ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ
GAS DYNAMIC IGNITER

Изобретение относится к акустической теплотехнике и может быть использовано в авиационных и ракетных двигателях, стендовых газоструйных устройствах и при стендовых испытаниях двигателей для создания вспомогательного факела и воспламенения в потоке газообразных несамовоспламеняющихся топливных смесей, состоящих из окислителя и горючего. Кроме того, воспламенитель может найти применение в устройствах аналогичных ЖРД малых тяг многоразового использования и для резки материалов или напыления покрытий.
Основной проблемой, возникающей при создании систем многоразового воспламенения для различных энергетических установок, авиационных и ракетных двигателей, работающих на несамовоспламеняющихся газообразных компонентах, является обеспечение быстродействия и высокой надежности их работы.
Широко распространенные в настоящее время электрические воспламенители искрового типа, например свечи зажигания, в ряде случаев оказываются ненадежным из-за отказов и, кроме того, требуют внешнего источника электроэнергии.
Поэтому в воспламенителях топливных смесей нашли применение устройства, в которых используется эффект газодинамического нагрева при пульсациях давления в газе, заключенном в различных полузакрытых полостях или каналах.
Известен газодинамический способ нагрева газа, который реализован в устройстве для воспламенения двухфазной топливной смеси, например, керосин + воздух, спирт + воздух (А.Н.Антонов, В.М.Купцов, В.В.Комаров. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. М.: «Машиностроение» 1990, стр.223-225). Устройство воспламенения содержит соединительную камеру, в которой на некотором расстоянии друг от друга жестко закреплены сопло и резонатор. В камере выполнены выпускные отверстия, через которые отводится газ, поступающий из сопла. В этом устройстве нагрев газа осуществляется за счет диссипации энергии ударных волн в газе в пристеночных областях канала резонатора. Генерация ударных волн в газе, заполняющем полость резонатора, вызывается нестационарной волновой структурой потока, состоящей из системы скачков уплотнения и волн разрежения, образующихся при натекании нерасчетной сверхзвуковой струи, истекающей из сопла во входное отверстие полости резонатора. Воспламенение топливной смеси осуществляется от разогреваемого заглушенного конца канала резонатора, соприкасающегося с топливом. Недостатком этого устройства является то, что воспламенение топливной смеси происходит от ее соприкосновения с разогреваемым заглушенным концом резонатора, что из-за наличия отвода тепла в стенки канала требует более длительного времени нагрева и приводит к увеличению времени задержки и ухудшению надежности воспламенения. Кроме того, недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования геометрических размеров резонатора, а также расстояния между излучателем и резонатором, определяющих интенсивность газодинамического нагрева топливных смесей до температур их воспламенения.
Известен газодинамический способ нагрева газа (Авт. свидет. СССР №354235) ударными волнами в глухом канале, выходящем скошенным открытым концом на боковую или лобовую поверхность тела, обтекаемую внешним потоком. Возбуждение ударных волн в газе, заполняющем полость канала, вызывается зоной отрыва, образующейся при обтекании внешним потоком скошенного открытого конца канала. При этом амплитуда пульсаций и, следовательно, величина газодинамического нагрева в полостях со скошенным входом существенно зависят от углов скоса канала и атаки набегающего потока. Недостатком этого способа является низкая надежность воспламенения топливной смеси, так как отсутствует возможность управления температурой нагрева газа в полости при изменении параметров внешнего потока.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является устройство газодинамического воспламенения (патент RU №2319076 C2, F23Q 13/00, 13.05.2005). Газодинамический воспламенитель содержит полый корпус, стержневой газоструйный излучатель с осесимметричным кольцевым соплом, резонатор с цилиндрической полостью, соединительную камеру с выходным отверстием и систему подвода окислителя и горючего. В излучателе стержень размещен по оси сопла и закреплен на одной из стенок корпуса. Резонатор расположен соосно с поперечным зазором напротив выхода сопла излучателя.
