КАМЕРА СГОРАНИЯ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиадвигателестроению и, в частности, к камерам сгорания.
Известна камера сгорания, содержащая форсунки для подачи топлива, за которыми размещен стабилизатор пламени /1/. Однако данная камера сгорания имеет значительные гидравлические потери и, как следствие, низкие характеристики.
Известна также камера сгорания, содержащая проточную часть переменного сечения, составленную из двух последовательно расположенных участков для реализации горения при различных температурах и скоростях потока воздуха, устройство подачи топлива со стенки, стабилизатор пламени, выполненный на стенке в виде уступа и устройство для организации принудительного зажигания топливовоздушной смеси /2 - прототип/. Недостатком камеры является узкий диапазон устойчивой работы, а также высокие потери давления по тракту, вне зависимости от температуры и скорости потока, поступающего в камеру.
Целью полезной модели является повышение эффективности рабочего процесса и характеристик камеры сгорания, благодаря снижению гидравлических потерь и расширению диапазона устойчивой работы камеры при различных температурах и скоростях воздуха, поступающего в камеру.
Указанная цель достигается тем, что камера сгорания воздушно-реактивного двигателя, содержащая внешний кожух, условно разделенный по функциональному назначению на зону смесеобразования и зону тепловыделения, пилоны для подачи топлива, установленные в зоне смесеобразования, внутренние перегородки, установленные по потоку в зоне теплообразования и образующие между собой или между собой и стенкой кожуха внутренние основные и вспомогательные камеры, и устройство поджига топливовоздушной смеси, снабжена стабилизаторами пламени, имеющими малое аэродинамическое сопротивление и установленными в основных камерах, и треугольными плохообтекаемыми стабилизаторами пламени, установленными во вспомогательных камерах, при этом внутренние перегородки и стабилизаторы установлены в проточном тракте таким образом, что обеспечивают выполнение следующих соотношений площадей основных проходных сечений: ДД/ВВ=3,4; ЕЕ/ВВ=2,4; ЖЖ=КК; (КК-м×И)/ВВ=1,2; н×М=1/3(ГГ-ЖЖ), где ВВ - входное сечение кожуха, ГГ и ДД - сечения кожуха в зоне
расширения проточной части, ЕЕ - сечение выхода продуктов сгорания из камеры или критическое сечение, ЖЖ и КК - сечения, характеризующие размеры входа и выхода основной камеры, м - количество стабилизаторов в основной камере, н - количество стабилизаторов во вспомогательных камерах, И - площадь сечения торцевой поверхности стабилизатора основной камеры, М - площадь сечения торцевой поверхности стабилизаторов вспомогательных камер.
На фиг.1 представлен продольный разрез камеры сгорания. Камера, представляющая собой канал переменного сечения (кожух), функционально делится на две зоны: зону смесеобразования (зону поступления воздуха и топлива) А, и зону тепловыделения или зону горения и выхода газового потока Б. Камера содержит кожух 1, пилоны для подачи топлива 2, установленные в зоне смесеобразования, внутренние перегородки 3 (как минимум одна), установленные по потоку и разделяющие проточный тракт на основные 4 и вспомогательные камеры 5, стабилизаторы пламени 6, которые имеют малое аэродинамическое сопротивление и установлены в основных камерах 4, треугольные плохообтекаемые тела - стабилизаторы 7 пламени, установленные во вспомогательных камерах 5. Камера снабжена также устройством поджига топливовоздушной смеси 8, установленным, например, на стенке кожуха 1.
Кожух 1 имеет следующее соотношение проходных сечений: ДД/ВВ=3,4; ЕЕ/ВВ=2,4, где: ВВ - входное сечение кожуха 1, ГГ и ДД - сечения кожуха в зоне расширения проточной части, ЕЕ - сечение выхода продуктов сгорания или критическое сечение.
Внутренние перегородки 3 и стабилизаторы 6 установлены в зоне горения (проточной части) таким образом, чтобы выдерживались соотношения: ЖЖ=КК; (КК-м×И)/ВВ=1,2; н×М=1/3(ГГ-ЖЖ), где ЖЖ и КК - сечения, характеризующие размеры входа и выхода основных(ой) камер 4. И и М - площади сечений торцевой поверхности стабилизаторов основных(ой) камер 4 и вспомогательных(ой) камер 5, соответственно; м - количество стабилизаторов 6 в основной камере, н - количество стабилизаторов 7 во вспомогательных камерах.
При работе камеры сгорания, имеющей внешний кожух 1 и условно разделенной на две зоны - зону смесеобразования или зону подачи топлива А и зону горения или зону тепловыделения Б, в нее через входное сечение ВВ подают
поток окислителя, например воздух, с низкой или высокой скоростью и топливо - через пилоны 2. При низких температурах воздуха их смесь принудительно воспламеняется в камере устройством поджига 8. При этом стабилизация пламени в основных 4 и вспомогательных камерах 5, разделенных перегородками 3, осуществляется за стабилизаторами 6 и 7.
В зависимости от температуры воздуха, камера работает различным образом.
При низких температурах, вне зависимости от скорости потока, поступающего в камеру сгорания через входное сечение ВВ кожуха 1, горение топлива, поданного через пилоны 2 и воспламененного с применением устройства 8, осуществляется в обеих внутренних камерах 4 и 5 за стабилизаторами 6 и 7, соответственно. При этом топливовоздушная смесь на начальном участке к сечению входа во внутренние камеры ГГ движется равномерно и ее расход в основную и вспомогательные камеры распределяется в соответствии с соотношением их площадей входа.
