Стенд для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания Российский патент 2020 года по МПК G01M15/14 

Описание патента на изобретение RU2730542C2

Изобретение относится к области авиационной техники и касается, в частности, экспериментальных установок, предназначенных для исследования термохимической конверсии топлива и аэродинамических характеристик камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).

В основе технологии термохимической конверсии топлива лежит использование термохимического разложения углеводородного топлива (конверсия) на высокоактивные компоненты: Н2, СО, СН4, и др. В этом случае в камеру сгорания будут поступать продукты термохимического разложения топлива в виде высокотемпературной газовой смеси, наличие которой должно существенно уменьшить время индукции химических реакций в камере сгорания. Кроме того, окисление (сжигание) водорода и оксида углерода является менее необратимым химическим процессом по сравнению с окислением углеводорода, что позволяет увеличить КПД ПВРД. Термохимическая конверсия топлива может осуществляться в системе двигательной установки в специально встроенном проточном или автономном реакторе. Рабочий процесс в проточном реакторе требует протока воздуха, который может забираться из воздухозаборного устройства двигателя в определенном соотношении расхода через реактор и камеру сгорания.

Исследование рабочего процесса и схем камеры сгорания ПВРД, использующих термохимическую конверсию топлива, весьма актуально, так как оно дает основание рассчитывать на улучшение тягово-экономических и массогабаритных характеристик, как силовой установки, так и летательного аппарата в целом. (см. В.Н. Серманов, С.А. Зосимов, А.А. Николаев, А.Ф. Чевагин «Использование термохимической конверсии углеводородного топлива в прямоточном двигателе для повышения его тяговых характеристик» // Авиакосмическая техника и технология, №1, 2009, стр. 23-31).

Однако, только экспериментальное обоснование позволяет выявить возможности использования термохимической конверсии топлива в камерах сгорания ПВРД. Поэтому разрабатываются стенды для проведения испытаний камеры сгорания с термохимической конверсии топлива.

Известен стенд для испытаний камер сгорания ПВРД, содержащий подводящий трубопровод, воздухозаборное устройство с патрубками, имитирующими течение на входе в камеру сгорания при полете ЛА на углах атаки (см. патент РФ №2261425, класс МПК G01M 15/00, 2003 г.)

Известный стенд не позволяет подавать воздух в термохимический реактор и исследовать процессы в камере сгорания термохимической конверсии топлива, так как в нем не решены вопросы использования проточного реактора и его связи с камерой сгорания.

Известно также устройство утилизации тепла отходящих газов, содержащее камеру сгорания, с трубопроводом подачи воздуха, термохимический реактор соединенный с трубопроводом подачи воздуха в камеру сгорания, и систему топливо подачи (см. авторское свидетельство СССР №775593 кл. F27B 17/00, F23L 15/00, 1980 г.).

Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является невозможность регулирования режима работы термохимического реактора независимо от режима камеры сгорания.

Задачей и техническим результатом изобретения являются создание стенда для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания, обеспечивающего возможность регулирования режима работы термохимического реактора независимо от режима камеры сгорания.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в стенде для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания, содержащем камеру сгорания с трубопроводом подачи воздуха, систему регулирования подачей воздуха, термохимический реактор, соединенный с трубопроводом подачи воздуха для проведения конверсии углеводородного топлива и систему топливоподачи, на входе в термохимический реактор установлен регулятор давления воздуха и трубка Вентури, а выход термохимического реактора соединен с инжекторами камеры сгорания.

Технический результат также достигается тем, что термохимический реактор содержит проточный газопламенный воздухоподогреватель, и соединенный с ним дополнительной трубкой Вентури конвертор, в котором расположены форсунки для подачи углеводородного топлива.

Технический результат также достигается тем, что отношение объема конвертора к площади критического сечения инжекторов составляет а канал конвертора выполнен расширяющимся с суммарным углом расширения, равным δ≤5°.

