СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ СВЕРХЗВУКОВОГО ПРЯМОТОЧНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F02K7/08 G01M15/00 

Изобретение относится к силовым установкам авиационной и ракетной техники, в которых рабочее тело используется только для создания реактивной струи.

Полнота сгорания топливной смеси может определяться несколькими способами: анализом проб, отобранных из тракта двигателя; 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.

В высокоэнтальпийных двигателях применение первых двух способов связано с серьезными трудностями, что не позволяет использовать их с достаточной степенью надежности.

Определение достоверной полноты сгорания по концентрации компонентов продуктов сгорания расчетным путем является крайне ненадежным, так как содержит ряд допущений сильно схематизирующих процесс горения при выводе расчетных соотношений. Это создает совокупность погрешностей, включая погрешность измерения температуры, препятствующих применению способа для достаточно точного определения полноты сгорания, которое требуется для сверхзвуковых и, в особенности, для гиперзвуковых прямоточных двигателей.

Под полнотой сгорания понимается отношение приращения полной энтальпии сгоревшего топлива к полной энтальпии исходного количества топливной смеси.

Известен способ определения полноты сгорания топливной смеси по температуре продуктов сгорания [William H. Heiser, David T. Pratt. Hypersonic Airbreathing Propulsion. AIAA Education Series. 1994, p.330.331] расчетным путем. Недостатком температурного способа являются его особенности, ограничивающие применение способа по величине температуры, вследствие чего способ оказывается непригодным для высокотемпературных гиперзвуковых прямоточных двигателей.

Наиболее близким к заявленному способу является расчетный способ определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания СПВРД [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] с привлечением результатов измерения статических давлений в пристеночном слое. Недостатком этого газодинамического способа является очень малая достоверность, так как рассчитать истинную полноту сгорания фактически по одному параметру (давлению) при весьма сложной картине течения в камере сгорания и еще более сложном процессе горения, где присутствуют такие явления как диссоциация, рекомбинация, которые в данном способе должны бы быть отражены в виде системы многих уравнений весьма громоздкой в своем решении. Это уменьшает точность полученного результата. Тем более, если полученные зависимости для удобства пользования подвергаются искусственному «сглаживанию».

В основу изобретения положено решение задач повышения точности, надежности и упрощения способа определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания СПВРД.

Поставленные задачи для заявленного способа определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания СПВРД решаются тем, что в камеру сгорания подают поток воздуха и топливо. Осуществляют процесс горения топливной смеси. Измеряют параметры работы двигателя. Вычисляют полноту сгорания топливной смеси.

Согласно изобретению двигатель жестко соединяют с горизонтальной мерительной платформой. Платформу устанавливают на поперечные упругие опоры и соединяют с датчиком силы. Датчик силы тарируют грузом заданной массы и измеряют усилие на датчике силы. После чего подают холодный воздух на вход в камеру сгорания. Измеряют усилие на датчике силы. Потом дополнительно подают в камеру сгорания топливо. Воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы. Затем вычисляют полноту сгорания топливной смеси по соотношению

где η - полнота сгорания топливной смеси;

ΔR - разность усилий, измеряемых датчиком силы при горении в камере топливной смеси и при подаче в камеру только холодного воздуха (полезный импульс потока);

G_B - секундный расход воздуха;

λ_X - приведенная скорость холодного воздуха на выходе из сопла двигателя;

Z(λ_X) - газодинамическая функция, определяется по газодинамическим таблицам по величине ;

F_KP - площадь критического сечения сопла двигателя;

F_C - площадь выходного сечения сопла двигателя;

K_X - показатель адиабаты холодного воздуха;

$$i_X^{*}$$ - удельная полная энтальпия холодного воздуха;

G_гор - секундный расход горючего;

λ_Г - приведенная скорость продуктов сгорания на выходе из сопла двигателя;

Z(λ_Г) - газодинамическая функция, определяется по газодинамическим таблицам по величине ;

К_Г - показатель адиабаты продуктов сгорания;

α - коэффициент избытка воздуха;

H_u - теплотворная способность горючего.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:

- жесткое сопряжение двигателя с горизонтальной мерительной платформой, где платформу устанавливают на поперечные упругие опоры и соединяют с датчиком силы обеспечивает упрощение способа определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания СПВРД;

- тарирование датчика силы грузом заданной массы и измерение усилий на датчике силы обеспечивает повышение точности и надежности замеров для определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания;

- подача холодного воздуха в камеру сгорания и измерение усилия на датчике силы, а затем последовательная подача в камеру сгорания топлива, воспламенение и сжигание топливной смеси, измерение усилия на датчике силы позволяет непосредственно определить действительное значение полезного импульса и повысить точность последующего определения полноты сгорания топлива в камере сгорания;

- впервые выведенное соотношение для полезного импульса потока позволяет установить по результатам измерения энтальпию горячего потока на выходе из двигателя, что в отличие от чисто расчетных способов, повышает точность определения полноты сгорания топлива.

