СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ В ГИПЕРЗВУКОВОМ ПРЯМОТОЧНОМ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГИПЕРЗВУКОВОЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК F02K7/14 

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно, к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД).

Известен ГПВРД, содержащий участок внешне-внутреннего сжатия (воздухозаборник), прямую сверхзвуковую камеру сгорания постоянного сечения с инжектором для впрыска горючего, и сопло, причем с целью эффективного смешения топлива со сверхзвуковым потоком воздуха, подача горючего в камеру сгорания осуществляется через сверхзвуковые инжекторы, равномерно расположенные по высоте в теневой части пилонов / Патент США 4903480, FO2K 7/10, 1988/.

Недостатком данного двигателя является то, что сверхзвуковая камера сгорания выполнена прямой и для получения гомогенной смеси при сверхзвуковой скорости потока в последней требуется значительное увеличение его длины (20-25 калибров высоты) даже при наличии чередования углов смещений осей инжекторов, равномерно расположенных на теневой части пилонов. Кроме того при низких плотностях рабочего тела в камере (<0,1 атм) проблема смещения еще более усугубится. В итоге это отрицательно скажется на характеристики двигателя в целом.

За прототипом выбран гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, прямую камеру сгорания с уступами на начальном участке и расположенными в ней инжекторами, а также сопло. Причем инжекторы расположены на верхней и нижней поверхности стенок камеры таким образом, чтобы при впрыске горючее организовать зоны рециркуляции за уступами для эффективного смешения горючего с воздухом./Патент США 5085048, FO2K 7/10,1990/
Недостатком прототипа является то, что зоны рециркуляции горючего и воздуха находятся в прямой камере сгорания, и при сверхзвуковых скоростях потока воздуха время пребывания горючего в камере резко сокращается, что делает проблематичным эффективное смешения горючего с окислителем (кислородом). Кроме того наличие таких зон за уступами, в которых определенным образом впрыскивается горючее для эффективного их формирования, в случае воспламенения последнего приводит к интенсивному тепловыделению с перестройкой течения от сверхзвукового к дозвуковому по всей длине камеры сгорания.

Задачей изобретения является повышение полноты сгорания и улучшения стабилизации процесса горения в сверхзвуковой камере путем интенсификации смешения топлива при существенном сокращении длины камеры сгорания.

Поставленная задача достигается благодаря способу организации горения топлива в ГПВРД, по которому подачу топлива с молекулярным весом меньше воздуха, осуществляют преимущественно вблизи вогнутой поверхности камеры сгорания. Камера сгорания выполнена из криволинейного участка, плавно переходящего в прямолинейный с осью, параллельной оси двигателя, при этом форсунки расположены с переменным шагом по высоте поперечного сечения криволинейного участка камеры. Причем шаг между форсунками, для двигателей с топливом, молекулярный вес которого меньше воздуха, уменьшается вблизи вогнутой поверхности криволинейного участка камеры.

ВАРИАНТ.

Способ организации горения заключается в подаче топлива с молекулярным весом больше веса воздуха (керосин, бороорганическое топливо), в большем количестве вблизи выпуклой поверхности камеры сгорания, где форсунки расположены в начале криволинейного участка с переменным шагом по высоте его поперечного сечения, причем шаг между форсунками уменьшается вблизи выпуклой поверхности криволинейного участка.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно решение является новым и имеет изобретательский уровень.

Предлагаемое новое техническое решение промышленно применимо в авиационной промышленности.

На фиг. 1 изображена схема газодинамического тракта ГПВРД, работающего на топливе, молекулярный вес которого меньше воздуха; на фиг. 2 поперечное сечение на фиг. 1; на фиг.3 поперечное сечение криволинейного участка камеры сгорания ГПВРД, работающего на топливе, молекулярный вес которого больше воздуха (вариант).

Предлагаемый способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе основан на том, что топлива с различными молекулярными весами, подаваемые через форсунки в сверхзвуковой поток воздуха, под воздействием центробежных сил, возникающих в криволинейном канале, подвергаются различному радиальному перемещению. Это способствует интенсификации перемешивания топлива с воздухом и его сгоранию.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит воздухозаборник 1, сверхзвуковую камеру сгорания 2 с криволинейным участком 3 плавно переходящий в прямолинейный участок 4 и сопло 5. Ось симметрии прямолинейного участка 4 расположена параллельно оси двигателя. Форсунки 6 расположены в начале криволинейного участка 3 с переменным шагом по высоте его поперечного сечения.

