РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID FUEL FLOW CONTROL

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам, предназначенным для регулирования расхода твердого топлива в реактивной технике, например в регулируемых ракетно-прямоточных двигателях.
Серьезным недостатком, ограничивающим применение регулятора расхода твердого топлива, размещенного между твердотопливным газогенератором и камерой дожигания, является низкая полнота сгорания в камере дожигания регулируемого ракетно-прямоточного двигателя. Это является следствием наличия большого количества высокотемпературной конденсированной фазы (более 50% по массе) в продуктах газогенерации. К тому же регулятор расхода должен исполнять функцию распределения продуктов газогенерации для увеличения полноты их сгорания с воздухом в камере дожигания двигателя.
Известен регулятор расхода твердого топлива, размещенный между газогенератором и камерой дожигания регулируемого ракетно-прямоточного двигателя (патент США №4574586 по классу НКИ 60-254 от 1984 года, аналог). Регулятор расхода состоит из канала с сопловым вкладышем, по которому продукты первичного сгорания попадают из газогенератора в камеру дожигания, подвижного штока и его привода. При движении штока перпендикулярно оси канала происходит изменение площади критического сечения соплового вкладыша и, соответственно, давления в газогенераторе, что обеспечивает необходимое изменение расхода твердого топлива.
Недостатком данного устройства является то, что при внедрении штока в канал соплового отверстия существенно возрастает риск его зашлаковки конденсированной фазой в зоне регулирования из-за изменения проходного сечения. Для улучшения качества смешения газогенераторного газа и воздуха и повышения полноты сгорания в камере дожигания необходимо увеличение числа каналов и, следовательно, числа регуляторов расхода, что приводит к недопустимому усложнению конструкции устройства, к увеличению его габаритно-массовых характеристик.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является регулятор расхода твердого топлива, размещенный между газогенератором и камерой дожигания ракетно-прямоточного двигателя, снабженный управляющим устройством, которое совместно с регулируемым соплом на входе в регулятор предназначено для регулирования газового потока, проходящего через направляющее устройство в камеру дожигания с дозвуковой скоростью (Патент Германии №19924907, класс 7 F02K 7/10 от 14.12.2007 г.). При повороте исполнительного узла, выполненного, например, из керамики, происходит изменение площади соплового отверстия, и соответствующее изменение давления и расхода твердого топлива в газогенераторе. Продукты первичного сгорания из газогенератора через регулируемое отверстие непосредственно поступают в камеру дожигания, где они смешиваются с воздухом, вытекающим из воздухозаборного устройства, и окончательно сгорают.
Существенным недостатком данной схемы является то, что узел регулирования не защищен от прямого попадания конденсированной фазы, что может привести к шлакованию поверхностей контакта узла регулирования проходного сечения и перегреву узла регулирования и подводящего канала. Этому способствует и то, что полость канала подачи не защищена от влияния процессов в камере дожигания трансзвуковой зоной течения продуктов газогенерации. К тому же узел регулирования отдален от внутренней стенки газогенератора, что способствует накоплению шлака в данной области.
Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности работы регулятора расхода твердого топлива ракетно-прямоточного двигателя, организация качественного смешения газогенераторного газа на выходе из регулятора расхода для получения высокой полноты сгорания в камере дожигания и уменьшения габаритных размеров узла регулирования.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявленного изобретения, заключается в уменьшении шлакования регулируемых отверстий регулятора расхода, улучшении выноса конденсированной фазы из полости газогенератора в камеру дожигания ракетно-прямоточного двигателя и уменьшении требуемого усилия для поворота заслонки регулятора.
Поставленная задача решается тем, что в регуляторе расхода твердого топлива, размещенном между газогенератором и камерой дожигания ракетно-прямоточного двигателя и содержащем управляющее устройство с приводом и регулируемую сопловую втулку, установленную в стенке газогенератора с возможностью подачи продуктов газогенерации в камеру дожигания, причем регулируемая сопловая втулка снабжена узлом регулирования проходного сечения, связанного с приводом управляющего устройства, а входная плоскость регулируемой сопловой втулки вынесена внутрь газогенератора, согласно изобретению регулятор снабжен сопловой втулкой постоянного проходного сечения, сообщающей газогенератор с камерой дожигания, а входная плоскость сопловой втулки постоянного проходного сечения совпадает с плоскостью стенки газогенератора. Узел регулирования проходного сечения выполнен в виде поворотной профилированной заслонки переменного сечения, утолщенная часть которой выполнена с возможностью регулирования проходного сечения, а утонченная часть выполнена с возможностью защиты регулируемого проходного сечения от прямого натекания продуктов газогенерации. Входная плоскость сопловой втулки постоянного проходного сечения снабжена фаской со стороны газогенератора. Он снабжен по меньшей мере двумя регулируемыми сопловыми втулками и двумя сопловыми втулками постоянного проходного сечения.
