КАМЕРА СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F02K9/62 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при конструировании форсуночных головок ЖРД, а также в тех отраслях техники, где используются различного рода топочные устройства.

Известны конструктивные схемы перегородок, устанавливаемых на смесительных головках камер сгорания для подавления поперечных мод высокочастотных (ВЧ) колебаний [1]. Одним из основных параметров перегородок, существенным образом влияющих на эффективность подавления ВЧ колебаний в камере сгорания, является их длина. Оптимальные значения отношения длины перегородок к диаметру камеры находятся в диапазоне 0,2 - 0,3.

Недостатком неохлаждаемых перегородок является то, что в камерах сгорания современных маршевых двигателей перегородки наиболее эффективной длины будут выгорать.

Известна конструкция головки-форсунки, содержащая корпус и несколько охлаждаемых антипульсационных перегородок [2]. Внутри корпуса расположены каналы для подвода жидкого топлива к струйным форсункам. К огневой стенке головки-форсунки прикреплено несколько перегородок, служащих для подавления неустойчивого горения. В перегородках для их охлаждения выполнены отверстия, соединенные с каналами головки. Впрыск топлива в камеру сгорания осуществляется через форсуночную головку и через отверстия в охлаждаемых перегородках.

Недостатком такой смесительной головки является сложность конструкции и невозможность использования ее на уже находящихся в эксплуатации серийных двигателях, так как конструкция головки с охлаждаемыми перегородками закладывается на этапе проектирования камеры сгорания. Кроме того, как отмечается в работе [1], охлаждаемые перегородки, как правило, представляют собой массивную конструкцию, сильно загромождающую площадь форсуночной головки, что затрудняет обеспечение равномерного распределения компонентов топлива по сечению камеры сгорания и может приводить к снижению удельной тяги двигателя, а впрыск топлива в камеру сгорания через охлаждаемые перегородки еще больше усугубляет эффект снижения экономичности двигателя.

Известна камера сгорания с участком у головки, имеющим некоторый угол расширения [3] . Такая конструкция улучшает характеристики устойчивости по сравнению с цилиндрической камерой сгорания. Недостатком такой камеры сгорания является сложность ее изготовления и невозможность использования на уже находящихся в эксплуатации серийных двигателях, так как создание практически нового двигателя с последующей его отработкой повлечет за собой временные и экономические затраты.

Известно устройство для ступенчатого изменения площади поперечного сечения цилиндрической камеры сгорания, выполненное в виде цилиндрического вкладыша, примыкающего к огневому днищу смесительной головки и служащее для стабилизации рабочего процесса [4].

Недостатком использования цилиндрического вкладыша является то, что данное устройство не во всех случаях может положительно влиять на стабилизацию рабочего процесса в камере сгорания, так как физика воздействия основана на увеличении скорости газа (из-за уменьшения диаметра камеры), а воздействие этого параметра на характеристики устойчивости может быть неоднозначно при использовании различных компонентов топлива и режимов работы камеры сгорания. Кроме того, наличие цилиндрического вкладыша нарушает пристеночный слой, организованный от головки камеры сгорания для ее тепловой защиты, что может потребовать доработки системы охлаждения камеры, а это нежелательно при использовании устройства на уже созданных двигателях.

Задачей предлагаемых изобретений является возможность предотвращения вибрационного горения, то есть подавления высокочастотных колебаний в камерах сгорания и, как следствие, увеличение надежности двигателей, которые уже находятся в серийном производстве и эксплуатации.

Техническим результатом, достигнутым в изобретении, является снижение амплитуд пульсаций давления в камере сгорания до уровня шумов или до некоторого перепада, допустимого по условиям конструкторской документации.

Поставленная задача во всех вариантах решается за счет того, что на смесительной головке устанавливается устройство подавления колебаний.

В первом варианте устройство подавления колебаний выполнено перфорированным в виде полого тонкостенного усеченного конуса с равномерно расположенными радиальными пластинами, проходящими сквозь боковую поверхность конуса и примыкающими к внутренней стенке камеры сгорания и огневому днищу смесительной головки, при этом меньший диаметр усеченного конуса, примыкающий к огневому днищу, равен диаметру окружности, проходящей по внешней границе сопел форсунок периферийного ряда, а противоположный ему диаметр усеченного конуса образует с внутренней стенкой камеры сгорания зазор не более 0,4 расстояния от стенки камеры сгорания до внешней границы сопел периферийного ряда форсунок или высоте пластин в радиальном направлении.

Во втором варианте устройство подавления колебаний выполнено в виде вкладыша из жаропрочного материала, при этом внутренний диаметр торца вкладыша, примыкающего к огневому днищу, равен диаметру окружности, проходящей по внешней границе сопел форсунок периферийного ряда, а наружный диаметр торца и противоположный ему по оси камеры диаметр вкладыша совпадает с внутренним диаметром камеры сгорания, длина вкладыша в 2 - 2,5 раза больше расстояния от стенки камеры сгорания до внешней границы сопел периферийного ряда форсунок. В качестве жаропрочного материала для вкладыша может быть использован композиционный материал.