Для ГПВРД (см. фиг. 2), работающего на топливе, молекулярный вес которого меньше воздуха, шаг между форсунками 6 уменьшается вблизи вогнутой поверхности криволинейного участка и увеличивается к периферии, т.е. в сторону выпуклой поверхности криволинейного участка канала.

ВАРИАНТ.

Для ГПВРД (см. фиг. 3), работающего на топливе, молекулярный вес которого больше воздуха, шаг между форсунками 6 уменьшается вблизи выпуклой поверхности криволинейного участка и увеличивается к периферии, т.е. в сторону вогнутой поверхности криволинейного участка канала.

Способ осуществляется следующим образом.

Топливо, имеющее молекулярный вес меньше воздуха впрыскивают в поток в начале криволинейного участка камеры преимущественно вблизи вогнутой стенки. Топливо смещается как вниз по потоку, так и в радиальном направлении в сторону выпуклой стенки. Стадия перемещения двух сред в противоположном направлении приводит к интенсивному смесеобразованию и сжигают топлива с высокой полнотой сгорания.

ВАРИАНТ.

Топливо, имеющее молекулярный вес дольше воздуха впрыскивают в поток в начале криволинейного участка камеры преимущественно вблизи выпуклой стенки. Под воздействием центробежных сил топливо получает радиальное перемещение в сторону вогнутой стенки камеры, а воздух стремится занять освободившееся место вблизи выпуклой стенки. Происходит перемешивание потоков и интенсивное сгорание топлива.

Использование такого способа интенсификации смешения топлива в сверхзвуковой камере сгорания экспериментальной модели ГПВРД позволило интенсивно сжигать топливо по всему объему камеры при числах Маха набегающего на модель высокоэнтальпийного воздуха равным М 8-13.

Так, например, при подаче газообразного водорода в камеру сгорания с соотношением длин криволинейного и прямолинейного участков камеры, как 1,7:1 было реализовано устойчивое горение водорода по всему объему камеры, начиная от места, расположенного вниз по потоку от форсунок на 10-15 мм, и до конца прямолинейного участка камеры сгорания в широком диапазоне параметров торможения набегающего потока P=(150-500) бар, Т=(1900-2800)К.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно, к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям. Поставленная задача - повышение полноты сгорания и улучшение стабилизации процесса горения в сверхзвуковой камере путем интенсификации смешения топлива, осуществляется благодаря способу организации горения, по которому подачу топлива с молекулярным весом меньше воздуха, осуществляют преимущественно вблизи вогнутой поверхности камеры сгорания, а подачу топлива с молекулярным весом больше воздуха - вблизи выпуклой поверхности камеры сгорания. Камера сгорания выполнена с криволинейным участком, плавно переходящим в прямолинейный участок, ось которого параллельна оси двигателя. При этом форсунки расположены с переменным шагом по высоте поперечного сечения криволинейного участка камеры, шаг между форсунками, для двигателей с топливом, молекулярный вес которого меньше воздуха, уменьшается вблизи вогнутой поверхности криволинейного участка камеры, а для двигателей с топливом, молекулярный вес которого больше воздуха, уменьшается вблизи выпуклой поверхности криволинейного участка камеры. 4 с.п. ф-лы,3 ил.

1. Способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, заключающийся в подаче топлива и интенсификации его сжигания в камере, отличающийся тем, что подачу топлива с молекулярной массой меньше воздуха осуществляют в большем количестве вблизи вогнутой поверхности камеры сгорания. 2. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, камеру сгорания с топливными форсунками и сопло, отличающийся тем, что камера сгорания содержит криволинейный участок с форсунками, плавно переходящий в прямолинейный, ось которого расположена параллельно оси двигателя, при этом форсунки расположены в начале криволинейного участка с переменным шагом по высоте его поперечного сечения, причем шаг между форсунками уменьшается вблизи вогнутой поверхности криволинейного участка. 3. Способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, заключающийся в подаче топлива и интенсификации его сжигания в камере, отличающийся тем, что подачу топлива с молекулярной массой больше воздуха осуществляют в большем количестве вблизи выпуклой поверхности камеры сгорания. 4. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, камеру сгорания с топливными форсунками и сопло, отличающийся тем, что камера сгорания содержит криволинейный участок с форсунками, плавно переходящий в прямолинейный, ось которого расположена параллельно оси двигателя, при этом форсунки расположены в начале криволинейного участка с переменным шагом по высоте его поперечного сечения, причем шаг между форсунками уменьшается вблизи выпуклой поверхности криволинейного участка.