ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ ОСНОВНОЙ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В ПРОТОЧНОМ ТРАКТЕ

Изобретение относится к акустической теплотехнике и может быть использовано в авиационных и ракетных двигателях, стендовых газоструйных устройствах и при стендовых испытаниях двигателей для создания вспомогательного факела и воспламенения в потоке газообразных несамовоспламеняющихся топливных смесей, состоящих из окислителя и горючего. Кроме того, техническое решение может найти применение в устройствах, аналогичных ЖРД малых тяг многоразового использования, и для резки материалов или напыления покрытий.

Основной проблемой, возникающей при создании систем многоразового воспламенения для различных энергетических установок, авиационных и ракетных двигателей, работающих на несамовоспламеняющихся газообразных компонентах, является обеспечение быстродействия и высокой надежности их работы.

Широко распространенные в настоящее время электрические воспламенители искрового типа, например свечи зажигания, в ряде случаев оказываются ненадежными из-за отказов и, кроме того, требуют внешнего источника электроэнергии.

Поэтому в воспламенителях топливных смесей нашли применение устройства, в которых используется эффект газодинамического нагрева при пульсациях давления в газе, заключенном в различных полузакрытых полостях или каналах.

Известен газодинамический способ нагрева газа, который реализован в устройстве для воспламенения двухфазной топливной смеси, например, керосин+воздух, спирт+воздух (А.Н. Антонов, В.М. Купцов, В.В. Комаров. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. М.: «Машиностроение», 1990, стр.223-225). Устройство воспламенения содержит соединительную камеру, в которой на некотором расстоянии друг от друга жестко закреплены сопло и резонатор. В камере выполнены выпускные отверстия, через которые отводится газ, поступающий из сопла. В этом устройстве нагрев газа осуществляется за счет диссипации энергии ударных волн в газе в пристеночных областях канала резонатора. Генерация ударных волн в газе, заполняющем полость резонатора, вызывается нестационарной волновой структурой потока, состоящей из системы скачков уплотнения и волн разрежения, образующихся при натекании нерасчетной сверхзвуковой струи, истекающей из сопла во входное отверстие полости резонатора. Воспламенение топливной смеси осуществляется от разогреваемого заглушенного конца канала резонатора, соприкасающегося с топливом. Недостатком этого устройства является то, что воспламенение топливной смеси происходит от ее соприкосновения с разогреваемым заглушенным концом резонатора, что из-за наличия отвода тепла в стенки канала требует более длительного времени нагрева и приводит к увеличению времени задержки и ухудшению надежности воспламенения. Кроме того, недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования геометрических размеров резонатора, а также расстояния между излучателем и резонатором, определяющих интенсивность газодинамического нагрева топливных смесей до температур их воспламенения.

Известно устройство газодинамического воспламенения (патент RU №2319076). Газодинамический воспламенитель содержит полый корпус, стержневой газоструйный излучатель с осесимметричным кольцевым соплом, резонатор с цилиндрической полостью, соединительную камеру с выходным отверстием и систему подвода окислителя и горючего. В излучателе стержень размещен по оси сопла и закреплен на одной из стенок корпуса. Резонатор расположен соосно с поперечным зазором напротив выхода сопла излучателя.

Изобретение обеспечивает объемный нагрев газа в заданной зоне и воспламенение несамовоспламеняющихся газообразных топлив в различных устройствах для сжигания, включая тепловые двигатели.

Недостатком этого устройства является возрастание времени задержки воспламенения вследствие использования предварительного нагрева горючего. Другим недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования геометрических размеров концентратора, излучателя Гартмана, резонансной трубки, а также расстояния между ними. В такой конструкции при изменении режимных параметров струи, истекающей из сопла излучателя Гартмана, может снижаться генерируемая акустическая мощность, это приведет к уменьшению амплитуды акустических колебаний в резонансной трубке и, следовательно, интенсивности газодинамического нагрева топливной смеси, что ведет к возрастанию времени задержки воспламенения.

