СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ В ГИПЕРЗВУКОВОМ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2016 года по МПК F02K7/12 B82Y30/00 

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД), и может быть использовано в силовых установках гиперзвуковых летательных аппаратов, использующих кислород воздуха в качестве окислителя.

В авиационно-космической отрасли в настоящее время особенную актуальность приобретают работы в области создания двигателей для гиперзвуковых и аэрокосмических летательных аппаратов (ЛА). Важным направлением является увеличение удельной тяги ГПВРД. Рабочие высоты полета ЛА с ГПВРД составляют порядка 30-60 км с характерными числами Маха полета М=4-8 (M=U/a, где U - скорость полета, a - скорость звука). Обычно в качестве топлива для ГПВРД рассматривают сжиженный водород, сжигание которого приводит в основном к образованию паров воды.

Известен ГПВРД, в котором в качестве топлива используется водород, инкапсулированный в углеродные нанотрубки (патент РФ №2516735). Углеродные нанотрубки подаются в камеру сгорания двумя способами - через перфорированные стенки и через форсунки. Изобретение позволяет улучшить подготовку топливовоздушной смеси, повысить полноту сгорания топлива и топливную эффективность двигателя.

Недостатками изобретения являются использование перфорированных стенок камеры сгорания, которые трудоемки в изготовлении. Мелкие отверстия перфорации подвержены засорению, что может привести к возникновению аварийной ситуации в условиях эксплуатации. Представляется также, что процесс получения углеродных нанотрубок с капсулированным в них водородом весьма трудоемок и дорогостоящ. Кроме того, на больших высотах тяга известного ГПВРД резко падает из-за нехватки кислорода воздуха для окисления топлива. Попытки увеличить подачу воздуха в камеру сгорания приводят к увеличению габаритных размеров и массы двигателя.

Форсирование ГПВРД по тяги двигателя возможно за счет использования металлического порошкообразного или металлизированного желеобразного горючего, обладающего значительным объемным тепловыделением. Металлическое или металлизированное горючее позволяет создать принципиально новые высокоэффективные ГПВРД. Преимущества двигателей на порошкообразном металлическом или желеобразном металлизированном горючем, использующих в качестве окислителя атмосферный воздух, состоят в том, что они обеспечивают высокие тактико-технические характеристики, могут использоваться в широких диапазонах скоростей, при этом они надежны в обращении и хранении.

Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель (патент РФ №2439358). Двигатель содержит систему подачи горючего, включающую топливный бак с металлическим порошкообразным горючим и перфорированным поршнем. Камера сгорания состоит из форкамеры, с размещенным на входе камеры дозатором, осуществляющим подачу горючего с заданным расходом, воспламенителем и камеры окончательного дожигания топлива. Форкамера и камера окончательного дожигания имеют каналы для подачи воздуха. Изобретение позволяет повысить объемную энергоотдачу двигательной установки путем обеспечения более полного сгорания топлива.

Недостатком данного технического решения является необходимость оснащения двигателя газогенератором, обеспечивающий запуск системы подачи порошкообразного металлического горючего, что увеличивает металлоемкость и вес двигателя в целом.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ организации горения в ГПВРД, раскрытый в патенте США №5546745. В известном ГПВРД осуществляется подача первичного и вторичного горючего в разные зоны камеры сгорания. Первичный объем горючего подается в головную часть камеры сгорания, а вторичный объем горючего подвергается дополнительной обработке электрическим разрядом и подается в объем камеры сгорания ниже по потоку. Изобретение обеспечивает расширение полетных чисел Маха и улучшает эффективность работы двигателя.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что форсирование двигателя с целью увеличения его удельной тяги при использовании одного вида топлива, в частности водорода, потребует большего удельного расхода воздуха, а недостаток кислорода на больших высотах ограничит возможности применения ГПВРД. Мероприятия по увеличению расхода потребляемого воздуха повлекут за собой соответствующее увеличение габаритных размеров двигателя и его веса.

Задача изобретения заключается в форсировании двигателя, увеличении его высотности при сохранении габаритных размеров ГПВРД.

Одним из перспективных подходов к форсированию ГПВРД является впрыск наночастиц алюминия в тракт двигателя между зоной горения топлива и соплом. Частицы алюминия могут вступать в реакцию окисления с парами воды с выделением значительного количества тепла, передавая при расширении продуктов сгорания в сопле дополнительный импульс струе. Преимущество такого способа форсирования ГПВРД заключается в том, что не требуется дополнительного расхода воздуха для окисления алюминия, т.к. на высоте H>30 км воздух сильно разрежен, и обеспечить дополнительную подачу воздуха проблематично.

Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении удельной тяги двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в способе организации горения в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе, заключающемся в том, что подают воздух и первичное горючее в камеру сгорания и обеспечивают образование первичной горючей смеси, подают окислитель и вторичное горючее в камеру сгорания и обеспечивают образование вторичной горючей смеси, согласно изобретению камеру сгорания формируют в виде последовательно расположенных и газодинамически связанных между собой основной и дополнительной камер сгорания, обеспечивают горение первичной горючей смеси в основной камере сгорания, а вторичной горючей смеси - в дополнительной камере сгорания, при этом в качестве окислителя для вторичного горючего используют продукты сгорания, образующиеся в основной камере сгорания.

Предпочтительно использовать в качестве первичного горючего водород, а в качестве вторичного горючего - неоксидированные наночастицы алюминия, причем желательно, чтобы радиус наночастиц алюминия составлял не более 25 нанометров.

Предпочтительно также обеспечивать защиту наночастиц алюминия от окисления путем нанесения антиоксидантного покрытия, причем целесообразно антиоксидантное покрытие использовать в качестве дополнительного вторичного горючего.

В частных случаях осуществления изобретения антиоксидантное покрытие может быть выполнено из карбида алюминия, а его толщина может составлять 2-5 нанометров.

В заявленном способе поставленная задача решается применением двухстадийного горения (первая стадия - сжигание водорода в воздухе, вторая стадия - сжигания наночастиц алюминия в продуктах первичного горения), причем на второй стадии не требуется кислород, т.е. при прочих равных условиях диапазон рабочих высот двигателя будет больше, что выгодно отличает данное изобретение от известных аналогов. Кроме того, для увеличения энергоемкости топлива ограничивается радиус частиц алюминия - менее 25 нм, что приводит к полному их сгоранию с большим тепловыделением, а также уточняется, что они должны быть не оксидированы, а их защита от окисления - антиоксидантное покрытие толщиной 2-5 нм должно быть выполнено из известного материала AlC₃ (карбид алюминия), который может окисляться с выделением тепла.

Изобретение поясняется подробным описанием со ссылкой на чертежи, где на фиг. 1 показана схема ГПВРД, на фиг. 2 - зависимость размера частиц оксида алюминия (Al₂O₃), образующихся в продуктах сгорания в дополнительной камере от отношения времени пребывания газа в камере к времени индукции.

На фиг. 1 использованы следующие обозначения:

1 - обечайка ГПВРД;

2 - поток воздуха;

3 - воздухозаборник;

4 - центральное тело;

5 - основная камера сгорания;

6 - расширяющийся участок газового тракта ГПВРД;

7 - дополнительная камера сгорания;

8 - канал подачи наночастиц алюминия;

9 - поток вторичных продуктов сгорания;

10 - сверхзвуковое сопло;

11 - канал подачи водорода;

12 - система скачков уплотнения.

Внешняя часть двигателя представляет собой обечайку 1 круглого или прямоугольного сечения. Воздух 2 поступает в воздухозаборник 3, где сжимается до необходимой степени сжатия в сужающемся канале, образованным обечайкой воздухозаборника 3 и центральным телом 4. Тело 4 может быть выполнено осесимметричным или клиновидным.

После воздухозаборника 3 расположена основная камера сгорания 5, которая соединена расширяющимся участком газового тракта 6 с дополнительной камерой сгорания 7. На передних кромках воздухозаборника 3 и центрального тела 4 при сверхзвуковой скорости полета реализуется система скачков уплотнения 12.

Первичное горючее, в качестве которого используется водород, подается в основную камеру сгорания 5 по каналу 11. Вторичное горючее - наночастицы алюминия - подается в дополнительную камеру сгорания 7 по каналу 8. Поток вторичных продуктов сгорания 9 выходит из двигателя через сверхзвуковое сопло 10.

Заявленный способ организации горения в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе реализуется следующим образом.

Воздух 2 на крейсерском режиме полета при давлении P=0,01 атм, температуре T=250 K, числе Маха М=4-8 поступает в воздухозаборник 3, где в канале воздухозаборника, образованного обечайкой и центральным телом 4, сжимается до необходимой степени сжатия (во внутреннем контуре давление P=0,1 атм, температура T=700-1400 K). Водород (первичное топливо) поступает по каналу 11 через пилоны (на фиг. 1 не показано) в основную камеру сгорания 5 традиционным образом. Водород, смешиваясь со сжатым воздухом 2, поступающим из воздухозаборника 3, образует в основной камере сгорания 5 первичную горючую смесь.

