ЩЕЛЕВОЙ ИНЖЕКТОР-ГЕНЕРАТОР ВИХРЕЙ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
SLOT-TYPE INJECTOR-VORTEX GENERATOR AND OPERATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к системам подачи газообразных, жидких, двухфазных топлив в высокотемпературный высокоскоростной газовый поток и предназначено для интенсификации процессов смешения, воспламенения и горения топливовоздушных смесей в камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей и в других установках с тепломассоподводом.
Предложенное техническое решение относится к инжекторам для подачи и смешения высокоскоростных газовых потоков, установленным в смесительном канале, и способам их работы.
Известна термосиловая инжекторная стойка [1], размещенная в газовоздушном высокоскоростном горячем потоке. Стойка имеет обтекаемый аэродинамический профиль и в задней части содержит топливный канал, в стенке которого выполнен ряд форсунок эллиптической формы для инжекции топлива спутно основному газовому потоку. Передняя кромка стойки расположена под углом стреловидности ∠α по отношению к направлению набегающего потока. Теплозащита наиболее термонапряженного элемента стойки - передней кромки обеспечивается тем, что кромка изготовлена из пористого металла, сквозь который продувают инертный газ (азот), подаваемый по специальному каналу, расположенному внутри стойки вдоль передней кромки. Ламинарный поток инертного газа, истекающий из микропор передней кромки, формирует защитную рубашку вокруг стойки, чем обеспечивается теплозащита конструкции стойки.
Недостатками такого решения являются: необходимость устраивать дополнительную систему подачи инертного газа, большие рекомендуемые углы ∠α передней кромки (от 45° до 90°), дополнительные потери кинетической энергии основного потока, вызываемые подачей инертного газа с передней кромки. Низкая эффективность смешения потоков, обусловленная спутной подачей топлива, а также сложность конструкции и технологии изготовления.
В качестве прототипа выбран пилон - автовоспламенитель топлива [2], установленный в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя и имеющий тело, составленное из ряда скрепленных заглушенных трубок, установленных наклонно. Передняя кромка пилона расположена под углом стреловидности к основному потоку и охлаждается небольшим количеством газообразного топлива, инжектируемого против потока через ряд микроотверстий, выполненных в лобовой наклонной трубке пилона. Острый угол стреловидности передней кромки ∠α (в диапазоне 20-70°) определяется по формуле
где M - число Маха набегающего основного сверхзвукового потока.
Пилон предназначен для инжектирования и автовоспламенения газообразного топлива в сверхзвуковом газовоздушном высокотемпературном потоке. Инжектирование основного количества топливного газа осуществляется через ряды перфораций в боковых и задней стенках - трубках пилона. Недостатком пилона является то, что он изготавливается из перфорированных микротрубок, которые имеют низкую прочность из-за перфорации и ограниченную термостойкость в потоке. Кроме того, функционирование пилона предусматривает автовоспламенение и горение топлива непосредственно на боковой поверхности трубок, что дополнительно уменьшает его термостойкость в потоке. Волнообразная боковая поверхность пилона, в свою очередь, наряду со стимулированием автовоспламенения обуславливает повышенное аэродинамическое сопротивление пилона.
Недостаточная эффективность прототипа как автовоспламенителя частично компенсируется коррекцией угла стреловидности α, специальным механизмом, изменяющим этот угол по соотношению
где k - показатель адиабаты, Тс - температура самовоспламенения, Т - статическая температура потока [3].
Во второй модификации недостаточная термопрочность конструкции - прототипа компенсируется помимо механической качалки дополнительным ограничением набора рабочих режимов этого устройства в потоке по соотношению:
o
где P - полное давление, действующее на стойку, P - статическое давление до головной волны, M - число Маха, λ - приведенная скорость за скачком, σ - допустимое напряжение материала стойки [4].
