волне.
Через магистраль 17, полость 16 дополнительной трубки 15 и отверстия форсунок 18 можно подавать топливо в камеру сгорания 1 перпендикулярно набегающему потоку воздуха. Это улучшает равномерность распределения топлива и усиливает интенсификацию его смешения с воздухом в поперечном сечении камеры сгорания.
Для подтверждения эффективности технического решения были проведены экспериментальные исследования воспламенения топлива при взаимодействии в камере топливоподающего пилона с набегающим потоком воздуха, истекающим из аэродинамического сопла с числом Маха М=2. В процессе испытаний варьировались температура и давление торможения набегающего потока в пределах 1400-1850 K и 15-25 бар соответственно. Результаты испытаний показали стабильность воспламенения и последующего горения топливовоздушной смеси.