Камера сгорания 5, по сути, является также химическим реактором постоянного давления для наработки паров воды при температуре T=2700 K, использующихся после расширения в дополнительной камере сгорания 7 после расширения в качестве окислителя для неоксидированных наночастиц алюминия. В дополнительную камеру сгорания 7 по каналу 8 через форсунки (на фиг. 1 не показаны) подаются неоксидированные наночастицы алюминия в потоке воздуха 8, отобранного из воздухозаборника 3. Количество воздуха, необходимого для инжектирования наночастиц алюминия, составляет не более 1% от общего расхода воздуха. Наночастицы алюминия, смешиваясь с продуктами сгорания, поступающими из основной камеры сгорания 5 через расширяющийся участок 6 газового тракта ГПВРД, образуют в дополнительной камере сгорания 7 вторичную горючую смесь. Газовый тракт ГПВРД профилируется таким образом, чтобы температура и давление в камере сгорания 7 обеспечивали протекание реакции окисления наночастиц алюминия. В проектируемом двигателе эти параметры составляют: T=1300 K и P=0,1 атм.

Пары воды при заданных условиях (см. выше), вступая в реакцию окисления с наночастицами алюминия в дополнительной камере сгорания 7, генерируют вторичные продукты горения: молекулярный водород и оксид алюминия. Вторичные продукты сгорания содержат также азот и его оксиды, поступающие через расщепляющееся сопло 6 вместе с первичными продуктами сгорания. Температура вторичных продуктов сгорания при стехиометрическом окислении алюминия в зоне горения достигает 3100 K. Поток вторичных продуктов сгорания 9, истекая из сверхзвукового сопла 10, создает дополнительную тягу при расширении, а температура продуктов сгорания падает в сопле до 600-800 K.

Расчеты показывают, что при такой организации горения в дополнительной камере 7 достигается достаточно высокая работоспособность (Ae) вторичных продуктов сгорания при P=0,1 атм.

Продукты сгорания реагентов Al с H₂O на выходе из камеры 7 представляют собой смесь H₂ и частиц Al₂O₃ в жидкой фазе в присутствии азота, т.к. получены при условии горения стехиометрической смеси алюминия и паров воды (Al/H₂O/N₂=2/3/5,64). Работоспособность продуктов сгорания Ae определяется выражением R·ΔTe/µ, где R - газовая постоянная, ΔTe=T_a-T_c=3100 K-800 K(600 K)=2300 K÷2500 K, где T_a - температура адиабатического горения, а T_c - температура продуктов сгорания в выходном сечении сопла 10, µ=27 г/моль - молекулярная масса вторичных продуктов сгорания. При указанных условиях Ae=710-770 кДж/кг.

Сравним их работоспособность с работоспособностью первичных продуктов сгорания.

Продукты стехиометрического горения H₂ в воздухе при P=0,1 атм представляют собой смесь воды и азота H₂O/N₂=2/3,76. Работоспособность первичных продуктов сгорания равна Ae′=475 кДж/кг, т.к. , где - температура адиабатического горения, а $$T_c^{\text{'}}$$ - температура продуктов сгорания перед дополнительной камерой сгорания 7, µ′=24,5 г/моль - молекулярная масса первичных продуктов сгорания.

Как видим, суммарная работоспособность, а, значит, и удельная тяга будут возрастать примерно в 2,5 раза при впрыске наночастиц алюминия.

В изобретении задача решается использованием в качестве форсажного горючего неоксидированных частиц алюминия нанометрового размера с радиусом, не превышающим 25 нм.

Реакция окисления стехиометрической смеси алюминия с водой 2Al+3H₂O=>Al₂O₃+3H₂ идет с выделением значительного количества тепла Q=481кДж/моль и при этом образуется большое количество водорода. Выделяемое в результате сгорания наночастиц Al в смеси H₂O тепло конвертируется в дополнительную тягу. В результате контакта неоксидированного алюминия с парами воды, частицы покрываются оксидной пленкой, образующейся очень быстро и препятствующей дальнейшему окислению (температура кипения оксидной пленки 2380 K). При определенных размерах неоксидированных частиц Al (радиус менее 25 нм) реакция окисления поверхности частиц происходит с таким большим тепловыделением, что частица не успевает отдавать тепло во внешнее пространство и алюминий внутри частицы вскипает и, расширяясь, разрушает оксидный слой. При этом алюминий атомизируется и вступает в реакции с H₂O в газовой или жидкой фазе. В этом случае, в отличие от горения частиц микрометрового размера, алюминий практически полностью сгорает в парах воды, которые являются первичными продуктами горения водорода в воздухе.