Изобретение обеспечивает объемный нагрев газа в заданной зоне и воспламенение несамовоспламеняющихся газообразных топлив в различных устройствах для сжигания, включая тепловые двигатели.
Недостатком этого устройства является возрастание времени задержки воспламенения вследствие использования предварительного нагрева горючего. Другим недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования геометрических размеров концентратора, излучателя Гартмана, резонансной трубки, а также расстояния между ними. В такой конструкции при изменении режимных параметров струи, истекающей из сопла излучателя Гартмана, может снижаться генерируемая акустическая мощность, это приведет к уменьшению амплитуды акустических колебаний в резонансной трубке и, следовательно, интенсивности газодинамического нагрева топливной смеси, что ведет к возрастанию времени задержки воспламенения.
В основу предлагаемого изобретения для газодинамического воспламенения топливных смесей положено решение следующих задач:
- увеличение генерируемой в газодинамическом воспламенителе акустической энергии;
- расширение диапазона частот и амплитуд колебаний столба газообразной топливной смеси в полости резонатора;
- сокращение времени задержки воспламенения топливной смеси;
- повышение надежности воспламенения топливной смеси;
- расширение номенклатуры газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом.
Поставленные задачи решаются тем, что газодинамический воспламенитель содержит полый корпус, стержневой газоструйный излучатель с осесимметричным кольцевым соплом, резонатор с цилиндрической полостью, соединительную камеру с выходным отверстием и систему подвода топлива в воспламенитель. В излучателе стержень размещен по оси сопла и закреплен на одной из стенок корпуса. Резонатор установлен на стержне. Причем вход цилиндрической полости резонатора расположен с поперечным зазором соосно напротив выхода сопла излучателя. Полость корпуса осуществлена в виде соединительной камеры излучателя и резонатора.
Согласно изобретению излучатель и резонатор выполнены в форме трубчатых цилиндрических элементов с глухими днищами с одного конца и открытыми с другого конца. Причем излучатель жестко закреплен в корпусе через трубчатый элемент, а внутри элемента снабжен поперечной кольцевой стенкой. Открытый конец излучателя выполнен в виде сверхзвукового сопла. Резонатор установлен в корпусе с кольцевым уплотнением подвижно через трубчатый элемент. Кроме того, трубчатый элемент резонатора жестко закреплен по оси глухим днищем на одном конце стержня излучателя. При этом стержень подвижно расположен в поперечной кольцевой стенке с кольцевым уплотнением трубчатого элемента излучателя. Наружная поверхность стержня и внутренняя поверхность полости резонатора выполнены ступенчатыми. На меньшем диаметре стержня внутри наибольшего диаметра полости резонатора установлен свободно кольцевой поршень с уплотнениями и образованием полости переменного объема между поршнем и глухим днищем резонатора и полости переменного объема резонатора. За поперечной кольцевой стенкой излучателя стержень снабжен поршнем с кольцевым уплотнением по наружному диаметру. Поршень установлен с образованием одной полости переменного объема между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поршнем и другой полости переменного объема между поршнем и днищем излучателя с размещенной между днищем и поршнем пружиной сжатия. Система подвода топлива в воспламенитель содержит коллекторы подачи окислителя и горючего с регулирующими клапанами на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой и кольцевым соплом излучателя. Излучатель содержит коллектор подачи первого управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поджатым пружиной поршнем. Резонатор содержит коллектор подачи второго управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между свободным поршнем и днищем трубчатого элемента резонатора. Выходное отверстие соединительной камеры расположено напротив поперечного зазора между выходом сопла излучателя и входом цилиндрической полости резонатора.