При повышенных температурах химические процессы интенсифицируются и процесс горения топлива перемещается навстречу потоку в начальную зону смесеобразования А. Присутствие стабилизаторов, выполняющих роль дросселя, приводит к торможению потока перед ними и повышению статического давления в начальной зоне. При этом влияние стабилизаторов, имеющих различное гидравлическое сопротивление, на рабочий процесс проявляется в изменении равномерности потока на начальном участке. Вспомогательные камеры сгорания 5, в которых установлены треугольные плохообтекаемые стабилизаторы 7, имеющие большое гидравлическое сопротивление, начинают работать в режиме теплового запирания, т.е. в режиме, известном как режим «теплового блокирования или кризиса», что приводит к постепенному (по мере роста температуры) отклонению линий тока 9 от стенок ВГ ко входу - ЖЖ в основную камеру. Таким образом, осуществляется плавный, «безударный» переход основной зоны горения в центральную зону потока в режиме постепенного сжатия потока. Этот процесс происходит в стабильном, устойчивом режиме и с малыми потерями давления. Этому в серьезной мере может способствовать возникновение локальных зон отрыва пограничного слоя у стенки - 10, которое обычно связано с обтеканием потоком внутреннего тупого угла (здесь - углы ВГД и ГДЕ) и, особенно, при наличии рядом расположенных элементов, вызывающих возмущение (нарушение) течения потока у
стенки (стабилизатор - 7). По мере роста температуры, размеры зоны отрыва увеличиваются и она перемещается по стенке против потока. Таким образом, происходит плавное снижение расхода воздуха через вспомогательные камеры и его увеличение через основные. Перераспределение расхода газа, т.е. сужение основного потока, приводит к росту статического давления в начальной зоне А. Постепенное повышение давления ведет здесь также к росту эффективности горения. Известный способ стабилизации пламени за треугольными стабилизаторами - плохообтекаемыми телами (классический термин «плохообтекаемые тела», например, может быть заимствован из учебника «Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок», Москва, Издательство МАИ, 2003 год, стр.155. Плохообтекаемые тела используются в камерах сгорания для стабилизации факелов горения (уголковые стабилизаторы пламени) как средство получения сильно закрученных струй.) в основных камерах газотурбинных двигателей, форсажных и прямоточных камерах сгорания, а также известный газодинамический факт «теплового блокирования», используемые в данной схеме камеры, диктуют, что наилучшие ожидаемые результаты, обеспечивающие рост характеристик, повышение эффективности и устойчивости камер сгорания при изменении температуры и скорости воздушного потока, могут быть достигнуты при выполнении следующих геометрических соотношений абсолютных размеров входящих элементов и проходных сечений: ДД/ВВ=3,4; ЕЕ/ВВ=2,4; ЖЖ=КК; (КК-м×И)/ВВ=1,2; н×М=1/3(ГГ-ЖЖ), где ВВ - входное сечение камеры, ГГ и ДД - сечения камеры в зоне расширения проточной части, ЕЕ - сечение выхода продуктов сгорания из камеры или критическое сечение, ЖЖ и КК - сечения, характеризующие размеры входа и выхода основной камеры, м - количество стабилизаторов - 6 в основной камере, н - количество стабилизаторов 7 во вспомогательных камерах, И и М - площади сечений торцевых поверхностей стабилизаторов основной и вспомогательных камер.
Использование данных соотношений основано на результатах одномерных расчетов геометрических параметров формы камеры сгорания, используемых при проектировании камер сгорания ВРД, а также камер ПВРД. На фиг.2 приведены результаты расчета основных проходных сечений камеры сгорания, отнесенных к размеру входного сечения. Результаты демонстрируют зависимость потребных соотношений основных проходных сечений камер сгорания из условия реализации максимального теплоподвода, т.е. при значении коэффициента избытка воздуха α=1. Работа камеры в области стехиометрического расхода топлива отличается устойчивостью и обеспечивает достижение предельных характеристик. Значения соотношений ДД/ВВ, (КК-м×И)/ВВ взяты с кривой 2 (фиг.2), а значение для ЕЕ/ВВ
получено с кривой 1. Выбор коэффициента пропорциональности в зависимости н×М=1/3(ГТ-ЖЖ) обоснован известным значением параметра (коэффициента) оптимального «загромождения» камеры сгорания (например, форсажной камеры ВРД) стабилизаторами пламени, равным 25-35%.
Таким образом, использование продольных разделительных перегородок в камере сгорания ВРД, образующих внутренние основные и вспомогательные камеры, и стабилизаторов пламени, имеющих различное аэродинамическое сопротивление, при заданных соотношениях геометрических размеров основных сечений камеры сгорания обеспечивает рост эффективности рабочего процесса, снижение гидравлических потерь и улучшение характеристик камеры сгорания в целом, независимо от температуры и скорости поступающего потока воздуха.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Патент США №3407603, кл. 60 - 204, опубл. 1967 г.
2. Баев В.К. «Диффузионное горение водорода в плоском канале с внезапным расширением». Физика горения и взрыва, 12, №3, с.383-386, Москва, Наука, 1976 г.