Способ определения коэффициента полноты сгорания топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе
METHOD FOR DETERMINING COEFFICIENT OF COMPLETENESS OF FUEL COMBUSTION IN RAMJET ENGINE

Изобретение относится к авиационной технике и ракетно-космической технике, а именно к разработке высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) с интегрированной силовой установкой (СУ) на водородном топливе.
Важным показателем совершенства силовой установки (двигателя) является коэффициент полноты сгорания топлива (топливной смеси), характеризующий происходящий в силовой установке экзотермический процесс окисления топлива при его соединении с воздушным потоком.
Коэффициент полноты сгорания топлива можно определять несколькими способами: анализом проб, отобранных из тракта двигателя; методами лазерной диагностики состава газа; оптическими методами; на основании измерения сил, приложенных к поверхностям двигателя; определением концентрации компонентов продуктов сгорания двигателя расчетным путем и газодинамическим способом - по измерению давлений и тепловых потоков в стенки камеры сгорания двигателя. Все эти способы являются способами косвенного определения необходимых данных для вычисления коэффициента полноты горения топлива и соответственно точность зависит от выбранного метода. Наиболее точным определением коэффициента полноты сгорания топлива может быть в способе в котором определяют абсолютные значения усилия двигателя, статическое давление на выходном сечении сопла при испытаниях в свободном потоке течения газа в камере сгорания двигателя или его модели. Известен способ определения коэффициента полноты сгорания топливной смеси по температуре продуктов сгорания [William Н. Heiser, David Т. Pratt. Hypersonic Airbreathing Propulsion. AIAA Education Series. 1994, p. 330.331] расчетным путем. Недостатком температурного способа является то, что способ непригоден для высокотемпературных потоков газа, характерных для высокоскоростных двигателей.
Известен способ определения коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с использованием замеров статического давления [Орлик Е.В., Старов А.В., Шумский В.В. Определение газодинамическим способом полноты выгорания в модели с горением. Физика горения и взрыва, 2004, т. 40, №4, стр. 23-34]. В способе производят измерение статического давления вблизи стенки в качестве среднего по сечению. Недостатком является использование в расчетах этого усредненного значения, что не позволяет корректно определять коэффициенты полноты сгорания в потоках с сильной неравномерностью.
Наиболее близким к заявленному способу, принятому за прототип, является способ определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (патент РФ №2495270). В этом способе модель прямоточного воздушно-реактивного двигателя жестко соединяют с горизонтальной тягоизмерительной платформой, установленной на упругих опорах. Тягоизмерительную платформу также соединяют с датчиком силы. Первоначально воздух подают на вход двигателя без подачи топлива в камеру сгорания. Измеряют усилие на датчике силы. Затем дополнительно подают в камеру сгорания топливо. Воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы. Затем вычисляют η коэффициент полноты сгорания топливной смеси по соотношению:
Недостатком данного способа является то, что он применим только для двигателей с критическим сечением, в котором реализуется замыкающее условие - число Маха М=1 и не пригоден для определения коэффициента полноты сгорания топлива со сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- обеспечение возможности определение коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания модели двигателя, обтекаемой свободным воздушным потоком, характеризующейся сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания;
- повышение точности определения коэффициента полноты сгорания топлива при натурных измерениях и испытаниях модели такого типа двигателя.
х
x
в
в
г
г
nc
г
nc
х
Технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента полноты сгорания топлива модель двигателя жестко соединяют с горизонтальной тягоизмерительной платформой, платформу устанавливают на упругие опоры и соединяют с датчиком силы производят первый этап измерений подают воздух на вход в камеру сгорания и измеряют усилие на датчике силы (Р), статическую температуру газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (Т) площадь выходного сечения (F), угол атаки модели (γ), скорость газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (w), периметр сечения проточного тракта (П), расход воздуха через проточный тракт модели (G), массовую долю воздуха в выходном сечении сопла (g), далее производят второй этап измерений для чего подают в камеру сгорания топливо, воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы, скорость газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (w), статическую температуру газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (T), расход топлива через проточный тракт модели (G), разность показаний датчика силы в пуске с подачей топлива и без подачи (ΔР), статическую энтальпию топлива в выходном сечении сопла (h), статическую энтальпию продуктов сгорания в выходном сечении сопла (h), массовую долю топлива в выходном сечении сопла (g), массовую долю продуктов сгорания в выходном сечении сопла (g) так, что в выходном сечении сопла устанавливают датчики статического давления и дополнительно при первом и втором этапах измерений производят измерения статического давления на срезе сопла в выходном сечении сопла модели (р) и статического давления газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (р), затем на основании полученных измеренных данных и констант вычисляют коэффициент полноты сгорания топлива η, для чего решают систему уравнений:
где
x
R - газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;
g
h - статическая энтальпия воздуха;
в0
Н - полная энтальпия воздуха;
R - газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;
го
Н - полная энтальпия топлива;
α - коэффициент избытка окислителя;
0
L - стехиометрическое соотношение топлива и окислителя;
χ - коэффициент, зависящий от коэффициента избытка окислителя;
η - коэффициент полноты сгорания топлива;
Р - угол наклона струи газа к строительной горизонтали модели;
q - тепловой поток к стенке проточного тракта;
х
q - тепловой поток к стенке для текущей координаты х.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 представлена модель двигателя со сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания, установленная на тягоизмерительной платформе.