В таком газодинамическом воспламенителе:
- выполнение излучателя и резонатора в форме трубчатых цилиндрических элементов с глухими днищами с одного конца и открытыми с другого конца обеспечивает истечение из сопла излучателя в соединительную камеру газообразной топливной смеси в виде недорасширенной сверхзвуковой струи, генерирующей периодическое движение ударных волн в полости резонатора, которое приводит к нагреву до температуры воспламенения выбранной пары компонентов топлива при сокращении времени задержки воспламенения топливной смеси;
- закрепление излучателя жестко в корпусе через трубчатый элемент и снабжение элемента внутри поперечной кольцевой стенкой обеспечивает возможность перемещения стержня и жестко связанного с ним подвижного трубчатого элемента резонатора, что позволяет регулировать зазор между выходом сопла излучателя и входной кромкой цилиндрической полости подвижного трубчатого элемента резонатора. Это приводит к повышению генерируемой в газодинамическом воспламенителе акустической энергии, увеличению нагрева и сокращению времени задержки воспламенения топливной смеси;
- выполнение открытого конца излучателя в виде сверхзвукового сопла обеспечивает возможность формирования нестационарной волновой структуры сверхзвуковой струи, истекающей из сопла излучателя, что позволяет увеличить диапазон частот и амплитуд колебаний столба газообразной топливной смеси в полости резонатора и генерацию акустической энергии в газодинамическом воспламенителе;
- установка резонатора в корпусе с кольцевым уплотнением подвижно посредством трубчатого элемента, где трубчатый элемент резонатора жестко закреплен по оси глухим днищем с одним концом стержня излучателя, при этом стержень подвижно расположен в поперечной кольцевой стенке с кольцевым уплотнением трубчатого элемента излучателя, позволяет регулировать зазор между выходом сопла и входной кромкой цилиндрической полости подвижного трубчатого элемента резонатора, приводит к увеличению генерируемой в воспламенителе акустической энергии, увеличению нагрева и повышению надежности воспламенения топливной смеси;
- выполнение наружной поверхности стержня и внутренней поверхности трубчатого элемента резонатора ступенчатыми, где на меньшем диаметре стержня внутри наибольшего диаметра полости резонатора установлен свободно кольцевой поршень с уплотнениями и образованием полости переменного объема между поршнем и глухим днищем трубчатого элемента резонатора и полости переменного объема резонатора, позволяет уменьшить практически до нуля глубину полости трубчатого элемента резонатора после воспламенения топливной смеси и началом продувки окислителем. Это приводит к прекращению генерации в этой полости колебаний газового столба топливной смеси и уменьшению нагрева конструкции газодинамического воспламенителя, повышению надежности последующего воспламенения топливной смеси;
- снабжение стержня поршнем с кольцевым уплотнением по наружному диаметру, где поршень установлен с образованием одной полости переменного объема между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поршнем и другой полости переменного объема между поршнем и днищем излучателя с размещенной между днищем и поршнем пружиной сжатия, позволяет устранить перетекание газов между разделяемыми поршнем полостями, что расширяет номенклатуру газообразных компонентов, используемых в воспламенителе;
- наличие в системе подвода топлива в воспламенитель коллекторов подачи окислителя и горючего с регулирующими клапанами на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой и кольцевым соплом излучателя гарантирует подготовку топливной смеси с различными заданными режимными параметрами, обеспечивающими возможность формирования в соединительной камере между выходом сопла излучателя и расположенным с поперечным зазором напротив входа цилиндрической полости резонатором течения газа в виде нерасчетной недорасширенной сверхзвуковой струи для расширенной номенклатуры газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом;
- наличие в излучателе коллектора подачи первого управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поджатым пружиной поршнем позволяет регулировать величину поперечного зазора между выходом сопла излучателя и входом цилиндрической полости резонатора для обеспечения максимальной генерации акустической энергии в газодинамическом воспламенителе;
- наличие в резонаторе коллектора подачи второго управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между свободным поршнем и днищем трубчатого элемента резонатора позволяет уменьшить практически до нуля глубину полости резонатора после воспламенения топливной смеси и началом продувки окислителем полости соединительной камеры, что приводит к прекращению генерации в этой полости колебаний столба газовой смеси. Это повышает надежность последующего воспламенения топливной смеси;
- расположение выходного отверстия соединительной камеры напротив поперечного зазора между выходом сопла излучателя и входом цилиндрической полости резонатора обеспечивает наилучшие условия проникновения факела в проточный тракт основной топливной смеси, что обеспечивает сокращение времени задержки и повышает надежность воспламенения топливной смеси.
