ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

Газодинамический нагреватель предназначен для использования в области двигателестроения, в частности, в устройствах для воспламенения двухкомпонентных топлив, в том числе двухфазных смесей.
Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к средствам воспламенения двухкомпонентных, в том числе и двухфазных, смесей, и может быть применено для воспламенения топлива в различных тепловых машинах.
Известен электрический нагревательный элемент, содержащий стержень с надетой на него спиралью, выполненной из специальной стали. Недостатком такого нагревательного элемента является невысокая надежность его работы из-за перегорания спирали, а также большие затраты электрической энергии для нагрева такой спирали до t=1000°C («Свечи для зажигания дизелей» ВИНТИ ТАСС N6,1984).
Известен также газодинамический нагреватель, содержащий сопло, снабженное расширяющейся сверхзвуковой частью, и соосно расположенный с ним резонатор. (Сергиенко А.А., Семенов В.В. Газодинамический нагреватель. Патент РФ №2062953, 1996 г. 6 F 23 Q 13/00. Бюллетень №18, 1996 г.) - прототип.
Недостатком такого нагревателя является то, что из-за фиксированного размера выходного сечения сверхзвукового сопла высокий нагрев глухого торца резонатора происходит при узком интервале изменения как перепада давления газа на сопле, так и расстояния между соплом и резонатором. Вследствие этого сдерживается его широкое внедрение, так как для повышения надежности работы нагревателя в условиях изменения перепада давления газа в сопле (или в условиях переменного атмосферного давления) необходимо иметь сопло с регулируемой высотностью.
Целью данного изобретения является повышение надежности работы газодинамического нагревателя в условиях изменения перепада давления газа на сопле (или в условиях переменного атмосферного давления) за счет автоматического регулирования высотности реактивного сопла.
кр
ВХ
кр
ВХ
Указанная цель достигается тем, что у газодинамического нагревателя, содержащего сопло и соосно с ним закрепленный резонатор, сопло снабжено центральным телом, причем средний диаметр расположения минимального сечения сопла с центральным телом выбирается из условия d = 0.5÷1.0 d, где d - средний диаметр расположения минимального сечения сопла с центральным телом, d - диаметр входа резонатора. (Кудрявцев В.М., Курпатенков В.Д. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высшая школа, 1993 г., т.1, стр.370, §10.7).
Использование указанной совокупности отличительных признаков, приводящих к наибольшему повышению температуры стенки глухого торца резонатора, в других технических решениях не известно и изобретение отвечает критерию «Существенные отличия».
На фиг.1 изображено продольное сечение газодинамического нагревателя, снабженного соплом с центральным телом.
На фиг.2 приведена зависимость температуры нагрева стенки глухого конца резонатора от перепада давления газа в сопле с центральным телом.
На фиг.3 приведена зависимость температуры нагрева стенки глухого конца резонатора от расстояния между соплом и резонатором.
Газодинамический нагреватель содержит сопло 1 с центральным телом, на некотором удалении соосно с ним закреплен резонатор 2, который жестко соединен с соплом с помощью стержня 3 (фиг.1). Корпус сопла выполнен в виде цилиндра, один конец которого представляет собой диск с отверстием в центре. Центральное тело сопла выполнено в виде тела вращения, заканчивающегося конусом, контур которого образует параболу вогнутостью к оси сопла. Центральное тело установлено внутри корпуса и расположено соосно с ним, причем конус его выступает за торец корпуса. Узкий зазор в виде тора, образованный между диском корпуса и конусом центрального тела, является минимальным (критическим) сечением сопла, размер площади которого зависит от расхода потока газа, протекающего через него.
Резонатор выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого заканчивается цилиндрическим стаканом с тонкими стенками.
кр
ВХ
кр
ВХ
При среднем диаметре d расположения минимального сечения сопла с центральным телом, имеющем меньший размер, чем диаметр входа d конического резонатора (d<0.5 d), температура нагрева глухого конца резонатора не достигает своего максимального значения из-за уменьшения силы ударной волны, которое происходит в результате снижения расхода газа, истекающего из сопла.
кр
ВХ
кр
ВХ
При среднем диаметре d расположения минимального сечения сопла с центральным телом, имеющем больший размер, чем диаметр входа d конического резонатора (d> 0.5 d) температура нагрева глухого конца резонатора не достигает своего максимального значения из-за того, что в этом случае в резонатор попадает часть расхода газа, истекающего из сопла с центральным телом, то есть энергия струи газа используется не полностью.