В предпочтительном варианте выполнения регулятора сопловые втулки и профилированная заслонка выполнены из термостойкого и эрозионно стойкого материала.
На фиг.1 представлен общий вид регулятора расхода твердого топлива.
На фиг.2 представлена поворотная профилированная заслонка.
На фиг.3 представлен регулятор расхода твердого топлива в рабочем положении (вид со стороны газогенератора).
На фиг.4 представлен регулятор расхода твердого топлива в закрытом положении (вид со стороны газогенератора).
Регулятор 1 расхода твердого топлива, размещенный между твердотопливным газогенератором 2 и камерой 3 дожигания, снабженной воздухозаборным устройством 10, состоит из следующих основных элементов: регулируемых термостойких сопловых втулок 4, поворотной заслонки 5, имеющей ступенчатое изменение толщины, приводной оси 6, управляющего устройства с пневмоприводом 7, сопловых втулок постоянного проходного сечения с нерегулируемыми отверстиями 8 для подачи газогенераторных продуктов сгорания, содержащих большое количество несепарированной конденсированной фазы крупного размера, в камеру дожигания. Втулки постоянного проходного сечения с нерегулируемыми отверстиями 8 выполнены с входными фасками. Поворотная заслонка 5 (см. фиг.2) выполнена из термостойкого или эрозионностойкого материала, например керамики, и имеет козырек 11. Регулируемые отверстия 9 сопловых втулок 4 служат для регулирования расхода твердого топлива и для подачи в камеру дожигания газогенераторных продуктов сгорания, содержащих только сепарированную конденсированную фазу малого размера. Количество регулируемых сопловых втулок и нерегулируемых сопловых втулок постоянного проходного сечения может быть и больше единицы, а угол наклона осей регулируемых и нерегулируемых сопловых отверстий во втулках к оси дожигания может быть выполнен в пределах 0÷30°.
Регулятор расхода твердого топлива работает следующим образом. На маршевом режиме работы ракетно-прямоточного двигателя через приводную ось 6 от пневмопривода 7 усилие передается на поворотную заслонку 5. Под воздействием приложенного момента поворотная заслонка 5 поворачивается и занимает определенное положение, изменяя тем самым проходное сечение регулируемых сопловых отверстий 9. Каждому положению заслонки 5 будет соответствовать определенное давление в газогенераторе 2 и, следовательно, определенный расход твердого топлива. Продукты разложения твердого топлива из газогенератора 2 через регулируемые сопловые отверстия 9 втулок 4 поступают в камеру дожигания, где они смешиваются с воздухом, поступающим в камеру дожигания через воздухозаборное устройство 10. При открывании регулируемого соплового отверстия 9 входной участок отверстия остается под защитой козырька 11 от прямого натекания конденсированной фазы первичных продуктов газогенерации.
Продукты газогенерации, не содержащие крупных частиц конденсированной фазы, свободно проходят в регулируемые сопловые отверстия 9, обтекая заслонку 5 с защитным козырьком 11. Крупные агломераты конденсированной фазы попадают на внутреннюю стенку газогенератора и затем выносятся в камеру дожигания через постоянно открытые нерегулируемые отверстия 8 сопловых втулок постоянного проходного сечения, т.к. входные участки втулок 4 с регулируемыми сопловыми отверстиями 9 отстоят от внутренней стенки на определенное расстояние, а входные участки втулок с нерегулируемыми сопловыми отверстиями 8 расположены в одной плоскости с внутренней стенкой газогенератора и имеют входную фаску. Такая конструкция позволяет избежать шлакования регулируемых отверстий, улучшить вынос конденсированной фазы из полости газогенератора в камеру дожигания ракетно-прямоточного двигателя и уменьшить требуемое усилие для поворота заслонки.
Предлагаемый регулятор расхода обеспечивает более высокую надежность работы вследствие защиты элементов регулирования от зашлаковки под воздействием крупной конденсированной фазы продуктов газогенерации. Конструкция регулятора позволяет выбирать число, схему размещения и угол наклона сопловых отверстий к оси камеры дожигания оптимальным образом в зависимости от типа воздухозаборного устройства и характеристик камеры дожигания. Благодаря этому существенно улучшается смешение газогенераторного газа с воздухом, поступающим из воздухозаборного устройства, что, в конечном счете, позволяет получить высокую полноту сгорания в камере дожигания.
Выполнение элементов регулятора расхода из композиционных материалов позволяет еще более повысить надежность его работы.