Существенные признаки изобретения могут иметь дополнение. Выходное отверстие может сообщать соединительную камеру воспламенителя, например, с проточным трактом основной топливной смеси.
Такое техническое решение обеспечивает надежное зажигание основной топливной смеси в проточном тракте от факела воспламенителя.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- увеличена генерируемая в газодинамическом воспламенителе акустическая энергия;
- расширен диапазона частот и возросли амплитуды колебаний столба газообразной топливной смеси в полости резонатора;
- сокращено время задержки воспламенения топливной смеси;
- повышена надежность воспламенения топливной смеси;
- расширена номенклатура газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием газодинамического воспламенителя и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-2, где:
на фиг.1 изображен продольный разрез газодинамического воспламенителя;
на фиг.2 - зависимость отношения температуры в полости резонатора к температуре в камере излучателя от отношения величины зазора между выходом сопла излучателя и входом в цилиндрическую полость резонатора к диаметру критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем, при различных значениях отношения глубины полости резонатора к диаметру критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем (относительное значение глубины полости).
Газодинамический воспламенитель содержит (см. фиг.1) полый корпус 1, стержневой газоструйный излучатель 2 с осесимметричным кольцевым соплом 3, резонатор 4 с цилиндрической полостью 5, соединительную камеру 6 с выходным отверстием 7 и систему подвода топлива в воспламенитель. В излучателе 2 стержень 8 размещен по оси сопла 3 и закреплен на одной из стенок корпуса 1. Резонатор 4 установлен на стержне 8. Полость корпуса 1 осуществлена в виде соединительной камеры 6 излучателя 2 и резонатора 4.
Излучатель 2 и резонатор 4 выполнены в форме трубчатых цилиндрических элементов 9 и 10 соответственно с глухими днищами 11 и 12 с одного конца и открытыми с другого конца каждого элемента. Причем излучатель 2 жестко закреплен в корпусе 1 через трубчатый элемент 9, а внутри элемент 9 снабжен поперечной кольцевой стенкой 13. Открытый конец излучателя 2 выполнен в виде сверхзвукового сопла 3 с диаметром критического сечения D. Резонатор 4 установлен в корпусе 1 с кольцевым уплотнением 14 подвижно через трубчатый элемент 10. Кроме того, трубчатый элемент 10 резонатора 4 жестко закреплен по оси на одном конце стержня 8 глухим днищем 12. При этом стержень 8 подвижно расположен в поперечной кольцевой стенке 13 с кольцевым уплотнением 15 трубчатого элемента 9 излучателя 2.
Наружная поверхность стержня 8 и внутренняя поверхность трубчатого элемента 10 резонатора 4 выполнены ступенчатыми. На меньшем диаметре стержня 8 внутри наибольшего диаметра трубчатого элемента 10 резонатора 4 установлен свободно кольцевой поршень 18 с уплотнениями 16 и 17 и образованием полости 19 переменного объема между поршнем 18 и глухим днищем 12 резонатора 4 и полости 5 переменного объема резонатора 4.
За поперечной кольцевой стенкой 13 излучателя 2 стержень 8 снабжен поршнем 20 с кольцевым уплотнением 21 по наружному диаметру. Поршень 20 установлен с образованием одной полости 22 переменного объема между внутренней кольцевой стенкой 13 излучателя 2 и поршнем 20 и другой полости 23 переменного объема между поршнем 20 и днищем 11 излучателя 2 с размещенной между днищем 11 и поршнем 20 пружиной 24 сжатия.