Таким образом, прототип в перечисленных модификациях работоспособен в потоке горячих газов за счет механизации и автоматизации перемещения, сложность воплощения которых нивелирует первоначально заявленную простоту конструкции, стабильность самовоспламенения и эффективность смешения, достигнутые первоначальным распределением отверстий инжекции по поверхности инжектора. Помимо перечисленных недостатков, лимитирующих термостойкость конструкции, в прототипе и его модификациях применен спутный и тангенциальный способы инжекции вторичного газа, не позволяющие эффективно смешивать газы в коротких каналах при сверхзвуковых скоростях основного потока.
Известно [5], что процессы перемешивания сверхзвуковых газовых потоков затруднены из-за малой энергии пульсаций скорости по сравнению с кинетической энергией взаимодействующих потоков, то есть сверхзвуковые потоки по сути ламинарные. В качестве методов организации перемешивания предложены и применяются: сильные акустические воздействия на поток [6, 7], пульсирующие обжимающие деформации струй инжектанта путем модулирующего вдува в пограничный слой канала (метод Ричмайера-Мешкова) [8], метод организации распадающихся крупномасштабных вихрей за клином в основном потоке, успешно применяемый в дозвуковых смесителях [9]. Основной задачей применяемых физических процессов является устройство обмена между стратифицированными слоями сверхзвукового течения путем генерации эффектов перемежаемости потоков, инициирующих последующие процессы эффективного смешения.
Задачей изобретения является эффективное смешение потоков газа, обеспечение термопрочности конструкции инжектора в омывающем высокоэнергетическом потоке основного газа, низкое аэродинамическое сопротивление инжектора, простота конструкции.
Поставленная техническая задача решается предлагаемым устройством - щелевым инжектором - генератором вихрей, установленным в канале смешения вдоль направления движения высокоэнергетического газового потока. Плоский щелевой канал инжектора выполнен с косым срезом на выходе и установлен таким образом, что срез щели образует острый угол с направлением набегающего высокоэнергетического потока, при этом величину угла среза задают из соображений интенсивности перемешивания газовых потоков и равномерности заполнения высокоэнергетического газового потока инжектируемым газом.
Способ работы щелевого инжектора - генератора вихрей включает тангенциальную подачу инжектируемого газа в канал смешения с высокоэнергетическим газовым потоком. Согласно способу в плоском щелевом канале инжектора формируют течение инжектируемого газа, образованного продольными парами микровихрей газа-инжектанта противоположного вращения (спина), при этом набегающий под острым углом к косому срезу щелевого канала высокоэнергетический поток газа сепарирует микровихри в зависимости от направления вращения (спина), захватывает их с поверхности среза инжектора и направляет по потоку вдоль внешних стенок инжектора, охлаждая инжектор, причем в высокоэнергетическом газовом потоке, обтекающем область инжекции, формируется крупномасштабная вихревая пара, вовлекающая микровихри газа инжектанта в боковые макроперемещения, обеспечивая эффект перемежаемости потоков, что в свою очередь обуславливает равномерность заполнения всего потока инжектируемым газом.
Достигаемый технический результат: формирование газодинамических структур потоков, интенсифицирующих пространственное распределение (перемежаемость) и последующее смешение газов с высокой полнотой, достижение заданной глубины проникновения инжектируемого газа в основной поток, эффективное смешивание газов в коротких каналах при сверхзвуковых скоростях основного потока, обеспечение термопрочности конструкции инжектора в омывающем высокоскоростном потоке газа, низкое аэродинамическое сопротивление инжектора, простота конструкции.
На фиг. 1 изображен общий вид щелевого инжектора, установленного на входе в канале смешения с высокоэнергетическим газовым потоком, и принцип его работы; на фиг. 2 - эволюция водородного облака в высокоэнергетическом газовом потоке при выдуве через щелевой инжектор.
Предлагаемый щелевой инжектор - генератор вихрей выполнен с косым срезом передней кромки, содержащим узкий щелевой канал внутри тела инжектора. Общий вид инжектора, установленного на входе в канал смешения, и принцип его работы представлены на фиг. 1: в канале 1 вдоль направления движения основного потока высокоэнергетического газа установлен щелевой инжектор 2 вторичного газа-инжектанта с косым срезом на выходе; каскад микровихревых жгутов 3 газа инжектанта (водород); макровихри 4 основного высокоэнергетического потока, формируемые в основном высокоэнергетическом потоке газа при обтекании инжектора. На фиг. 2 показана эволюция водородного облака в сверхзвуковом воздушном потоке, где 5 - поперечные сечения водородного облака, 6 - проекция задней кромки инжектора, 7 - локализация водородных микровихревых жгутов, 8 - локализация у стенки канала смешения.
