ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЭНТАЛЬПИЙНОГО ПОТОКА ВОЗДУХА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
GENERATOR OF HIGH-ENTHALPY AIRFLOW AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к устройствам и способам для получения воздушного потока с заданными параметрами при стендовых испытаниях и может быть использовано для нагрева текучих сред, в частности, в аэродинамических трубах.
Имитация при стендовых испытаниях работы объекта в воздушном потоке с заданными натурными баротермическими и скоростными параметрами является важным условием сокращения времени и стоимости разработок образцов авиационной и космической техники.
Известен способ получения воздушного потока с заданными параметрами и устройство для его осуществления (Патент РФ №2093716 С1, 6 F15D 1/00, 1995.05.12). В способе получения потока с заданными параметрами, при котором с помощью поршня, движущегося с разгоном в стволе, сжимают адиабатически воздух, а в момент остановки поршня запирают сжатый воздух и осуществляют его истечение через сверхзвуковое сопло с заданным числом Маха, при постоянном объеме воздуха, перед его сжатием поршнем осуществляют мгновенный подогрев, запирание производят путем фиксации поршня в конце ствола, эквивалентно воздуху используют смесь из 15% азота и 85% его закиси, а нагрев осуществляют посредством электрического разряда с энергией 500-23000 ккал. Недостатком этих способа и устройства является технологическая и конструктивная сложность всей системы, включающей множество обеспечивающих процесс элементов. Кроме того, электроразрядная система для использования в длительных испытаниях является дорогостоящей. По этим признакам данное изобретение существенно уступает другим предложениям, например, использующим огневые нагреватели воздуха.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение по конструкции и способу работы являются устройство и способ для нагрева потока воздуха с заданными параметрами см. «Lawrence D.Huebner and other. «Calibration of the Langl 8-Foot High Temperature Tunnel for Hypersonic Airbreating Propulsion Testing». 19 AIAA Advanced Measurement and Ground Technology Conference. June 17-20, 1996/New Orleans, LA/AIAA 96-2197».
Устройство выполнено в виде генератора высокоэнтальпийного воздуха с заданными параметрами. Генератор содержит камеру сгорания и системы подачи окислителя и горючего, которые включают магистрали подвода воздуха, кислорода и горючего, камеру смешения воздуха и кислорода и смесительную головку камеры сгорания. Смесительная головка состоит из набора каналов с равно расположенными форсунками, размещенными в плоскости, поперечной камере, и отдельных подводящих каналов горючего, соединенных с каждым каналом смесительной головки. Все форсунки обращены в полость камеры сгорания и соосны ее оси. Смесительная головка также имеет отверстия, соединяющие полость камеры смешения с полостью камеры сгорания. Камера сгорания включает наружный кожух, размещенную в нем с образованием кольцевого канала жаровую трубу и выполнена на выходе с сужающимся соплом. При этом камера смешения воздуха и кислорода, смесительная головка камеры сгорания и камера сгорания выполнены цилиндрическими и установлены последовательно друг за другом. Магистраль подвода воздуха подключена на входе, а магистраль подвода кислорода - в средней части камеры смешения. Магистраль подвода горючего подключена к каналам смесительной головки камеры сгорания через отдельные подводящие каналы.
Способ работы генератора заключается в том, что окислители - воздух с высоким давлением и температурой окружающей среды подают на вход, а газообразный кислород - в среднюю часть камеры смешения. После подачи в камеру кислород смешивают с потоком воздуха и из камеры смешения через кольцевые отверстия в смесительной головке смесь окислителей направляют в камеру сгорания. Одновременно через форсуночные отверстия смесительной головки в камеру сгорания подают горючее - газообразный метан. Смешивают горючее со смесью окислителей и поджигают топливную смесь воспламенителем. Продукты сгорания в виде высокотемпературной смеси газов через сопло выводят в аэродинамическую трубу.