Система подвода топлива в воспламенитель содержит коллекторы 25 и 26 соответственно подачи окислителя О и горючего Г с регулирующими клапанами 27 и 28 на входе в полость 29 между внутренней кольцевой стенкой 13 и кольцевым соплом 3 излучателя 2.
Излучатель 2 содержит коллектор 30 подачи первого управляющего газа УГ 1 с регулирующим клапаном 31 на входе в полость 22 между внутренней кольцевой стенкой 13 излучателя 2 и поджатым пружиной 24 поршнем 20 на другом свободном конце стержня 8.
Резонатор 4 содержит коллектор 32 подачи второго управляющего газа УГ 2 с регулирующим клапаном 33 на входе в полость 19 между свободным поршнем 18 и днищем 12 трубчатого элемента 10 резонатора 4.
Выходное отверстие 7 соединительной камеры 6 расположено напротив поперечного зазора L между выходом сопла 3 излучателя 2 и входом цилиндрической полости 5 резонатора 4. Отверстие 7 сообщает соединительную камеру 6 с проточным трактом 34 основной топливной смеси.
Приведенное описание газодинамического воспламенителя может быть дополнено пояснением используемых геометрических и термодинамических параметров, где:
D - диаметр критического сечения сверхзвукового сопла 3 излучателя 2, загроможденного в сечении стержнем 8;
L - зазор между выходом сопла 3 излучателя 2 и входом цилиндрической полости 5 резонатора 4;
L/D - отношение зазора между выходом сопла излучателя к диаметру критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем (относительное значение величины зазора);
S/D - отношение глубины 5 полости резонатора к диаметру D критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем (относительное значение глубины полости);
S - глубина полости 5 резонатора 4;
0
Т - температура топливной смеси в полости 29 излучателя 2;
р
Т - температура топливной смеси в полости 5 резонатора 4.
Согласно результатам расчетов максимальные значения температур топливной смеси в резонаторе 4 могут быть достигнуты при значениях отношения глубины S полости 5 резонатора 4 к диаметру D критического сечения сверхзвукового сопла 3 при L/D≈2 в диапазоне S/D=12-14.
Газодинамический воспламенитель работает следующим образом.
2
2
2
2
2
4
Газообразные компоненты топлива, например: окислитель - NO закись азота, горючее - водород H или окислитель - O кислород, горючее - водород Н или окислитель - O кислород, горючее - метан СН, под давлением из баллонов (не показано) соответственно через коллекторы 25 и 26 с регулирующими клапанами 27 и 28 одновременно подают в полость 29 излучателя 2, где смешиваются. Из полости 29 образовавшаяся топливная смесь через сверхзвуковое сопло 3 вытекает со сверхзвуковой скоростью в полость соединительной камеры 6. В зазоре L камеры 6 между выходом сопла 3 и входом в полость 5 резонатора 4 формируется течение в виде нерасчетной недорасширенной сверхзвуковой струи. Под действием давления вытекающей из сверхзвукового сопла 3 струи поршень 18 сдвигается вдоль стержня 8 до упора в уступ трубчатого элемента 10. Причем возбуждение ударных волн в газе, находящемся в полости 5 резонатора 4, вызывается воздействием нестационарной волновой структуры сверхзвуковой струи, реализованной перед входным отверстием полости 5. Волновая структура состоит из системы колеблющихся скачков уплотнения и волн разрежения, формирующихся при нерасчетном истечении струи из сопла 3. В результате возвратно-поступательного периодического движения ударных волн в резонаторе 4 от открытого входа полости 5 к закрытому поршнем 18 выходу происходит диссипация кинетической энергии струи с интенсивным выделением тепла. При нарастании температуры смеси до значений температуры воспламенения выбранной пары компонентов топлива происходит их воспламенение. После воспламенения топливной смеси образовавшееся пламя последовательно поступает в полость соединительной камеры 6, а затем в виде факела пламени через выходное отверстие 7 истекает в проточный тракт 34, содержащий основную массу холодной топливной смеси и поджигает ее. После этого прекращают подачу горючего в камеру 29 излучателя 2 перекрытием клапана 28. Для предотвращения обратного выброса пламени в соединительную камеру 6 через выходное отверстие 7 из тракта 34 после выключения подачи горючего полости камеры 29 и соединительной камеры 6 продолжают продуваться регулируемым расходом окислителя. Окислитель поступает в полость 29 между внутренней кольцевой стенкой 13 и соплом 5 излучателя 2 через открытый клапан 27 при закрытом клапане 28 подачи горючего, а затем через сверхзвуковое сопло 3 вытекает в полость соединительной камеры 6, из которой через выходное отверстие 7 поступает в тракт 34 и сгорает вместе с основной массой топлива.