х
х
x
в
в
Способ определения коэффициента полноты сгорания топлива при сверхзвуковом течении газа в камере сгорания 2 модели прямоточного воздушно-реактивного двигателя осуществляют в следующей последовательности действий. Перед работой модель двигателя 1 жестко соединяют с тягоизмерительной платформой 3. Платформу 3 устанавливают на упругие опоры 4 и соединяют с датчиком силы 5. Измеряют усилие на датчике силы 5. После чего подают воздух в камеру сгорания 2. Измеряют усилие на датчике силы 5 (Р) и давление (р) в выходном сечении 6. Производят измерение статической температуры газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (Т), площади выходного сечения (F), угла атаки модели (γ), скорости газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (w), периметра сечения проточного тракта (П), расхода воздуха через проточный тракт модели (G), массовой доли воздуха в выходном сечении сопла (g). Потом дополнительно подают топливо в камеру сгорания 2. Воспламеняют образовавшуюся топливную смесь. Осуществляют процесс горения в камере сгорания 2 топливной смеси. В процессе горения смеси измеряют силу по датчику 5 и давление (р) в выходном сечении 6 сопла 7. Производят измерения скорости газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (w), статической температуры газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (Т), расхода топлива через проточный тракт модели (), разности показаний датчика силы в пуске с подачей топлива и без подачи (ΔР), статической энтальпии топлива в выходном сечении сопла (), статической энтальпии продуктов сгорания в выходном сечении сопла (), массовой доли топлива в выходном сечении сопла (), массовой доли продуктов сгорания в выходном сечении сопла (). Затем вычисляют полноту сгорания топливной смеси для чего используют полученные измеренные данные и константы.
Затем вычисляют коэффициент полноты сгорания топлива путем решения системы уравнений, удовлетворяющей закону сохранения массы, импульса и энергии, которая составляется для выходного сечения сопла:
где
x
w скорость газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;
х
р статическое давление газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;
x
R газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;
х
Т статическая температура газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;
F площадь выходного сечения сопла;
γ угол атаки модели;
β угол наклона струи газа к строительной горизонтали модели;
в
h статическая энтальпия воздуха;
в0
Н полная энтальпия воздуха;
x
q тепловой поток в стенки проточного тракта;
П периметр сечения проточного тракта;
в
G расход воздуха через проточный тракт модели;
w скорость газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;
р статическое давление газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;
R газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;
Т статическая температура газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;
расход горючего через проточный тракт модели;
ΔР разность показаний датчика силы в пуске с подачей топлива и без подачи топлива;
статическая энтальпия топлива в выходном сечении сопла;
статическая энтальпия продуктов сгорания в выходном сечении сопла;
в
g массовая доля воздуха в выходном сечении сопла;
массовая доля топлива в выходном сечении сопла;
массовая доля продуктов сгорания в выходном сечении сопла;
полная энтальпия топлива;
α коэффициент избытка окислителя;
0
L стехиометрическое соотношение топлива и окислителя;
χ - коэффициент, зависящий от коэффициента избытка окислителя;
η - коэффициент полноты сгорания.
Таким образом, совокупностью существенных признаков предложенного способа определения коэффициента полноты сгорания топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, достигается возможность определения коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания модели двигателя, обтекаемой свободным воздушным потоком, характеризующейся сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания; повышение точности определения коэффициента полноты сгорания топлива при натурных измерениях и испытаниях модели такого типа двигателя.