Газодинамический нагреватель работает следующим образом: Сжатый газ (воздух) разгоняется в сопле 1 с центральным телом. При определенном расстоянии между соплом и резонатором, которое зависит от перепада давления газа в сопле и геометрических размеров сопла, внутри резонатора возбуждаются высокочастотные ударные волны и на входе резонатора прямой скачок уплотнения (диск Маха) начинает колебаться с высокой частотой. Взаимодействие ударных волн и высокочастотные колебания газа внутри резонатора приводят к повышению температуры газа в глухом конце резонатора. От разогретого газа, находящегося внутри резонатора, нагреваются стенки резонатора.
Ударная волна тем интенсивнее, чем выше скорость истечения струи газа из сопла нагревателя
a
где w - скорость истечения газа из сопла;
k - коэффициент адиабаты;
R - газовая постоянная;
k
Т - температура газа на входе сопло;
a
p - давление на срезе сопла;
k
p - давление на входе в сопло. (Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Курпатенков В.Д., Поляев В.М. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высшая школа, 1993 г., т.1-2, 383с.).
к
a
a
k
Из формулы видно, что чем больше перепад давления газа на сопле р/р, тем выше скорость истечения газа из сопла. Если степень расширения газа p/p в сверхзвуковом круглом сопле нельзя без конца увеличивать (в этом случае из-за фиксированного выходного сечения система скачков уплотнения зайдет во внутрь расширяющейся части сопла и скорость истечения замедлится), то в сопле с центральным телом этого не случится, так как оно обладает автоматическим регулированием высотности (фиг.1).
Так как сопло с центральным телом обладает автоматическим регулированием высотности, высокий нагрев глухого конца резонатора происходит при любом перепаде давления газа на сопле, начиная с критического. Это объясняется тем, что если частичное расширение потока газа происходит на выходной кромке сечения сопла (на угловой точке), то полное расширение газа ограничивается наружным давлением. Тем самым «отключается» та часть поверхности сопла с центральным телом, в которой произошла бы перерасширение газа (фиг.1).
При перепаде давления газа на сопле с центральным телом меньше критического температура нагрева глухого конца резонатора не достигает своего максимального значения из-за уменьшения силы ударной волны, которое происходит в результате снижения скорости истечения газа из сопла меньше звукового из-за уменьшения давления подачи газа в сопло (фиг.2).
Известно, что при истечении из круглого сопла струи газа за срезом сопла образуется периодическая система скачков уплотнения, так называемые «бочки». Обычно, в случае круглого сопла настройка газодинамического нагревателя ведется на первую «бочку», т.е. диск Маха (прямой скачок) должен находиться на входе в резонатор. В случае же сопла с центральным телом интенсивность системы скачков уплотнения (других «бочек») не ослабевает, они огибают образующую центрального тела. В результате этого высокий нагрев глухого конца резонатора происходит при широком диапазоне изменения расстояния между соплом и резонатором, то есть нарушение настройки нагревателя не влияет на надежность его работы (фиг.3).
На фиг.2 приведена экспериментальная зависимость температуры нагрева глухого конца резонатора газодинамического нагревателя от перепада давления на
сопле с центральным телом. Из графика видно, что высокая температура нагрева глухого конца резонатора газодинамического нагревателя достигается при широком диапазоне изменения перепада давления газа на сопле, так как сопло с центральным телом обладает высотной компенсацией.
На фиг.3 приведена экспериментальная зависимость температуры нагрева глухого конца резонатора газодинамического нагревателя от изменения расстояния между соплом и резонатором. Из графика видно, что высокая температура нагрева глухого конца резонатора газодинамического нагревателя достигается при широком диапазоне изменения расстояния между соплом и резонатором.
По сравнению с прототипом в предлагаемом газодинамическом нагревателе высокая температура нагрева глухого конца резонатора и надежная его работа в широком диапазоне перепадов давления газа в сопле достигается за счет установки в нагревателе сопла с центральным телом.
Экономический эффект складывается из технических характеристик нагревателя. Так как газодинамический нагреватель снабжен соплом с центральным телом, то высокую температуру нагрева глухого конца резонатора можно достигнуть при любом перепаде давления газа в сопле, начиная с критического, что существенно повысит надежность его работы (широкое внедрение газодинамического нагревателя сдерживается, в том числе, из-за низкой надежности работы газодинамического нагревателя в условиях переменного перепада давления газа на сопле).
Изобретение может найти применение в стендовых установках, в камерах сгорании двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и авиационных двигателях.