СТОЙКА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ СВЕРХЗВУКОВОГО ПРЯМОТОЧНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к системам подачи и воспламенения жидких топлив в камеры сгорания многорежимных сверхзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей (СПВРД), работающих в широком диапазоне чисел Маха, например, от 4 до 10. Полезная модель также может быть использована для защиты деталей и узлов, располагаемых в трактах высокотемпературных, воздушных высокоскоростных или газовых потоков силовых установок.
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. Воспламенение топливовоздушных струй осуществляется свечой зажигания, помещенной в конце рециркуляционной зоны.
Недостатком такого типа стабилизатора является сложность его защиты от тепловых нагрузок 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. Дополнительно конструктивную сложность создает использование свечи зажигания для воспламенения топливовоздушной смеси.
Известна термосиловая стойка тракта рабочего тела силовой установки (патент RU 2383761 С1, 08.07.2008). Тракт ограничен стенками, а стойка имеет аэродинамический профиль, ориентированный вдоль тракта, закреплена на стенке с одной стороны или на стенках тракта с двух противоположных сторон. Стойка содержит коммуникационные полости и каналы, в том числе канал подвода хладагента, расположенный в ее передней части, которая снабжена скругленной передней кромкой с продольной щелью, сообщающейся с каналом подвода хладагента. Стойка дополнительно содержит пористый вкладыш, расположенный в щели передней кромки. Изобретение обеспечивает работоспособность различного рода систем, деталей и узлов, расположенных в стойке и находящихся под воздействием высокоскоростного высокотемпературного потока рабочего тела в тракте. Недостатком такой стойки является отсутствие возможности дополнительного противодействия тепловым нагрузкам от воздействия теплового потока высокой плотности на различных режимах работы.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является стойка впрыска топлива для прямоточного воздушно - реактивного двигателя (патент RU №2157908 С2, 7 F02K 7/10, 02.12.1997). Стойка содержит коммуникационные полости и каналы, в том числе канал подвода хладагента, расположенный в ее передней части. Предложены различные варианты охлаждения передней кромки стойки. Передняя часть стойки образована в форме двугранного угла, ребро которого образует переднюю кромку и может иметь проницаемые боковые стенки, ряд отверстий или продольную щель вдоль передней кромки, которые сообщаются с каналом подвода хладагента. Режим охлаждения стойки в высокотемпературном, воздушном высокоскоростном потоке осуществляется с помощью впрыска хладагента из канала через ряд отверстий и щель в передней кромке стойки или проницаемые стенки по бокам от передней кромки. Это техническое решение позволяет обеспечить работу двигателя в широком диапазоне чисел Маха, однако для отдельных режимов требует автономной системы воспламенения топливовоздушной смеси.
Недостатком такой стойки впрыска топлива в камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя также является подверженность опасности теплового разрушения, практически острой передней кромки, набегающим потоком воздуха с высоким числом Маха. При этом существует угроза снижения механической прочности стойки при высоких температурах (числах Маха) потока, что снижает надежность и ресурс конструкции. Другим недостатком является сложность конструкции стойки, что ясно из чертежа. Это снижает надежность работы стойки при высоких температурах потока. Кроме того, с увеличением числа Маха потока воздуха требуется увеличивать расход хладагента, расход которого должен быть однозначно увязан с числом Маха, так как при малом расходе хладагента передняя кромка пилона может сгореть, а при большом расходе - топливо может не воспламениться из-за его переизбытка. К недостаткам конструкции стойки следует отнести и необходимость использования на отдельных режимах работы двигателя свечи зажигания, возможный отказ которой снижает надежность устройства.
В основу данной полезной модели положено решение следующих задач:
- создание стойки подачи топлива в камеру сгорания СПВРД работоспособной в условиях воздействия на нее воздушного высокоскоростного высокотемпературного потока высокой плотности;
- обеспечение автовоспламенения топливовоздушной смеси, поданной в камеру сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего в широком диапазоне чисел Маха (примерно от 4 до 10);
- упрощение конструкции и повышение надежности работы, стойки подачи топлива;
- компенсация тепловой деформации конструкции стойки.
Поставленные задачи решаются тем, что стойка подачи топлива в камеру сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно - реактивного двигателя выполнена полой аэродинамического профиля, ориентированного вдоль тракта камеры сгорания. Стойка закреплена на стенке камеры через опору. Кроме того, стойка снабжена системой питания топливом, включающей подводы топлива в полость и имеет, сообщающиеся с полостью отверстия топливных форсунок, располагаемых вдоль передней и задней кромок профиля.