Первый вариант изобретения иллюстрируют фиг. 1 - 3; второй вариант - фиг. 4 - 6.

На фиг. 1 представлена цилиндрическая часть и смесительная головка камеры сгорания в разрезе с устройством для подавления ВЧ-колебаний.

На фиг. 2 представлен амплитудно-частотный спектр пульсаций давления в экспериментальной камере сгорания, работающей без устройства подавления ВЧ-колебаний.

На фиг. 3 представлен амплитудно-частотный спектр пульсаций давления в камере с устройством подавления ВЧ колебаний.

На фиг. 4 представлена камера сгорания с вкладышем из жаропрочного композиционного материала.

На фиг. 5 представлены амплитуды пульсаций первой тангенциальной моды колебаний в экспериментальной камере сгорания без вкладыша.

На фиг. 6 представлены амплитуды пульсаций первой тангенциальной моды в камере с вкладышем.

Предлагаемое устройство для подавления поперечных мод высокочастотных колебаний давления устанавливается в периферийной пристеночной зоне на форсуночной головке (фиг. 1). Устройство состоит из перфорированного полого тонкостенного усеченного конуса 1 и равномерно расположенных радиальных перфорированных пластин 2, проходящих сквозь боковую поверхность конуса 1. Пластины 2 примыкают вплотную к внутренней стенке камеры сгорания 3 и огневому днищу смесительной головки 4. Усеченный конус 1 своим торцом меньшего диаметра 5 примыкает к огневому днищу 4, при этом меньший диаметр усеченного конуса равен диаметру окружности, проходящей по внешней границе сопел форсунок периферийного ряда 6. Противоположный, удаленный от огневого днища форсуночной головки торец усеченного конуса большего диаметра 7 образует с внутренней стенкой 3 камеры сгорания зазор (h₃), размер которого не превышает 0,4 высоты пластин 2 в радиальном направлении (h).

Предлагаемая камера сгорания (фиг. 4) содержит смесительную головку 1 с периферийной зоной 2, которая ограничивается с одной стороны рядом форсунок 3, а с другой стороны внутренней стенкой 4 камеры сгорания. Вкладыш 5 устанавливается вплотную к огневому днищу 6 смесительной головки и внутренней стенке камеры сгорания 4. Вкладыш выполнен из жаропрочного материала и установлен так, что торец вкладыша, примыкающий к огневому днищу, имеет внутренний диаметр, равный диаметру окружности, проходящей по внешней границе сопел 7 форсунок периферийного ряда 3. Вкладыш имеет расширяющуюся конфигурацию и выходная кромка вкладыша 8 имеет диаметр, совпадающий с диаметром внутренней стенки камеры сгорания 4.

Длина вкладыша в 2 - 2,5 раза больше расстояния от стенки камеры сгорания 4 до внешней границы сопел 7 периферийного ряда форсунок.

Работа устройства по первому варианту заключается в следующем.

На высокочастотную устойчивость процесса горения в камере сгорания большое влияние оказывает организация рабочего процесса в пристеночной зоне на периферии форсуночной головки, особенно в так называемой рециркуляционной зоне, возникающей в области стыка форсуночной головки и внутренней стенки камеры сгорания. Для защиты от прогара внутренней стенки камеры сгорания форсуночные головки изготавливают таким образом, чтобы они обеспечивали распределение компонентов вблизи стенок (и соответственно в рециркуляционной пристеночной зоне), при котором в пристенке создается зона пониженной температуры. В этом области и располагается предложенное антипульсационное устройство, которое вследствие низких температур может выполняться неохлаждаемым. Антипульсационные перегородки, расположенные на огневом днище предназначаются для подавления высокочастотных поперечных мод колебаний. Эти моды характеризуются тангенциальным или радиальным движением газа вдоль огневого днища, при этом большая часть энергии акустической волны и максимальные скорости движения частиц (особенно для тангенциальных мод колебаний) сосредоточиваются вблизи периферии камеры сгорания. Установка антипульсационного устройства в периферийной зоне смесительной головки будет препятствовать движению частиц, то есть распространению акустических волн поперечных форм колебаний, создавая потери акустической энергии за счет образования вихрей и эффектов их отрыва, а также трения при обтекании колеблющихся газом перфорированных усеченного конуса 1 и радиальных пластин 2 (фиг. 1). Таким образом, предлагаемое устройство будет рассеивать акустическую энергию, генерируемую рабочим процессом, и устранять явления ВЧ неустойчивости.