На постоянном режиме работы генератора реализуется высокая скорость газообразного метана в каждом отдельном канале смесительной головки, что ведет к появлению значительного положительного градиента давления вдоль канала и соответственно к неравномерному расходу горючего по форсункам одинакового диаметра этого канала при истечении через них горючего в камеру постоянного давления. Подключение подводящих каналов горючего к каналам смесительной головки в разных местах также усиливает многослойную окружную неравномерность расхода горючего по радиусу камеры сгорания. Эти факторы неблагоприятно влияют на процесс горения в камере сгорания, баротермические и скоростные параметры газового потока на выходе из камеры сгорания. Пульсации потока в камере сгорания могут вызывать вибрацию нежесткой конструкции смесительной головки, что еще больше усиливает неравномерность подачи горючего через форсунки и неравномерность баротермических и скоростных параметров газового потока на выходе из генератора.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
получение высокоэнтальпийного воздушного потока с заданными параметрами и уровнем неравномерности температурного поля для нагрева текучих сред при испытаниях на стенде образцов авиационной и космической техники;
сокращение времени и снижение стоимости испытаний образцов авиационной и космической техники.
Поставленные задачи для устройства решаются тем, что генератор высокоэнтальпийного потока воздуха с заданными параметрами содержит камеру сгорания и системы подачи окислителя и горючего. Системы подачи окислителя и горючего включают магистрали подвода воздуха, кислорода и горючего, камеру смешения воздуха и кислорода и смесительную головку камеры сгорания. Смесительная головка камеры сгорания состоит из набора каналов с форсунками, размещенными в плоскости, поперечной камере. Все форсунки смесительной головки обращены в полость камеры сгорания и соосны ее оси. Смесительная головка также снабжена сквозными отверстиями, соединяющими полость камеры смешения с полостью камеры сгорания. Камера сгорания включает наружный кожух, размещенную в нем с образованием кольцевого канала жаровую трубу и выполнена на выходе с сужающимся соплом. Камера смешения воздуха и кислорода, смесительная головка камеры сгорания и камера сгорания выполнены цилиндрическими и установлены последовательно друг за другом. Магистраль подвода воздуха подключена на входе, а магистраль подвода кислорода - в средней части камеры смешения. Магистраль подвода горючего подключена к каналам смесительной головки камеры сгорания.
В соответствии с изобретением камера смешения воздуха и кислорода снабжена кольцевым внешним коллектором, соединенным с магистралью подвода кислорода, и сообщающимися с коллектором, расположенными в камере смешения, полыми пилонами с устройствами для вдува кислорода. Камера сгорания снабжена воспламенителем. Магистраль подвода воздуха сопряжена с камерой смешения воздуха и кислорода центрально. Смесительная головка камеры сгорания содержит два полукольца П-образной формы в поперечном сечении и дисковое днище, которое по периферии герметично сопряжено с последними. В дисковом днище выполнены наружная кольцевая канавка, сопряженная через полукольца П-образной формы с магистралью подвода горючего. Каналы горючего смесительной головки расположены продольно-поперечно, пересекаются между собой и с канавкой днища. Днище между каналами снабжено двумя группами сквозных отверстий разного диаметра подачи воздушной смеси из камеры смешения в камеру сгорания соосными форсункам подачи горючего. Форсунки подачи горючего соединены с каналами подвода горючего в месте их пересечения между собой и расположены на дисковом днище в шахматном порядке в основном относительно отверстий большего диаметра подачи воздушной смеси.