Новым в полезной модели является то что, стойка выполнена трубчатой с двумя раздельными полостями в виде топливных каналов, расположенных вдоль передней и задней кромок профиля и закреплена на стенке камеры сгорания через опору с возможностью поворота. Причем торцы каналов заглушены, а подводы топлива к каждому каналу выполнены раздельно. Кроме того, по крайней мере, с одной боковой стороны профиля расположены дополнительные отверстия топливных форсунок, сообщающиеся с одним из двух топливных каналов стойки. Стойка в месте закрепления на стенке камеры наклонена по потоку к оси тракта камеры под углом χ, при этом дискретное значение угла χ наклона стойки для конкретного режима работы двигателя определяют по соотношению
,
где P* - полное давление, действующее на стойку, Па;
н
P - статическое давление до головной волны в набегающем потоке, Па;
Мн - число Маха набегающего на стойку потока воздуха;
К - показатель адиабаты воздуха;
χ - угол наклона стойки к оси камеры сгорания, град.;
доп.
σ - допустимое напряжение материала стойки, Па;
λ - приведенная скорость, определяемая по выражению
.
При таком устройстве:
- выполнение стойки трубчатой с двумя раздельными полостями в виде топливных каналов, расположенных вдоль передней и задней кромок профиля, где, по крайней мере, с одной боковой стороны профиля расположены дополнительные отверстия топливных форсунок, сообщающихся с одним из двух топливных каналов, обеспечивает заданное распределение подачи топлива в поперечном сечении камеры сгорания и автовоспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания СПВРД, работающего в диапазоне чисел Маха от 4 до 10, упрощение конструкции и повышение надежности работы стойки подачи топлива;
- раздельное выполнение подводов топлива в каналы стойки позволяет регулировать расход топлива в заданные зоны камеры сгорания, охлаждение передней части стойки и воспламенение основной части топлива в задней части стойки;
- глушение свободных концов трубок обеспечивает заданное распределение подачи топлива через стойку в камеру сгорания;
- закрепление стойки на стенке камеры сгорания через опору с возможностью поворота, где стойка в месте закрепления наклонена к оси тракта камеры под углом χ, определяемом по заданному соотношению, обеспечивает работу с минимальной тепловой и механической нагрузками стойки за счет ее необходимого наклона при различных числах Маха, набегающего на стойку потока и компенсирует тепловое расширение стойки при нагреве;
- расположение отверстий топливных форсунок вдоль передней и задней кромок стойки и на боковых сторонах профиля обеспечивает стабильное самовоспламенение топливовоздушной смеси в высокотемпературном высокоскоростном потоке;
Развитие совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев дано далее:
- стойка может быть закреплена на стенке камеры сгорания через опору с возможностью поворота в пределах угла наклона χ к оси камеры сгорания в рабочем диапазоне чисел Маха от 4 до 10. Это позволяет сохранить требуемое тепловое состояние стойки за счет ее поворота в условиях увеличения воздействия на нее воздушного высокоскоростного высокотемпературного потока и компенсировать тепловую деформацию стойки;
- аэродинамический профиль стойки может быть выполнен плоскоовальным и ориентирован вдоль тракта камеры сгорания. Это уменьшает тепловое и силовое воздействие воздушного высокоскоростного высокотемпературного потока на стойку.
- аэродинамический профиль стойки может быть выполнен плоскоовальным с боковыми нишами, где между топливными каналами, размещенными около передней и задней кромок стойки, расположен третий канал с отдельным подводом топлива, причем, по крайней мере, с одной боковой стороны профиля в нише имеются отверстия топливных форсунок сообщающиеся с третьим топливным каналом. В такой стойке продольные боковые ниши образованы между передней и задней кромками профиля. Топливо, подаваемое в набегаемый воздушный поток около передней кромки стойки, самовоспламеняется и стабилизируется в виде рециркуляционных продольных вихрей в боковых нишах. Вихри в нишах препятствуют сдуву пламени и обеспечивают интенсивную стабилизацию сжигания топлива, подаваемого с передней кромки, за счет подачи дополнительного топлива в нишу через отверстия топливных форсунок из третьего топливного канала. Основную часть топлива подают в камеру сгорания через топливный канал, расположенный около задней кромки стойки. Воспламеняют эту топливную смесь и стабилизируют процесс ее сжигания нагретыми продуктами сгорания топлива, подаваемого в воздушный поток с передней кромки стойки. Течение воздушного потока в камере является устойчивым, без колебаний.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:
- создана стойка подачи топлива в камеру сгорания СПВРД работоспособная в условиях воздействия на нее воздушного высокоскоростного высокотемпературного потока высокой плотности;
- обеспечено автовоспламенения топливовоздушной смеси, поданной в камеру сгорания СПВРД, работающего в диапазоне чисел Маха от 4 до 10 без дополнительных источников зажигания;
- упрощена конструкция и повышена надежность работы стойки подачи топлива в камеру сгорания СПВРД;
- обеспечена компенсация тепловой деформации конструкции стойки.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции стойки и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-3, где
на фиг.1 схематично изображен тракт камеры сгорания СПВРД с установленным в нем на стенке с одной стороны стойкой;
на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1 варианта профиля стойки выполненного плоскоовальным;
на фиг.3 - поперечное сечение А-А на фиг.1 варианта профиля стойки, выполненного плоскоовальным с боковыми нишами.