Эффективность подавления ВЧ-колебаний с помощью предлагаемого устройства (фиг. 1) проверялась в Центре Келдыша на экспериментальной камере сгорания. Установка запускалась на режим, при котором в камере сгорания без антипульсационного устройства возникали высокочастотные колебания первой тангенциальной моды. На фиг. 2 показан амплитудно-частотный спектр таких колебаний. Пульсаций первой тангенциальной моды частотой f = 1200 Гц (1 на фиг. 2) достигали значений δP = 1 кг/см², что для условий эксперимента составляло около 20% от стационарного давления в камере сгорания (колебания такой же интенсивности наблюдается в натурных ЖРД). В камере сгорания с антипульсационным устройством ВЧ-колебания первой тенгенциальной моды не возникали. Режим работы установки при этом не изменялся. Как видно из амплитудно-частотного, показанного на фиг. 3, колебания с частотой f = 1200 Гц отсутствуют.

Второй вариант устройства, выполненного в виде расширяющего вкладыша (фиг. 4), устраняет пристеночную рециркуляционную зону на периферии головки камеры сгорания, делая течение безотрывным и тем самым улучшает характеристики ВЧ устойчивости относительно тангенциальных форм колебаний, так как в месте образования отрывной рециркуляционной пристеночной зоны небольшие изменения локального соотношения компонентов существенно сказываются на скорости затухания колебаний, поскольку именно здесь расположены пучности давления тангенциальных, радиальных и продольных мод колебаний, существенно влияющих на физико-химические процессы горения, а следовательно, на устойчивость работы камеры сгорания. Кроме этого, поверхность вкладыша, выполненного из композиционного материала, обладает хорошими звукопоглощающими свойствами, что способствует рассеиванию энергии акустических колебаний при отражении от поверхности вкладыша 5 и, таким образом, способствует стабилизации процесса горения.

Эффективность подавления ВЧ-колебаний тангенциальных форм с помощью вкладыша проверялось на специальной установке в Центре Келдыша. При работе камеры сгорания без вкладыша возникали ВЧ-колебания первой тенгенциальной моды интенсивностью δP_кс = 0,8 - 1 кг/см² (фиг. 5). При установке вкладыша на тех же режимах камера работала устойчиво, амплитуды колебаний первой тенгенциальной моды уменьшились в ≈ 4 раза практически до уровня шумов (фиг. 6).

Источники информации
1. Неустойчивость горения в ЖРД / Под ред. Д.Т.Харрье и Ф.Г.Рирдона. - М.: Мир 1975, с. 542,553.

2 Патент США N 3200589, кл. 60-39.46, 1965.

3. Неустойчивость горения в ЖРД / Под ред. Д.Т.Харрье и Ф.Г.Рирдона. - М.: Мир 1975, с. 606.

4. Там же, с. 607.

Камера сгорания и ее вариант, относящиеся к ракетной технике и в частности к жидкостным ракетным двигателям, содержит смесительную головку и устройство подавления колебаний. При первом варианте устройство подавления колебаний выполнено перфорированным в виде полого тонкостенного усеченного конуса с равномерно расположенными радиальными пластинами. При втором варианте устройство подавления колебаний выполнено в виде вкладыша, установленного вплотную к огневому днищу смесительной головки с перфорированной зоной. В изобретении оговаривают размеры выполнения полого тонкостенного усеченного конуса и вкладыша. Такое выполнение камеры сгорания и ее варианта приводит к повышению эффективности подавления высокочастотных колебаний. 2 c. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Камера сгорания, содержащая смесительную головку с устройством подавления колебаний, отличающаяся тем, что устройство подавления колебаний выполнено перфорированным в виде полого тонкостенного усеченного конуса с равномерно расположенными радиальными пластинами, проходящими сквозь боковую поверхность конуса и примыкающими к внутренней стенке камеры сгорания и огневому днищу смесительной головки, при этом меньший диаметр усеченного конуса, примыкающий к огневому днищу, равен диаметру окружности, проходящей по внешней границе сопл форсунок периферийного ряда, а противоположный ему диаметр усеченного конуса образует с внутренней стенкой камеры сгорания зазор не более 0,4 расстояния от стенки камеры сгорания до внешней границы сопл периферийного ряда форсунок или высоте пластин в радиальном направлении. 2. Камера сгорания, содержащая смесительную головку с периферийной зоной, ограниченной рядом форсунок и стенкой камеры сгорания, и вкладыш, установленный вплотную к огневому днищу смесительной головки и стенке камеры сгорания, отличающаяся тем, что вкладыш выполнен из жаропрочного материала, при этом внутренний диаметр торца вкладыша, примыкающего к огневому днищу, равен диаметру окружности, проходящей по внешней границе сопл форсунок периферийного ряда, а противоположный ему по оси камеры диаметр выходной кромки вкладыша совпадает с внутренним диаметром камеры сгорания, причем длина вкладыша в 2 - 2,5 раза больше расстояния от стенки камеры сгорания до внешней границы сопл периферийного ряда форсунок. 3. Камера по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве жаропрочного материала для вкладыша используют композиционный материал.