На фиг. 1 изображена схема стенда для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания. На фиг. 2 представлен термохимический реактор. На фиг. 3 приведены расчетные составы продуктов термохимической конверсии углеводорода с продуктами выходящими из газопламенного воздухоподогревателя реактора (температура торможения Т0=1300 К, полное давление Р0=1 МПа). На фиг. 4 представлена зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания αКС от коэффициента избытка воздуха в реакторе αR при различных значениях относительного расхода воздуха через реактор где GBR - расход воздуха через реактор, GBKC - расход воздуха через камеру сгорания.

Стенд для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания содержит камеру сгорания 1, подводящий трубопровод для подачи воздуха 2 и систему регулирования подачи воздуха 3. Параллельно камере сгорания установлен термохимический реактор 4 для проведения конверсии углеводородного топлива. Причем, в канале на входе в реактор, которым он соединен с трубопроводом подачи воздуха в камеру сгорания 2, установлен регулятор давления воздуха 5 и трубка Вентури 6. Выход реактора соединен выходными инжекторами 7 с каналом камеры сгорания.

Реактор содержит проточный газопламенный воздухоподогреватель 8 (фиг. 2), выход которого соединен дополнительной трубкой Вентури 9 с конвертором 10, содержащем форсунки 11 для подачи углеводородного топлива.

Стенд работает следующим образом. Поток воздуха из трубопровода 2 поступает в камеру сгорания 1. Из этого же трубопровода воздух попадает на реактор 4. Особенностью работы стенда является то, что в процессе испытания поток воздуха, поступающий на реактор, с помощью регулятора давления 5 подается с различным давлением, обеспечивая различный расход воздуха через реактор 4 и режим работы реактора в широком диапазоне параметров реактора, при изменении расхода топлива в воздухоподогреватель 8 и конвертор 10.

Необходимость трубки Вентури 6 связана с тем, что при изменении режима работы воздухоподогревателя 8, который служит источником тепла, необходимого для осуществления химической конверсии топлива, что теплоподвод в воздухоподогревателе, как дросселирование не должен влиять на течение за регулятором давления, что и обеспечивает трубка Вентури 6.

Подогрев воздуха в воздухоподогревателе производится путем сжигания части топлива в воздухе до Т≤1800 К. В результате чего образуются продукты сгорания, которые поступают в конвертор 10, куда также через форсунки 11 поступает углеводородное топливо. Углеводородное топливо смешивается с продуктами сгорания, вступающими в эндотермические реакции с топливом. В результате образуется новое топливо - конвертин, состоящий в основном из СО и Н2, которое поступает в камеру сгорания, где и сгорает.

Расчеты показали, что наиболее оптимальные химические процессы разложения углеводорода (конверсия) происходят в реакторе при коэффициентах избытка воздуха αR=0,2-0,4 (соответствует максимуму горючих компонентов СО кривая 1 и Н2 кривая 2 в продуктах разложения фиг. 3). Камера сгорания должна работать при коэффициентах избытка воздуха αКС≥1, где здесь GО - расход окислителя, GT - расход топлива, L0 - стехиометрический коэффициент, характеризующий химическую пару топливо - окислитель.

На фиг. 4 представлена зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания от коэффициента избытка воздуха в реакторе αКС=f(αR) при различных значениях относительного расхода воздуха через реактор кривая 3. Из фиг. 4 видно, чтобы обеспечить работу реактора в рассматриваемом диапазоне необходимо изменять относительный расход воздуха через него на 40%. Это становится возможным при использовании предлагаемой схемы стенда, в которой регулирование расхода воздуха в канале реактора и в канале камеры сгорания осуществляются независимо.