Известен газодинамический воспламенитель (патент RU №2057996), содержащий размещенные в форкамере соосно и напротив друг друга ускоритель с соплом и полый акустический резонатор. Воспламенитель снабжен камерой дожигания, содержащей патрубок подвода компонента топлива и выпускное сопло. Форкамера посредством отверстия сообщается с камерой дожигания. При работе воспламенителя газообразный компонент топлива (окислитель) подают в сопло ускорителя, второй компонент (горючее) делится на две порции, одна из которых пропускается через сопло ускорителя, а другая по патрубку поступает в камеру дожигания. Топливная смесь, пропущенная через сопло ускорителя, поступая в полость резонатора, вызывает в ней колебания ударных волн, вследствие чего смесь нагревается и воспламеняется. Пламя поджигает смесь, заполняющую форкамеру, и поступает в камеру дожигания, где смешивается со второй порцией горючего и горит как в дожигательных устройствах на стационарном тепловом режиме. Недостатком этого устройства является отсутствие системы регулирования подачи горючего в форкамеру и камеру дожигания, что может приводить к перегреву и прогару конструкции воспламенителя.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является газодинамический воспламенитель (патент RU №2485402). Газодинамический воспламенитель содержит форкамеру с выходным отверстием, ускоритель с соплом, акустический резонатор и магистрали подвода окислителя и горючего к ускорителю с регулирующими клапанами. Ускоритель с соплом и акустический резонатор размещены в форкамере соосно и напротив друг друга с поперечным зазором. Магистрали подключены к ускорителю через регулирующие клапаны на входе. Выходное отверстие сообщает форкамеру с проточным трактом.

Изобретение увеличивает генерируемую в воспламенителе акустическую энергию и расширяет диапазон частот и амплитуд колебаний столба газообразной топливной смеси в полости резонатора.

Недостатком этого устройства является низкая надежность воспламенения топливной смеси, так как отсутствует управление температурой нагрева газа в полости резонатора и имеется возможность перегрева воспламенителя с возникновением прогара.

В основу изобретения для газодинамического воспламенения основной топливной смеси в проточном тракте положено решение следующих задач:

- повышение надежности воспламенения топливной смеси;

- исключение возможности прогара воспламенителя за счет перегрева конструкции;

- сокращение времени задержки воспламенения топливной смеси;

- расширение номенклатуры газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом;

- повышение ресурса воспламенителя.

Поставленные задачи решаются тем, что газодинамический воспламенитель основной топливной смеси в проточном тракте содержит форкамеру с выходным отверстием, ускоритель с соплом, акустический резонатор и магистрали с регулирующими клапанами подвода окислителя и горючего к ускорителю. Ускоритель с соплом и акустический резонатор размещены в форкамере соосно и напротив друг друга с поперечным зазором. Магистрали подключены к ускорителю через регулирующие клапаны на входе. Выходное отверстие сообщает форкамеру с проточным трактом.

Новым в изобретении является то, что воспламенитель содержит камеру дожигания с головкой на входе и соплом на выходе. Камера дожигания установлена на одной оси последовательно за ускорителем и форкамерой и соединена с ними гидравлически. Выходное отверстие форкамеры выполнено в виде центрального сквозного отверстия в головке и сообщается с проточным трактом через сопло камеры дожигания. Головка камеры дожигания снабжена кольцевым коллектором с форсунками, обращенными в сторону сопла камеры. Магистраль горючего после регулирующего клапана на входе сообщается с ускорителем и дополнительно с кольцевым коллектором головки через пневматические регулирующие клапаны. Полость форкамеры сообщается магистралью подвода газа с пневматическим регулирующим клапаном в магистрали подвода горючего к ускорителю. Полость проточного тракта сообщается магистралью подвода газа с пневматическим регулирующим клапаном в магистрали подвода горючего к кольцевому коллектору головки камеры дожигания.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:

- наличие в воспламенителе камеры дожигания с головкой на входе и соплом на выходе, установленной на одной оси последовательно за ускорителем и форкамерой и соединенной с ними гидравлически, обеспечивает надежное воспламенение топливной смеси в проточном тракте;

- выполнение выходного отверстия форкамеры в виде центрального сквозного отверстия в головке и сообщение его с проточным трактом через сопло камеры дожигания обеспечивает его связь со сквозными отверстиями акустического резонатора;

- наличие в головке камеры дожигания кольцевого коллектора с форсунками, обращенными в сторону сопла камеры, обеспечивает соединение с магистралью подвода горючего;

- сообщение магистрали горючего после регулирующего клапана на входе с ускорителем и дополнительно с кольцевым коллектором головки через пневматические регулирующие клапаны позволяет обеспечить гидравлическое соединение с проточным трактом;

- соединение полости форкамеры с пневматическим клапаном в магистрали подвода горючего к ускорителю позволяет регулировать подачу горючего в воспламенитель, исключить его прогар за счет перегрева конструкции и тем самым повысить ресурс воспламенителя;

- соединение полости проточного тракта с пневматическим регулирующим клапаном в магистрали подвода горючего к кольцевому коллектору головки камеры дожигания позволяет регулировать подачу горючего в камеру дожигания при изменении давления в полости проточного тракта основной топливной смеси.

Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и дополнения.

Пневматический регулирующий клапан может содержать полый корпус в виде цилиндрического стакана с крышкой, поршень с уплотнительными кольцами, пружину сжатия и запорную пару типа «седло-уплотнительный элемент» в полости корпуса. Корпус клапана может иметь центральное отверстие подвода горючего в днище стакана и отверстие отвода горючего в цилиндрической стенке стакана около его днища. При этом крышка стакана имеет отверстие подвода газа, а седло запорной пары выполнено на внутренней поверхности дна стакана. Уплотнительный элемент установлен на торце поршня со стороны дна стакана с возможностью поджатия пружиной к седлу. При подводе газа через отверстие в крышке уплотнительный элемент дополнительно поджимается к седлу и перекрывает подачу горючего в регулирующий клапан.

Головка камеры дожигания может дополнительно содержать сквозные отверстия, равномерно расположенные по окружности относительно центрального отверстия между отверстиями форсунок. Это обеспечивает равномерность распыла топлива на входе в камеру дожигания.

Акустический резонатор может содержать цилиндрический корпус, установленный в форкамере перед головкой камеры дожигания с образованием между ними промежуточной полости, причем корпус снабжен равномерно расположенными по окружности сквозными отверстиями и центральным глухим отверстием, обращенным соосно входом в сторону сопла ускорителя. Это обеспечивает разогрев топлива при колебаниях в полости с глухим отверстием до температуры воспламенения, а затем протеканием пламени через сквозные отверстия в камеру дожигания.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи для газодинамических воспламенителей основной топливной смеси в проточном тракте.

Предложенный газодинамический воспламенитель позволяет:

- повысить надежность воспламенения топливной смеси;

- исключить возможности прогара воспламенителя за счет перегрева конструкции;

- сократить время задержки воспламенения топливной смеси;

- расширить номенклатуру газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом;

- повысить ресурс воспламенителя.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием газодинамического воспламенителя и его работы со ссылкой, на фиг.1-5, на которых:

на фиг.1 изображен газодинамический воспламенитель основной топливной смеси в проточном тракте;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;

на фиг.4 - продольный разрез пневматического регулирующего клапана в открытом положении;

на фиг.5 - продольный разрез пневматического регулирующего клапана в закрытом положении.

Газодинамический воспламенитель (см. фиг.1) основной топливной смеси в проточном тракте содержит форкамеру 1 с выходным отверстием 2, ускоритель 3 с соплом 4, акустический резонатор 5 и магистрали 6, 7 с регулирующими клапанами 8, 9 соответственно подвода окислителя и горючего к ускорителю 3. Ускоритель 3 с соплом 4 и акустический резонатор 5 размещены в форкамере 1 соосно и напротив друг друга с зазором. Магистрали 6, 7 подключены к ускорителю 3 через регулирующие клапаны 8, 9 на входе, а выходное отверстие 2 сообщает форкамеру 1 с проточным трактом 10. Воспламенитель также содержит камеру дожигания 11 с головкой 12 на входе и соплом 13 на выходе. Камера 11 установлена на одной оси последовательно за ускорителем 3 и форкамерой 1 и соединена с ними гидравлически. Выходное отверстие 2 форкамеры 1 выполнено в виде центрального сквозного отверстия в головке 12 и сообщается с проточным трактом 10 через сопло 13 камеры дожигания 11. Головка 12 камеры дожигания 11 снабжена кольцевым коллектором 14 с форсунками 15, обращенными в сторону сопла 13 камеры. Магистраль 7 горючего после регулирующего клапана 9 на входе сообщается с ускорителем 3 и дополнительно с кольцевым коллектором 14 головки 12 через пневматические регулирующие клапаны 16, 17 соответственно. Полость 18 форкамеры 1 соединяется магистралью 19 подвода газа с пневматическим регулирующим клапаном 16 в магистрали 7 подвода горючего к ускорителю 3. Полость 20 проточного тракта 10 сообщается магистралью 21 подвода газа с пневматическим регулирующим клапаном 17 в магистрали 7 подвода горючего к кольцевому коллектору 14 головки 12 камеры дожигания 11.