При такой конструкции генератора:
- выполнение камеры смешения в виде кольцевого внешнего коллектора, соединенного с магистралью подвода кислорода, и сообщающихся с коллектором расположенных в камере полых пилонов с устройствами для вдува кислорода обеспечивает равномерное распределение кислорода между пилонами;
- снабжение камеры сгорания воспламенителем обеспечивает надежное воспламенение и устойчивое горение;
- центральное сопряжение магистрали подвода воздуха с камерой смешения позволяет обеспечить равномерность воздушного потока перед смешением с кислородом в камере смешения;
- выполнение смесительной головки камеры сгорания в виде двух полуколец П-образной формы в поперечном сечении и дискового днища, которое по периферии герметично сопряжено с последними, делает конструкцию смесительной головки более технологичной;
- выполнение в дисковом днище наружной кольцевой канавки, сопряженной через полукольца П-образной формы с магистралью подвода горючего, и сообщающихся с канавкой пересекающихся продольно-поперечных каналов позволяет выполнить охлаждение смесительной головки, равномерно распределить горючее между форсунками, исключить вибрацию конструкции смесительной головки;
- снабжение днища между каналами двумя группами сквозных отверстий разного диаметра подачи воздушной смеси из камеры смешения в камеру сгорания соосными форсункам подачи горючего обеспечивает заданное распределение окислителя по поперечному сечению камеры сгорания;
- соединение форсунок подачи горючего с каналами подвода горючего в месте их пересечения между собой и расположение в основном на дисковом днище в шахматном порядке относительно отверстий большего диаметра подачи воздушной смеси в камеру сгорания позволяет равномерно распределить горючее по сечению камеры сгорания и обеспечить однородное смешение горючего и окислителя между собой.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев выполнения генератора даны далее.
Сквозные отверстия подачи воздушной смеси из камеры смешения в камеру сгорания в периферийной зоне дискового днища смесительной головки должны быть выполнены меньшего диаметра.
Отношение суммарных площадей сквозных отверстий различных групп должно определяться математическим выражением
п
ц
2
где f, f - площадь одного отверстия периферийной и центральной группы соответственно, м;
B
G - количество подаваемого сжатого воздуха, кг;
охл
G - количество охлаждающего воздуха, кг;
п
ц
Z, Z - число отверстий в периферийной и центральной зонах дискового днища.
Каналы дискового днища должны быть выполнены в виде прямоугольных пазов, где пазы с открытой стороны, обращенной в сторону камеры смешения воздуха и кислорода, герметично закрыты накладками.
Генератор должен содержать дополнительную магистраль подвода воздуха, а камера сгорания снаружи на входе должна быть снабжена кольцевым воздушным коллектором, соединенным с дополнительной магистралью подвода воздуха и каналом между кожухом и жаровой трубой, причем жаровая труба должна быть выполнена с поперечными поясами отверстий.
Воспламенитель может быть установлен в кольцевом воздушном коллекторе камеры сгорания. В качестве воспламенителя целесообразно использовать горелку, работающую на несамовоспламеняющихся компонентах, используемых в описываемом генераторе, и создающую струю высокотемпературных продуктов сгорания вдоль огневого днища (смесительной головки) камеры сгорания.
Устройства для вдува кислорода в камеру смешения можно выполнить в виде форсунок в передней кромке и боковых стенках пилонов.
Устройства для вдува кислорода в камеру смешения можно выполнить в виде проницаемых пористых стенок полых пилонов.
Пилоны в камере смешения можно располагать радиально или вдоль камеры смешения, что принципиально не имеет большого отличия.
Выполнение сквозных отверстий подачи воздушной смеси из камеры смешения в камеру сгорания меньшего диаметра в периферийной зоне дискового днища смесительной головки обеспечивает заданное распределение коэффициента избытка окислителя в поперечном сечении.
Выполнение отношения суммарных площадей сквозных отверстий различных групп определяется математическим выражением
,
п
ц
2
где f, f - площадь одного отверстия периферийной и центральной группы соответственно, м;
B
G - количество подаваемого сжатого воздуха, кг;
охл
G - количество охлаждающего воздуха, кг;
п
ц
Z, Z - число отверстий в периферийной и центральной зонах дискового днища,
позволяет путем соответствующего перераспределения окислителя по сечению камеры сгорания далее выровнять поле температур продуктов сгорания подмешиванием воздуха из теплозащитной завесы стенок жаровой трубы.
Выполнение генератора с дополнительной магистралью подвода воздуха, а камеры сгорания снаружи на входе с кольцевым воздушным коллектором, соединенным с дополнительной магистралью подвода воздуха и каналом между кожухом и жаровой трубой, где жаровая труба должна быть выполнена с поперечными поясами отверстий, позволяет создать воздушную завесу для тепловой защиты стенок жаровой трубы, а также выровнять поле температур в периферийной зоне камеры сгорания.