Истекающая при этих режимах из сверхзвукового сопла 3 струя окислителя может генерировать в полости 5 резонатора 4 пульсации давления, при которых происходит газодинамический нагрев находящегося в полости 5 резонатора 4 окислителя. Для предотвращения такого нагрева на режимах продувки через коллектор 32 и открытый клапан 33 (магистраль УГ 2 на фиг.1) в полость 19 резонатора подают управляющий газ. Управляющий газ под избыточным давлением действует на поршень 18 и поршень 18 смещается в сторону открытого конца цилиндрической полости 5 резонатора 4 до упора в уступ стержня 8. В результате этого объем полости 5 уменьшается практически до нуля, что приводит к прекращению генерации в этом объеме колебаний и отсутствию нагрева окислителя. При этом на режиме продувки окислителем осуществляется охлаждение конструкции газодинамического воспламенителя.
Для изменения зазора L между выходом сверхзвукового сопла 3 и входом полости 5 резонатора 4 через коллектор 30 и открытый клапан 31 (магистраль УГ 1 на фиг.1) в полость 22 подают управляющий газ. В этом случае поршень 20 сдвинется влево, сжимая пружину 24. Тогда посредством стержня 8 трубчатый элемент 10 резонатора 4 переместится в том же направлении. При этом зазор L между срезом сопла 3 и входной кромкой цилиндрической полости 5 уменьшится. При сбросе давления в полости 22 пружина 24 будет двигать поршень 20 и связанный с ним через стержень 8 трубчатый элемент 10 резонатора 4 в обратном направлении вправо. В результате зазор L между срезом сопла 3 и входной кромкой цилиндрической полости 5 увеличится.
После прекращения подачи основной массы топливной смеси, окончания процессов горения и последующей продувки окислителем для устройств многоразового действия цикл нового включения и выключения газодинамического воспламенителя, приводящий к воспламенению основной массы топливной смеси, повторяется в указанной выше последовательности действий.
Согласно результатам расчетов время нагрева топливной смеси в воспламенителе до значений температуры воспламенения не превышает одной секунды. За такой промежуток времени металлическая конструкция не успевает прогреться до температур, при которых кольцевые уплотнения теряют свою работоспособность. Поэтому во время работы кольцевые уплотнения препятствуют перетеканию газов между разделяемыми ими полостями.
Во время горения основной массы топлива в тракте 34 и продувки окислителем соединительной камеры 6 проводится контроль температуры конструкции воспламенителя. Для этого снаружи трубчатого элемента 10 резонатора 4 размещается термопара (не показано), по показаниям которой контролируется нагрев конструкции. При достижении предельно допустимых значений температур, при которых может происходить разрушение кольцевых уплотнений, следует прекратить подачу топлива в воспламенитель и основной массы топлива в тракт 34 для остановки процесса горения. При этом следует продолжить продувку окислителем соединительной камеры 6 для охлаждения конструкции газодинамического воспламенителя до установленного уровня.
Такое воспламенение топливных смесей может обеспечивать быстрый и эффективный газодинамический нагрев газа в проточных трактах тепловых двигателей и может быть использовано для решения других задач.