Стойка 1 подачи топлива (см. фиг.1) в камеру сгорания 2 сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, выполнена полой аэродинамического профиля, ориентированного вдоль тракта камеры сгорания 2. Стойка 1 закреплена на стенке 3 камеры 2 через опору 4. Кроме того, стойка 1 снабжена системой питания топливом, включающей подводы топлива в полость (подводы не показаны) и имеет (см. фиг.2 и 3), сообщающиеся с полостью отверстия топливных форсунок 5 и 6, располагаемых соответственно вдоль передней 7 и задней 8 кромок профиля. Стойка 1 выполнена трубчатой с двумя раздельными полостями в виде топливных каналов 9 и 10, расположенных вдоль передней 7 и задней 8 кромок и закреплена на стенке 3 камеры сгорания 2 через опору 4 с возможностью поворота. Причем торцы топливных каналов 9 и 10 заглушены, а подводы топлива к каждому каналу 9 и 10 выполнены раздельно (не показано). Кроме того, по крайней мере, с одной боковой стороны профиля расположены дополнительные отверстия топливных форсунок 11 и 12, сообщающиеся соответственно с одним из двух топливных каналов 9 и 10 стойки 1. Стойка 1 в месте закрепления на стенке 3 камеры 2
наклонена по потоку к оси тракта камеры под углом χ. При этом дискретное значение угла χ наклона стойки для конкретного режима работы двигателя определяют по соотношению приведенному ранее.
Стойка 1 закреплена на стенке 3 камеры сгорания 2 через опору 4 с возможностью поворота в пределах угла χ наклона стойки к оси камеры сгорания 2 при скорости воздушного потока в рабочем диапазоне чисел Маха от 4 до 10. Аэродинамический профиль стойки 1 может быть выполнен плоскоовальным (см. фиг.2) или плоскоовальным с боковыми нишами (см. фиг.3). Для аэродинамического профиля выполненного с нишами между топливными каналами 9 и 10, расположен третий канал 13 с отдельным подводом топлива (подвод топлива не показан). Причем снаружи профиля между передней 7 и задней 8 кромками образованы продольные боковые ниши 14. По крайней мере, с одной боковой стороны профиля в нише 14 имеются отверстия топливных форсунок 15 сообщающиеся с третьим топливным каналом 13.
При работе камеры сгорания 2 на переднюю кромку 7 аэродинамического профиля стойки 1 (см. фиг.2) набегает сверхзвуковой высокотемпературный поток воздуха. На передней кромке 7 температура набегающего потока воздуха за счет сжатия в ударной волне увеличивается выше значений температуры самовоспламенения топливовоздушной смеси. Через канал 9 в стойку 1 подают топливо, которое охлаждает изнутри стенку передней кромки 7 и вытекает в камеру сгорания 1 через отверстия форсунок 5 и 11 против потока и поперечно воздушному потоку, смешивается с ним, воспламеняется и горит, стабилизируясь рециркуляционными вихрями за задней кромкой 8 стойки 1. При наличии снаружи профиля стойки 1 продольных ниш 14 (см. фиг.3) горящая топливовоздушная смесь дополнительно стабилизируется рециркуляционными вихрями в боковых нишах. Вихри в нишах 14 препятствуют сдуву пламени и обеспечивают интенсификацию стабилизации сжигания топлива, подаваемого в камеру 2 с передней кромки 7 стойки 1, за счет подачи дополнительного топлива подаваемого в нишу 14 из отверстий топливных форсунок 15 сообщающихся с третьим топливным каналом 13. Не успевшая сгореть около боковых поверхностей аэродинамического профиля топливовоздушная смесь создает для профиля защитную завесу, защищая его от теплового разрушения. Через канал 10 в стойку 1 подают основную часть топлива. Это топливо охлаждает изнутри стенку задней кромки 8 профиля и через отверстия топливных форсунок 6 и 12 вытекает в камеру сгорания 2 по потоку и поперечно воздушному потоку. В камере 2 топливо смешивается с воздушным потоком и воспламеняется в зоне вихревой рециркуляции за стойкой 1 от нагретых продуктов сгорания топлива, подаваемого в камеру 2 из канала 9 и отверстий топливных форсунок 5 и 11. Далее продукты сгорания топлива направляют на выход из камеры сгорания 2.
0
Для подтверждения работоспособности разработанной конструкции проведены экспериментальные исследования работы стойки подачи топлива в камере сгорания СПВРД при различных температурах торможения набегающего на переднюю кромку 7 стойки 1 воздушного потока (Т=1400-1850 K). Исследования показали возможность и стабильность автовоспламенения топлива при его взаимодействии с набегающим воздушным потоком.