Инжектор образован двумя близко расположенными плоскими стенками, расстояние между которыми варьируется от 0,1 до 0,7 мм. Конструктивные размеры инжектора выбирают, руководствуясь следующим:
- ширина щели вычисляется по критериям формирования каскада микровихрей инжектанта в процессе истечения газа, следуя положениям теории щелевых газовых течений [10];
- высота передней кромки инжектора выбирается с учетом толщины пограничного слоя натекающего основного потока;
- высота задней кромки выбирается, исходя из заданной глубины проникновения инжектанта, назначения инжектора и назначения смесительного канала (камера сгорания, камера смешения), исходя из условий минимизации длины смешения газовых потоков;
- угол наклона передней кромки α может быть выбран минимальным по соотношению (1), поскольку плоские протяженные стенки формируют конструктивно жесткий прочный канал минимального миделя, подверженный минимальному термическому воздействию омывающим потоком;
- длина щели вдоль направления основного потока ограничена только компоновочными соображениями всего смесительного устройства согласно исследованиям [11].
Щелевой инжектор-генератор вихрей с косым срезом передней кромки устанавливают на входе в канал смешения, по которому протекает основной поток высокоэнергетического газа, своей боковой плоскостью вдоль продольной оси канала. При этом косой срез передней кромки инжектора располагается под некоторым углом стреловидности (∠α) к направлению основного высокоэнергетического потока газа. Величина угла выбирается по известным зависимостям, исходя из условий термопрочности конструкции инжектора, минимизации длины смешения газовых потоков, минимизации потерь полного давления потока и обеспечения условий автовоспламенения смеси. В обтекаемом основным высокоэнергетическим газовым потоком теле инжектора выполнен протяженный узкий щелевой канал, по которому подают в канал инжектируемый вторичный газ-инжектант. При этом режимы подачи инжектанта по массовому расходу выбираются из числа характерных режимов, обеспечивающих формирование каскада продольных микровихревых жгутов типа вихрей Тэйлора. Щелевой канал заканчивается косым срезом передней кромки инжектора. Благодаря такой компоновке инжектируемый газ, истекающий из щели инжектора с косым срезом в основной поток горячих газов, вступает в спин-селективное взаимодействие с основным высокоэнергетическим потоком газа, в результате чего образует внешнюю защитную рубашку вокруг тела инжектора, чем предотвращает тепловое разрушение конструкции, омываемой основным потоком высокоэнергетического потока газа.
Способ работы щелевого инжектора.
На вход в канал смешения 1 подают основной высокоэнергетический поток газа. Одновременно на вход в инжектор 2 подают дозвуковой поток холодного вторичного газа-инжектанта. Поток инжектанта подвергается механическому воздействию - деформируется стенками внутри тонкой щели инжектора. Поэтому он трансформируется в так называемое щелевое течение, состоящее из плоского каскада микровихревых жгутов 3. Вращение газа-инжектанта в соседних жгутах происходит в противоположных направлениях, другими словами соседние микровихри имеют противоположный спин типа Тэйлора-Куэтта. На фиг. 1 такое вращение условно обозначено стрелками 3 с хвостовой частью переменной толщины. Вращение поддерживается продольным и поперечным градиентами давления газа, существующими в кососрезанном щелевом канале инжектора. После истечения из щели газ-инжектант вступает в силовое спин-селективное взаимодействие с натекающим сверхзвуковым потоком высокоэнергетического газа, расширяется и формирует деформированную нерасчетную струю, разворачиваясь при этом в направлении течения омывающего основного потока. Одновременно в процессе силового взаимодействия плоский каскад микровихревых жгутов инжектанта расщепляется/селектируется на отдельные жгуты противоположного