Настоящее изобретение поясняется последующим описанием конструкции устройства и способа определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания СПВРД со ссылкой на чертеж.

Способ определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания 1 сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя 2 заключается в том, что перед работой двигатель 2 жестко соединяют с горизонтальной мерительной платформой 3. Платформу 3 устанавливают на поперечные упругие опоры 4 и соединяют с датчиком силы 5. Датчик силы 5 тарируют грузом 6 заданной массы. Измеряют усилие на датчике силы 5. После чего подают холодный воздух в камеру сгорания 1. Измеряют усилие на датчике силы 5. Потом дополнительно подают в камеру сгорания 1 топливо (подача топлива не показана). Воспламеняют образовавшуюся топливную смесь. Осуществляют процесс горения в камере сгорания 1 топливной смеси. Продукты сгорания направляют через критическое сечение 7 и выходное сечение 8 сопла 9 в атмосферу. В процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы 5. Затем вычисляют полноту сгорания топливной смеси по заданному соотношению.

где η - полнота сгорания топливной смеси;

ΔR - разность усилий, измеряемых датчиком силы при горении в камере топливной смеси и при подаче в камеру только холодного воздуха (полезный импульс потока);

G_B - секундный расход воздуха;

λ_X - приведенная скорость холодного воздуха на выходе из сопла двигателя;

Z(λ_X) - газодинамическая функция, определяется по газодинамическим таблицам по величине ;

F_KP - площадь критического сечения сопла двигателя;

F_C - площадь выходного сечения сопла двигателя;

K_X - показатель адиабаты холодного воздуха;

$$i_X^{*}$$ - удельная полная энтальпия холодного воздуха;

G_гop - секундный расход горючего;

λ_Г - приведенная скорость продуктов сгорания на выходе из сопла двигателя;

Z(λ_Г) - газодинамическая функция, определяется по газодинамическим таблицам по величине ;

К_Г - показатель адиабаты продуктов сгорания;

α - коэффициент избытка воздуха;

H_u - теплотворная способность горючего.

Предложенный способ повышает точность и упрощает определение полноты сгорания топливной смеси, проверен при экспериментальных исследованиях моделей камер сгорания сверхзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

Способ определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя заключается в том, что двигатель жестко соединяют с горизонтальной мерительной платформой, платформу устанавливают на поперечные упругие опоры и соединяют с датчиком силы. Датчик силы тарируют грузом заданной массы и измеряют усилие на датчике силы. После этого подают холодный воздух на вход в камеру сгорания и измеряют усилие на датчике силы. Потом дополнительно подают в камеру сгорания топливо, воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы, затем вычисляют полноту сгорания топливной смеси по соотношению, защищаемому настоящим изобретением. Изобретение позволяет повысить точность, надежность и упростить определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. 1 ил.

Способ определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, заключающийся в том, что в камеру сгорания подают поток воздуха и топливо, осуществляют процесс горения топливной смеси, измеряют параметры работы двигателя и вычисляют полноту сгорания топливной смеси, отличающийся тем, что двигатель жестко соединяют с горизонтальной мерительной платформой, платформу устанавливают на поперечные упругие опоры и соединяют с датчиком силы, где датчик силы тарируют грузом заданной массы и измеряют усилие на датчике силы, после чего подают холодный воздух на вход в камеру сгорания и измеряют усилие на датчике силы, потом дополнительно подают в камеру сгорания топливо, воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы, затем вычисляют полноту сгорания топливной смеси по соотношению
$$\eta =\frac{{\left[\frac{2\Delta R+G_B\cdot Z({\lambda }_X)\sqrt{(K_X^2-1)i_x}}{(G_B+G_{гор})Z({\lambda }_{г})\sqrt{(K_{Г}^2-1)}}\right]}^2-i_x^{*}}{\alpha \cdot H_u\cdot G_{гор}},$$
где η - полнота сгорания топливной смеси;
ΔR - разность усилий, измеряемых датчиком силы при горении в камере топливной смеси и при подаче в камеру только холодного воздуха (полезный импульс потока);
G_B - секундный расход воздуха;
λ_X - приведенная скорость холодного воздуха на выходе из сопла двигателя;
Z(λ_X) - газодинамическая функция, определяется по газодинамическим таблицам по величине $$q({\lambda }_X)=\frac{F_{KP}}{F_C}$$ ;
F_KP - площадь критического сечения сопла двигателя;
F_C - площадь выходного сечения сопла двигателя;
K_X - показатель адиабаты холодного воздуха;
$$i_X^{*}$$ - удельная полная энтальпия холодного воздуха;
G_гop - секундный расход горючего;
λ_Г - приведенная скорость продуктов сгорания на выходе из сопла двигателя;
Z(λ_Г) - газодинамическая функция, определяется по газодинамическим таблицам по величине $$q({\lambda }_{Г})=\frac{F_{KP}}{F_C}$$ ;
К_Г - показатель адиабаты продуктов сгорания;
α - коэффициент избытка воздуха;
H_u - теплотворная способность горючего.