Определяющее значение для рабочего процесса в термохимическом реакторе является время пребывания рабочей смеси в конверторе реактора. Как показали опыты эффективный процесс в реакторе удалось организовать при времени пребывания смеси в конверторе τ≥0,5⋅10-3 с (см. О.В. Волощенко, Е.А. Мещеряков, В.Н. Острась, В.Н. Серманов, «Анализ особенностей процесса газогенерации и конверсии углеводородных топлив» Труды ЦАГИ, выпуск 2572, Изд. отд. ЦАГИ, М., 1995, стр. 14). Обычно время пребывания заменяют приведенной длиной конвертора (см. В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин «Теория ракетных двигателей», М.: машиностроение, 1980, стр. 256). Результаты обработки опытных данных показали, что приведенная длина конвертора, которая представляет отношение объема конвертора к площади критического сечения инжекторов составляет

Дросселирование потока в канале конвертора обусловлено относительным тепломассоподводом который создается изменением массы и разложением углеводородного топлива, где - отношение расхода газа на выходе из конвертора к расходу газа входящего в него, а отношение температур торможения потока на выходе и входе в конвертор. Опыты показали, что для обеспечения устойчивой работы конвертора его канал должен иметь расширение с суммарным углом расширения δ≤5° (см. О.В. Волощенко, Е.А. Мещеряков, В.Н. Острась, В.Н. Серманов, «Анализ особенностей процесса газогенерации и конверсии углеводородных топлив» Труды ЦАГИ, выпуск 2572, Изд. отд. ЦАГИ, М., 1995, стр. 15).

Таким образом, получено экспериментальное подтверждение эффективности предложенного изобретения, в котором технический результат достигнут за счет регулирования режима работы термохимического реактора не зависимо от режима работы камеры сгорания.

Похожие патенты RU2730542C2

название год авторы номер документа
Камера сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя для летательного аппарата 2018
  • Зосимов Сергей Анатольевич
  • Власенко Виктор Владимирович
  • Сысоев Андрей Викторович
  • Носков Геннадий Павлович
  • Серманов Валерий Николаевич
  • Николаев Алексей Анатольевич
RU2737463C2
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И КАМЕРА СГОРАНИЯ ПРЯМОТОЧНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА 2011
  • Вахрушев Александр Сергеевич
  • Дмитриев Евгений Владимирович
  • Зосимов Сергей Анатольевич
  • Николаев Алексей Анатольевич
  • Носков Геннадий Павлович
  • Серманов Валерий Николаевич
RU2454607C1
Способ функционирования детонационного двигателя и устройство для его реализации 2019
  • Левин Владимир Алексеевич
  • Мануйлович Иван Сергеевич
  • Марков Владимир Васильевич
  • Сысоев Андрей Викторович
  • Серманов Валерий Николаевич
  • Хмелевский Александр Николаевич
  • Журавская Татьяна Анатольевна
RU2737322C2
СИСТЕМА ПОДАЧИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ГИПЕРЗВУКОВОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И СПОСОБ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В СИСТЕМУ 2017
  • Исаков Виктор Николаевич
  • Шестун Андрей Николаевич
RU2663252C1
Камера сгорания с каталитическим покрытием для прямоточного воздушно-реактивного двигателя и способ нанесения каталитического покрытия 2020
  • Исаков Виктор Николаевич
  • Нагурянская Юлия Николаевна
RU2752960C1
ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 2016
  • Письменный Владимир Леонидович
RU2647919C1
СПОСОБ ПОДАЧИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В РЕАКТИВНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И РЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА 1981
  • Фрайштадт В.Л.
  • Тимофеев Г.А.
  • Исаков В.Н.
  • Кузьмин Л.В.
  • Николаев Н.Б.
  • Потрекий А.В.
  • Мухин В.И.
RU2046203C1
Интегральный прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом горючем 2016
  • Коломенцев Петр Александрович
  • Суриков Евгений Валентинович
  • Шаров Михаил Сергеевич
  • Ширин Алексей Павлович
  • Воробьев Михаил Алексеевич
  • Немыкин Валентин Данилович
RU2623134C1
Способ определения тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя при летных испытаниях 2017
  • Семёнов Вячеслав Львович
  • Александров Вадим Юрьевич
  • Арефьев Константин Юрьевич
  • Иванов Александр Петрович
  • Погорелова Ольга Фёдоровна
RU2663320C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ 2013
  • Филимонов Юрий Николаевич
  • Загашвили Юрий Владимирович
  • Савченко Григорий Борисович
  • Левихин Артем Алексеевич
RU2561077C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 730 542 C2