Установка воспламенителя в кольцевом воздушном коллекторе камеры сгорания обеспечивает охлаждение конструкции воспламенителя и увеличивает ресурс его работы. Факел пламени воспламенителя обеспечивает устойчивое зажигание смеси окислителя и горючего.
Подача кислорода в камеру смешения через полости пилонов и форсунки в передней кромке и боковых стенках пилонов обеспечивает равномерность смешения воздуха с кислородом и уменьшает длину камеры смешения.
Выполнение устройств для вдува кислорода в камеру смешения в виде проницаемых пористых стенок радиальных полых пилонов обеспечивает равномерность смешения воздуха с кислородом и уменьшает длину камеры смешения.
Выбор варианта устройства для вдува кислорода в камеру смешения определяется технологическими возможностями производства.
Поставленные задачи для заданных условий испытаний решаются таким способом работы, что окислители - воздух с высоким давлением и температурой окружающей среды подают на вход, а кислород - в среднюю часть камеры смешения. Кислород смешивают с потоком воздуха и из камеры смешения через отверстия в смесительной головке смесь окислителей направляют в камеру сгорания. Одновременно через форсуночные отверстия смесительной головки в камеру сгорания подают горючее. Смешивают горючее со смесью окислителей и поджигают топливную смесь воспламенителем. Продукты сгорания в виде высокотемпературной газовой смеси, имеющей то же массовое или объемное содержание кислорода, что и воздух через сопло выводят наружу.
В соответствии с изобретением первоначально рассчитывают расходы окислителей, горючего и дополнительного сжатого воздуха, необходимые для работы и охлаждения генератора, подают смесь окислителей в камеру сгорания через отверстия дискового днища, причем по периферии подают меньший расход смеси, чем в центральной зоне. Одновременно через форсунки смесительной головки в камеру сгорания подают горючее. Струи горючего и окислителя смешивают между собой в шахматном порядке. Поджигают факелом пламени воспламенителя топливную смесь. В поток продуктов сгорания через пояса отверстий жаровой трубы подмешивают дополнительный воздух. Регулируют соотношения подачи в камеру сгорания окислителя, горючего и дополнительного воздуха. Фиксируют на установившемся режиме выбранные значения расходов окислителя, горючего, дополнительного воздуха. Продолжают работу генератора до завершения. После завершения работы прекращают подачу горючего в смесительную головку. Потом выключают подачу кислорода. Далее, с некоторой задержкой по времени для охлаждения конструкции генератора продолжают подавать воздух в камеру смешения и камеру сгорания. Затем прекращают подачу воздуха в камеру смешения и дополнительного воздуха в камеру сгорания.
При таком способе работы генератора:
- подача смеси окислителей в камеру сгорания через отверстия дискового днища, где по периферии смесь подают через отверстия меньшего диаметра и количества, чем в центральной зоне, а также одновременная подача через форсунки смесительной головки в камеру сгорания горючего обеспечивает заданное распределение окислителя по поперечному сечению камеры сгорания, равномерное распределение горючего по сечению камеры сгорания;
- смешением струй горючего и окислителя между собой в шахматном порядке и поджигание воспламенителем топливной смеси обеспечивают однородное смешение горючего и окислителя между собой и равномерное поле температур продуктов сгорания;
- подмешивание в поток продуктов сгорания через пояса отверстий жаровой трубы дополнительного воздуха обеспечивает теплозащитную завесу стенок жаровой трубы, дожигание непрореагировавших остатков горючего в продуктах сгорания и охлаждение последних;
- регулированием соотношения подачи в камеру сгорания окислителя, горючего и дополнительного воздуха создают на выходе из камеры сгорания высокоэнтальпийный поток продуктов сгорания с заданным полем и уровнем температур, обеспечивающий имитацию натурных условий по баротермическим и скоростным параметрам;
- фиксирование на установившемся режиме выбранных значений расходов окислителя, горючего и дополнительного воздуха обеспечивает стационарность параметров потока, необходимую для проведения испытаний объектов авиационной и авиакосмической техники;
- завершение испытаний первоначальным прекращением подачи горючего в смесительную головку, дальнейшее выключение подачи кислорода, выключение подачи воздуха в камеру сгорания с некоторой задержкой по времени обеспечивает сохранность конструкции для продолжительных многоразовых испытаний, уменьшает время их проведения и стоимость.
