Стенд для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания
STAND FOR INVESTIGATING WORKING PROCESS IN STRAIGHT FLOW COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к области авиационной техники и касается, в частности, экспериментальных установок, предназначенных для исследования термохимической конверсии топлива и аэродинамических характеристик камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).
2
4
В основе технологии термохимической конверсии топлива лежит использование термохимического разложения углеводородного топлива (конверсия) на высокоактивные компоненты: Н, СО, СН, и др. В этом случае в камеру сгорания будут поступать продукты термохимического разложения топлива в виде высокотемпературной газовой смеси, наличие которой должно существенно уменьшить время индукции химических реакций в камере сгорания. Кроме того, окисление (сжигание) водорода и оксида углерода является менее необратимым химическим процессом по сравнению с окислением углеводорода, что позволяет увеличить КПД ПВРД. Термохимическая конверсия топлива может осуществляться в системе двигательной установки в специально встроенном проточном или автономном реакторе. Рабочий процесс в проточном реакторе требует протока воздуха, который может забираться из воздухозаборного устройства двигателя в определенном соотношении расхода через реактор и камеру сгорания.
Исследование рабочего процесса и схем камеры сгорания ПВРД, использующих термохимическую конверсию топлива, весьма актуально, так как оно дает основание рассчитывать на улучшение тягово-экономических и массогабаритных характеристик, как силовой установки, так и летательного аппарата в целом. (см. В.Н. Серманов, С.А. Зосимов, А.А. Николаев, А.Ф. Чевагин «Использование термохимической конверсии углеводородного топлива в прямоточном двигателе для повышения его тяговых характеристик» // Авиакосмическая техника и технология, №1, 2009, стр. 23-31).
Однако, только экспериментальное обоснование позволяет выявить возможности использования термохимической конверсии топлива в камерах сгорания ПВРД. Поэтому разрабатываются стенды для проведения испытаний камеры сгорания с термохимической конверсии топлива.
Известен стенд для испытаний камер сгорания ПВРД, содержащий подводящий трубопровод, воздухозаборное устройство с патрубками, имитирующими течение на входе в камеру сгорания при полете ЛА на углах атаки (см. патент РФ №2261425, класс МПК G01M 15/00, 2003 г.)
Известный стенд не позволяет подавать воздух в термохимический реактор и исследовать процессы в камере сгорания термохимической конверсии топлива, так как в нем не решены вопросы использования проточного реактора и его связи с камерой сгорания.
Известно также устройство утилизации тепла отходящих газов, содержащее камеру сгорания, с трубопроводом подачи воздуха, термохимический реактор соединенный с трубопроводом подачи воздуха в камеру сгорания, и систему топливо подачи (см. авторское свидетельство СССР №775593 кл. F27B 17/00, F23L 15/00, 1980 г.).
Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является невозможность регулирования режима работы термохимического реактора независимо от режима камеры сгорания.
Задачей и техническим результатом изобретения являются создание стенда для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания, обеспечивающего возможность регулирования режима работы термохимического реактора независимо от режима камеры сгорания.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в стенде для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания, содержащем камеру сгорания с трубопроводом подачи воздуха, систему регулирования подачей воздуха, термохимический реактор, соединенный с трубопроводом подачи воздуха для проведения конверсии углеводородного топлива и систему топливоподачи, на входе в термохимический реактор установлен регулятор давления воздуха и трубка Вентури, а выход термохимического реактора соединен с инжекторами камеры сгорания.
Технический результат также достигается тем, что термохимический реактор содержит проточный газопламенный воздухоподогреватель, и соединенный с ним дополнительной трубкой Вентури конвертор, в котором расположены форсунки для подачи углеводородного топлива.
Технический результат также достигается тем, что отношение объема конвертора к площади критического сечения инжекторов составляет  а канал конвертора выполнен расширяющимся с суммарным углом расширения, равным δ≤5°.
0
0
КС
R
BR
BKC
На фиг. 1 изображена схема стенда для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания. На фиг. 2 представлен термохимический реактор. На фиг. 3 приведены расчетные составы продуктов термохимической конверсии углеводорода с продуктами выходящими из газопламенного воздухоподогревателя реактора (температура торможения Т=1300 К, полное давление Р=1 МПа). На фиг. 4 представлена зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания α от коэффициента избытка воздуха в реакторе α при различных значениях относительного расхода воздуха через реактор  где G - расход воздуха через реактор, G - расход воздуха через камеру сгорания.