Реферат патента 2020 года Стенд для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания

Изобретение относится к области авиационной техники и касается, в частности, экспериментальных установок, предназначенных для исследования термохимической конверсии топлива и аэродинамических характеристик камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД). Сущность изобретения состоит в том, что в стенде для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания, содержащем камеру сгорания с трубопроводом подачи воздуха, систему регулирования подачей воздуха, термохимический реактор, соединенный с трубопроводом подачи воздуха для проведения конверсии углеводородного топлива, и систему топливоподачи, на входе в термохимический реактор установлен регулятор давления воздуха и трубка Вентури, а выход термохимического реактора соединен с инжекторами камеры сгорания. Термохимический реактор содержит проточный газопламенный воздухоподогреватель и соединенный с ним дополнительной трубкой Вентури конвертор, в котором расположены форсунки для подачи углеводородного топлива. Отношение объема конвертора к площади критического сечения инжекторов составляет а канал конвертора выполнен расширяющимся с суммарным углом расширения, равным δ≤5°. Получено экспериментальное подтверждение эффективности предложенного изобретения, в котором технический результат достигнут за счет регулирования режима работы термохимического реактора независимо от режима работы камеры сгорания. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 730 542 C2

1. Стенд для исследования рабочего процесса в прямоточной камере сгорания, содержащий камеру сгорания с трубопроводом подачи воздуха, систему регулирования подачи воздуха, термохимический реактор, соединенный с трубопроводом подачи воздуха в камеру сгорания, и систему топливоподачи, отличающийся тем, что на входе в термохимический реактор установлены регулятор давления воздуха и трубка Вентури, а выход термохимического реактора соединен с инжекторами камеры сгорания.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что термохимический реактор содержит проточный газопламенный воздухоподогреватель и соединенный с ним дополнительной трубкой Вентури конвертор, в котором расположены форсунки для подачи углеводородного топлива.

3. Стенд по п. 2, отличающийся тем, что отношение объема конвертора к площади критического сечения инжекторов составляет а канал конвертора выполнен расширяющимся с суммарным углом расширения, равным δ≤5°.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2730542C2

Устройство утилизации тепла отходящих газов 1977
  • Носач Вильям Григорьевич
  • Занемонец Владлен Федорович
  • Кривоконь Александр Александрович
  • Житарь Иван Николаевич
  • Евтушенко Павел Леонидович
  • Еринов Анатолий Еремеевич
  • Пикашов Вячеслав Сергеевич
  • Кононко Василий Порфирьевич
  • Великодный Владимир Александрович
  • Сезоненко Борис Дмитриевич
  • Полетаев Ярослав Борисович
  • Шестак Николай Антонович
SU775593A1
СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПРЯМОТОЧНЫХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 2004
  • Верхоломов В.К.
  • Суриков Е.В.
RU2261425C1
СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОВОРОТНЫМ РЕАКТИВНЫМ СОПЛОМ 2002
  • Андреев А.В.
  • Лебедев В.А.
  • Марчуков Е.Ю.
  • Никутов О.Н.
  • Поляков Б.С.
  • Фадеев В.А.
  • Чепкин В.М.
RU2216005C1

RU 2 730 542 C2

Авторы

Зосимов Сергей Анатольевич

Власенко Виктор Владимирович

Сысоев Андрей Викторович

Носков Геннадий Павлович

Серманов Валерий Николаевич

Николаев Алексей Анатольевич

Даты

2020-08-24Публикация

2018-12-14Подача