Развитие и уточнение существенных признаков изобретения для частных случаев способа работы генератора даны далее.
Кислород должен использоваться в газообразном виде. Это обеспечивает безопасную технологию работы генератора.
В качестве горючего целесообразно использовать газообразный метан, природный газ, в котором метан является основным компонентом - более 97%. Он имеет наибольшую теплотворную способность среди углеводородов парафинового ряда, доступен и является дешевым.
Подача кислорода в камеру смешения может осуществляться через полости пилонов и форсунки в передней кромке и боковых стенках пилонов или через полости и проницаемые пористые стенки пилонов.
Это обеспечивает равномерность смешения воздуха с кислородом и уменьшает длину камеры смешения.
Таким образом решены поставленные в изобретении задачи:
- обеспечено получение высокоэнтальпийного воздушного потока с заданными параметрами и уровнем неравномерности температурного поля для нагрева текучих сред при испытаниях на стенде образцов авиационной и космической техники;
- обеспечено сокращение времени и снижение стоимости испытаний образцов авиационной и космической техники.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции генератора высокоэнтальпийного потока воздуха и способа его работы, представленного на фиг.1-4, где:
На фиг.1 изображен продольный разрез принципиальной конструкции генератора.
На фиг.2 - вид А на дисковое днище со стороны камеры сгорания.
На фиг.3 - разрез Б-Б дискового днища на фиг.2.
На фиг.4 - разрез В-В камеры смешения на фиг.1.
Генератор высокоэнтальпийного потока воздуха с заданными параметрами содержит камеру сгорания 1 (см. фиг.1) и системы подачи окислителя и горючего. Системы подачи окислителя и горючего включают магистрали подвода воздуха - 2, кислорода - 3 и горючего - 4, камеру смешения 5 воздуха и кислорода и смесительную головку 6 камеры сгорания 1. Смесительная головка 6 состоит из набора каналов 7 (см. фиг.2 и 3) с форсунками 8 подачи горючего, размещенными в плоскости, поперечной камере сгорания 1. Все форсунки 8 обращены в полость камеры сгорания 1 и соосны ее оси. Смесительная головка 6 также снабжена сквозными отверстиями 9 и 10, соединяющими полость камеры смешения 5 с полостью камеры сгорания 1. Камера сгорания 1 включает наружный кожух 11, размещенную в нем с образованием кольцевого канала 12 жаровую трубу 13 и выполнена на выходе с сужающимся соплом 14. Камера смешения 5, смесительная головка 6 камеры сгорания 1 и камера сгорания 1 выполнены цилиндрическими и установлены последовательно друг за другом. Магистраль подвода воздуха 2 подключена на входе 15, а магистраль подвода кислорода 3 - в средней части камеры смешения 5, магистраль подвода горючего 4 подключена к каналам 7 смесительной головки 6 камеры сгорания 1. Камера смешения 5 снабжена кольцевым внешним коллектором 16, соединенным с магистралью подвода кислорода 3, и сообщающимися с коллектором 16 расположенными в камере 5 продольными полыми пилонами 17 (см. фиг.1 и 4) с устройствами (форсунками) 18 для вдува кислорода. Камера сгорания 1 снабжена воспламенителем 19. Магистраль подвода воздуха 2 сопряжена с камерой смешения 5 воздуха и кислорода центрально. Смесительная головка 6 камеры сгорания 1 содержит два полукольца 20 П-образной формы в поперечном сечении и дисковое днище 21, которое по периферии герметично сопряжено с последними. В дисковом днище 21 выполнены наружная кольцевая канавка 22, сопряженная через полукольца 20 с магистралью 4 подвода горючего. Каналы горючего 7 смесительной головки 6 расположены продольно-поперечно, пересекаются между собой и с канавкой 22 днища 21. Днище 21 между каналами 7 снабжено двумя группами сквозных отверстий 9 и 10 разного диаметра подачи воздушной смеси из камеры смешения 5 в камеру сгорания 1 соосными форсункам 8 подачи горючего. Форсунки 8 соединены с каналами 7 подвода горючего в месте их пересечения между собой и расположены на дисковом днище 21 в шахматном порядке в основном относительно отверстий 9 большего диаметра подачи воздушной смеси.