При горении наночастиц Al жидкие частицы Al₂O₃ в продуктах сгорания образуются через механизм гомогенной нуклеации и, как показали расчеты, за время пребывания смеси в дополнительной камере 7 при давлении P=0,1-0,5 атм и температуре T=3100 K их размер не успевает значительно возрасти (см. фиг. 2, где показана зависимость среднего радиуса жидких частиц Al₂O₃ в продуктах сгорания от относительного времени t^*=τ_к.с./τ_инд., где τ_к.с. - время пребывания газа в камере сгорания, τ_инд. - время задержки воспламенения или время индукции). Время задержки воспламенения атомизированного газообразного алюминия в этих условиях составляет ~60 мкс, а скорость потока достигает ~3 км/с, поэтому дистанция воспламенения ~0,2 м. Таким образом, можно считать, что длина дополнительной камеры сгорания не превышает 0,5 м (значительно меньше 2 м) и не существенно удлиняет тракт ГПВРД, а основная масса жидких частиц Al₂O₃ будет иметь размер менее 40-50 нм (на дистанции менее 2 м). Такие частицы обладают малыми временами тепловой и динамической релаксации (~10^-7-10^-6 с) и не приводят к заметным потерям в удельном импульсе, обусловленных различными скоростями и температурами газофазного и жидкофазного континуумов (потери на двухфазность).

При горении же частиц Al микрометрового размера реализуется не кинетический, а диффузионный (существенно более медленный) режим горения и частицы в этом случае выгорают не полностью (остаются мельчайшие частички с размером 10-15 нм). В этом случае образование жидкой фазы Al₂O₃ в продуктах сгорания происходит за счет гетерогенной конденсации и образующиеся частицы достигают микронных размеров (10-50 мкм). Такие частицы обладают очень большими временами тепловой и динамической релаксации, что приводит к большим потерям на двухфазность, т.е. к невозможности преобразования всей выделившейся в процессе горения энергии в удельный импульс.

В ГПВРД предлагается хранить на борту ЛА и подавать по топливным магистралям неоксидированные наночастицы Al с радиусом менее 25 нм с покрытием из карбида алюминия (AlC₃) толщиной 2-5 нм. Такое покрытие (антиоксидантный протектор) из карбида алюминия препятствует оксидированию частиц алюминия при хранении и в то же время само сгорает с выделением значительного количества тепла в дополнительной камере сгорания 7. Покрытие может быть нанесено на частицы алюминия методом плазменного напыления.

Изобретение относится к энергетике. Способ организации горения в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе, заключающийся в том, что подают воздух и первичное горючее в камеру сгорания и обеспечивают образование первичной горючей смеси, подают окислитель и вторичное горючее в камеру сгорания и обеспечивают образование вторичной горючей смеси, причем камеру сгорания формируют в виде последовательно расположенных и газодинамически связанных между собой основной и дополнительной камер сгорания, обеспечивают горение первичной горючей смеси в основной камере сгорания, а вторичной горючей смеси - в дополнительной камере сгорания, при этом в качестве первичного горючего используют водород, в качестве вторичного горючего - неоксидированные наночастицы алюминия, и используют продукты сгорания, образующиеся в основной камере сгорания в качестве окислителя для наночастиц алюминия. Изобретение позволяет форсировать двигатель, увеличить его высотность при сохранении габаритных размеров гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ организации горения в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе, заключающийся в том, что подают воздух и первичное горючее в камеру сгорания и обеспечивают образование первичной горючей смеси, подают окислитель и вторичное горючее в камеру сгорания и обеспечивают образование вторичной горючей смеси, отличающийся тем, что камеру сгорания формируют в виде последовательно расположенных и газодинамически связанных между собой основной и дополнительной камер сгорания, обеспечивают горение первичной горючей смеси в основной камере сгорания, а вторичной горючей смеси - в дополнительной камере сгорания, при этом в качестве первичного горючего используют водород, в качестве вторичного горючего - неоксидированные наночастицы алюминия, и используют продукты сгорания, образующиеся в основной камере сгорания в качестве окислителя для наночастиц алюминия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что радиус наночастиц алюминия составляет не более 25 нм.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что защиту наночастиц алюминия от окисления обеспечивают путем нанесения антиоксидантного покрытия, причем антиоксидантное покрытие используют в качестве дополнительного вторичного горючего.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что антиоксидантное покрытие выполнено из карбида алюминия.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что толщина антиоксидантного покрытия составляет 2-5 нм.