спина, которые разворачиваются в противоположные боковые стороны от плоскости косого среза инжектора благодаря различному спину. Условно расщепление каскада инжектанта обозначено на фиг. 1 стрелками 3 различного направления. Затем отдельные вращающиеся микровихревые жгуты инжектанта прижимаются омывающим высокоэнергетическим потоком газа к внешней поверхности инжектора, образуя термопротекторную рубашку. При этом обтекающий высокоэнергетический поток газа рассекается на две половины цилиндрической прикромочной «структурой нерасчетности» газа инжектанта. Вследствие этого в обтекающем высокоэнергетическом потоке газа возникает пара макровихрей 4, аналогичная аэродинамике «цилиндра, размещенного вдоль потока под углом атаки». Образовавшиеся макровихри 4 вовлекают в боковое перемещение продольные микровихревые жгуты 3 инжектанта, то есть щелевой инжектор с косым срезом на выходе, установленный на входе в канал вдоль направления движения высокоэнергетического газового потока так, что срез щели образует острый угол с направлением набегающего высокоэнергетического потока и порождает вихревой механизм перехода части кинетической энергии высокоэнергетического потока в эффекты перемежаемости структур потока, переходящие затем в турбулентные пульсации, которые перемешивают потоки высокоэнергетического и инжектируемого газов до требуемой однородности молекулярного уровня.
Для подтверждения эффективности технического решения в ИТПМ СО РАН были проведены эксперименты. В сверхзвуковой воздушный поток с числом Маха M=2 был инжектирован газообразный водород через щелевой инжектор с косым срезом на выходе, изготовленный из стали марки 12Х18Н9Т. Температура торможения варьировалась в пределах 1300-3000 К. Испытания показали, что инжектор имеет неограниченную стойкость и обеспечивает воспламенение и последующую полноту сгорания водорода свыше 90%, которая является показателем эффективности процессов смешения. Результаты лазерной визуализации потока в канале смешения (в масштабе) представлены на фиг. 2. позициями 5 и 7. Поперечные сечения в виде заштрихованных областей иллюстрируют эффективность происходящего смешения газовых потоков, характеризуя динамику заполнения поперечного сечения воздушного потока облаком инжектируемого водорода. Измерения показали, что на длине ~1,8 калибра канала инжектиреумый водород уже достигает стенок канала 8 в поперечном направлении, а на длине ~3,3 калибра сечение воздушного потока заполнено водородом уже на 35-40% (разброс приводимой точности обусловлен импульсным принципом визуализации).
Источники информации:
1. Патент РФ №2383761, МПК F02K 7/10, F01D 5/18.
2. Патент РФ №2428576, МПК F02C 7/26, F23R 3/20 - прототип.
3. Патент РФ №2444639, МПК F02C 7/26.
4. Патент на полезную модель РФ №104971, МПК F02C 7/22.
5. Кочетков Ю.М. Турбулентность. Фундаментальное уравнение сверхзвуковой газовой динамики - новый метод профилирования сопел ЖРД. Двигатель №3(87), 2013, с. 44.
6. Кочетков Ю.М. Турбулентность в ПВРД и ГПВРД. Двигатель №6(72), 2010, с. 30.
7. Патент УКРАÏНА №86966, Спосiб допалювання вiдпрацьованого генераторного газу турбiни турбонасосного агрегату рiдинного ракетного двигуна та пристрiй для його застосування. МПК F02K 9/42 (2006.01) F23H 9/00.
8. Qingchun Yang, Juntao Chang, and Wen Bao. Richtmyer-Meshkov Instability Induced Mixing Enhancement in the Scramjet Combustor with a Central Strut. Advances in Mechanical Engineering Volume 2014 (2014), Article ID 614189, 7 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2014/614189.
9. Патент РФ №2106573 C1, МПК F23D 14/62, F23D 17/00 1994.
10. Щелевые уплотнения. В кн. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. ред. А.И. Голубева. - М.: Машиностроение, 1986, с. 375-405.
11. C. Birzer, C.J. Doolan. A quasi-one-dimensional model of hydrogen-fueled scramjet combustors. J. Propulsion&Power 25(6), 1220-1225, 2009.