Стенд для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания содержит камеру сгорания 1, подводящий трубопровод для подачи воздуха 2 и систему регулирования подачи воздуха 3. Параллельно камере сгорания установлен термохимический реактор 4 для проведения конверсии углеводородного топлива. Причем, в канале на входе в реактор, которым он соединен с трубопроводом подачи воздуха в камеру сгорания 2, установлен регулятор давления воздуха 5 и трубка Вентури 6. Выход реактора соединен выходными инжекторами 7 с каналом камеры сгорания.
Реактор содержит проточный газопламенный воздухоподогреватель 8 (фиг. 2), выход которого соединен дополнительной трубкой Вентури 9 с конвертором 10, содержащем форсунки 11 для подачи углеводородного топлива.
Стенд работает следующим образом. Поток воздуха из трубопровода 2 поступает в камеру сгорания 1. Из этого же трубопровода воздух попадает на реактор 4. Особенностью работы стенда является то, что в процессе испытания поток воздуха, поступающий на реактор, с помощью регулятора давления 5 подается с различным давлением, обеспечивая различный расход воздуха через реактор 4 и режим работы реактора в широком диапазоне параметров реактора, при изменении расхода топлива в воздухоподогреватель 8 и конвертор 10.
Необходимость трубки Вентури 6 связана с тем, что при изменении режима работы воздухоподогревателя 8, который служит источником тепла, необходимого для осуществления химической конверсии топлива, что теплоподвод в воздухоподогревателе, как дросселирование не должен влиять на течение за регулятором давления, что и обеспечивает трубка Вентури 6.
0Г
2
Подогрев воздуха в воздухоподогревателе производится путем сжигания части топлива в воздухе до Т≤1800 К. В результате чего образуются продукты сгорания, которые поступают в конвертор 10, куда также через форсунки 11 поступает углеводородное топливо. Углеводородное топливо смешивается с продуктами сгорания, вступающими в эндотермические реакции с топливом. В результате образуется новое топливо - конвертин, состоящий в основном из СО и Н, которое поступает в камеру сгорания, где и сгорает.
R
2
КС
О
T
0
Расчеты показали, что наиболее оптимальные химические процессы разложения углеводорода (конверсия) происходят в реакторе при коэффициентах избытка воздуха α=0,2-0,4 (соответствует максимуму горючих компонентов СО кривая 1 и Н кривая 2 в продуктах разложения фиг. 3). Камера сгорания должна работать при коэффициентах избытка воздуха α≥1, где  здесь G - расход окислителя, G - расход топлива, L - стехиометрический коэффициент, характеризующий химическую пару топливо - окислитель.
КС
R
На фиг. 4 представлена зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания от коэффициента избытка воздуха в реакторе α=f(α) при различных значениях относительного расхода воздуха через реактор  кривая 3. Из фиг. 4 видно, чтобы обеспечить работу реактора в рассматриваемом диапазоне необходимо изменять относительный расход воздуха через него на 40%. Это становится возможным при использовании предлагаемой схемы стенда, в которой регулирование расхода воздуха в канале реактора и в канале камеры сгорания осуществляются независимо.
-3
Определяющее значение для рабочего процесса в термохимическом реакторе является время пребывания рабочей смеси в конверторе реактора. Как показали опыты эффективный процесс в реакторе удалось организовать при времени пребывания смеси в конверторе τ≥0,5⋅10 с (см. О.В. Волощенко, Е.А. Мещеряков, В.Н. Острась, В.Н. Серманов, «Анализ особенностей процесса газогенерации и конверсии углеводородных топлив» Труды ЦАГИ, выпуск 2572, Изд. отд. ЦАГИ, М., 1995, стр. 14). Обычно время пребывания заменяют приведенной длиной конвертора (см. В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин «Теория ракетных двигателей», М.: машиностроение, 1980, стр. 256). Результаты обработки опытных данных показали, что приведенная длина конвертора, которая представляет отношение объема конвертора к площади критического сечения инжекторов составляет
Дросселирование потока в канале конвертора обусловлено относительным тепломассоподводом  который создается изменением массы и разложением углеводородного топлива, где  - отношение расхода газа на выходе из конвертора к расходу газа входящего в него, а  отношение температур торможения потока на выходе и входе в конвертор. Опыты показали, что для обеспечения устойчивой работы конвертора его канал должен иметь расширение с суммарным углом расширения δ≤5° (см. О.В. Волощенко, Е.А. Мещеряков, В.Н. Острась, В.Н. Серманов, «Анализ особенностей процесса газогенерации и конверсии углеводородных топлив» Труды ЦАГИ, выпуск 2572, Изд. отд. ЦАГИ, М., 1995, стр. 15).
Таким образом, получено экспериментальное подтверждение эффективности предложенного изобретения, в котором технический результат достигнут за счет регулирования режима работы термохимического реактора не зависимо от режима работы камеры сгорания.