Сквозные отверстия 10 меньшего диаметра подачи воздушной смеси из камеры смешения 5 в камеру сгорания 1 выполнены в периферийной зоне дискового днища 21 смесительной головки 6.
Отношение суммарных площадей сквозных отверстий 9 и 10 различных групп определяется математическим выражением
п
ц
2
где f, f - площадь одного отверстия периферийной и центральной группы соответственно, м;
B
G - количество подаваемого сжатого воздуха, кг;
охл
G - количество охлаждающего воздуха, кг;
п
ц
Z, Z - число отверстий в периферийной и центральной зонах дискового днища.
Каналы 7 дискового днища 21 должны быть выполнены в виде прямоугольных пазов, где пазы с открытой стороны, обращенной в сторону камеры смешения 5, герметично закрыты накладками 23.
Генератор содержит дополнительную магистраль 24 подвода воздуха. Камера сгорания 1 снаружи на входе снабжена кольцевым воздушным коллектором 25, соединенным с дополнительной магистралью 24 подвода воздуха и кольцевым каналом 12 между кожухом 11 и жаровой трубой 13, причем жаровая труба 13 выполнена с поперечными поясами отверстий 26.
Воспламенитель 19 установлен в кольцевом воздушном коллекторе 25 камеры сгорания 1.
Заявляемая конструкция генератора высокоэнтальпийного потока воздуха работает следующим образом.
Окислители - воздух с высоким давлением и температурой окружающей среды подают на вход 15 (см. фиг.1), а кислород - в средней части камеры смешения 5. После подачи в камеру 5 кислород смешивают с потоком воздуха и из камеры смешения 5 через отверстия 9 и 10 (см. фиг.2) в смесительной головке 6 смесь окислителей направляют в камеру сгорания 1. Одновременно через форсуночные отверстия 8 (см. фиг.2, 3) смесительной головки 6 в камеру сгорания 1 подают горючее. Причем по периферии подают меньший расход смеси, чем в центральной зоне. Струи горючего и смеси окислителей смешивают между собой в основном в шахматном порядке. Смешивают горючее со смесью окислителей и поджигают топливную смесь факелом пламени воспламенителя 19. В поток продуктов сгорания через пояса отверстий 26 жаровой трубы 13 подмешивают дополнительный воздух. Продукты сгорания в виде высокотемпературной газовой смеси, имеющей то же массовое или объемное содержание кислорода, что и воздух, через сопло 14 выводят наружу. Регулируют соотношения подачи в камеру сгорания 1 окислителя, горючего и дополнительного воздуха. Фиксируют на установившемся режиме работы выбранные значения расходов окислителя, горючего, дополнительного воздуха и продолжают работу генератора до завершения. После завершения работы прекращают подачу горючего в смесительную головку 6. Потом выключают подачу кислорода. Далее с некоторой задержкой по времени продолжают подавать воздух в камеру смешения 5 и камеру сгорания 1 для охлаждения конструкции генератора и очистки камеры от продуктов сгорания. Затем при снижении температуры генератора до заданного уровня прекращают подачу воздуха в камеру смешения 5 и дополнительного воздуха в камеру сгорания 1.
Следует отметить, что кислород и метан используют в генераторе в газообразном виде, а кислород подают в камеру смешения 5 из коллектора 16 через устройства для вдува в пилонах 17 (см. фиг.1, 4).
Генератор высокоэнтальпийного потока воздуха является достаточно простым по конструкции и способу его работы, что сокращает время и снижает стоимость испытаний образцов авиационной и космической техники.