Каждый из пневматических регулирующих клапанов 16, 17 (см. фиг.4, 5) содержит полый корпус в виде цилиндрического стакана 22 с крышкой 23, поршень 24 с уплотнительными кольцами 25, пружину сжатия 26 и запорную пару типа «седло 27-уплотнительный элемент 28» в полости корпуса. Корпус клапана имеет центральное отверстие 29 подвода горючего в днище стакана 22 и отверстие 30 отвода горючего в цилиндрической стенке стакана 22 около его днища. Крышка 23 стакана 22 имеет отверстие 31 подвода газа из (см. фиг.1) полости 18 форкамеры 1 в пневматический регулирующий клапан 16 или из полости 20 проточного тракта 10 в пневматический регулирующий клапан 17. Седло 27 запорной пары выполнено на внутренней поверхности дна стакана 22, а уплотнительный элемент 28 установлен на торце поршня 24 со стороны дна стакана 22 с возможностью поджатия пружиной 26 к седлу 27.

Головка 12 камеры дожигания 11 дополнительно содержит (см. фиг.3) сквозные отверстия 32, расположенные равномерно по окружности относительно центрального отверстия 2 между отверстиями форсунок 15.

Акустический резонатор 5 содержит (см. фиг.1, 2) цилиндрический корпус 33, установленный в форкамере 1 перед головкой 12 камеры дожигания 11 с образованием между ними промежуточной полости 34. Причем корпус 33 снабжен равномерно расположенными по окружности сквозными отверстиями 35 и центральным глухим отверстием 36, обращенным соосно входом в сторону сопла 4 ускорителя 3.

Газодинамический воспламенитель работает следующим образом.

Из источников (не показано) газообразные окислитель и горючее под высоким давлением подаются к регулирующим клапанам 8, 9. Окислитель (закись азота NO₂, кислород O₂ и др.) через регулирующий клапан 8 на входе и магистраль 6 подается в камеру смешения ускорителя 3. Горючее (водород H₂, метан CH₄ и др.) через регулирующий клапан 9 на входе, магистраль 7 и пневматические регулирующие клапаны 16, 17 подается соответственно в камеру смешения ускорителя 3 и кольцевой коллектор 14 головки 12. Из коллектора 14 через форсунки 15 горючее подается в камеру дожигания 11.

Топливная смесь, образующаяся в камере смешения ускорителя 3, через сверхзвуковое сопло 4 истекает в полость 18 форкамеры 1. В полости 18 течение топливной смеси формируется в виде нерасчетной недорасширенной сверхзвуковой струи. Возбуждение ударных волн в газе, находящемся в глухом отверстии 36 резонатора 5 вызывается воздействием нестационарной волновой структурой сверхзвуковой струи, реализованной перед входом глухого отверстия 36 и состоящей из системы колеблющихся скачков уплотнения и волн разрежения, формирующихся при нерасчетном истечении сверхзвуковой струи из сопла 4. В результате периодического движения ударных волн в полости отверстия 36 резонатора 5 от открытого входа к закрытому торцу происходит переход кинетической энергии струи в теплоту. При росте температуры топливной смеси в центральном глухом отверстии 36 резонатора 5 до значений температуры воспламенения заданной пары компонентов топлива происходит их первичное воспламенение. Образовавшееся пламя последовательно из полости 18 через отверстия 35 поступает в промежуточную полость 34, а затем в виде факела через отверстия 2 и 32 головки 12 истекает в камеру дожигания 11, поджигает горючее, поступающее в камеру 11 через форсунки 15. Горящая в объеме камеры дожигания 11 смесь через сверхзвуковое сопло 13 истекает в полость 20 проточного тракта 10 основной топливной смеси и поджигает ее.

При этом процессе пневматические регулирующие клапаны 16, 17 осуществляют автоматическое регулирование подачи горючего в газодинамический воспламенитель.

На первой стадии в каждом клапане 16, 17 (см. фиг.1) под давлением, возникающим при начале подачи газообразного горючего по магистрали 7 через отверстие 29 в полый корпус 22, поршень 24 с уплотнительным элементом 28 (см. фиг.4) отодвигается от седла 27, а горючее заполняет полости клапанов. Из полости клапана 16 горючее через отверстие 30 по магистрали поступает в камеру смешения ускорителя 3. Из полости клапана 17 горючее через отверстие 30 по магистрали поступает в кольцевой коллектор 14 головки 12 и через форсунки 15 в камеру дожигания 11.

После воспламенения топливной смеси давление в полости 18 форкамеры 1 возрастает. Повышенное давление газа из полости 18 по магистрали 19 через отверстие 31 воздействует на поршень 24 клапана 16. Поршень 24 с уплотнительным элементом 28 перемещается к седлу 27 и перекрывает его. Подача горючего через клапан 16 в ускоритель 3 прекращается. Давление газа в полости 18 уменьшается.

При воспламенении основной топливной смеси в полости 20 проточного тракта 10 повышенное давление газа по магистрали 19 через отверстие 31 воздействует на поршень 24 клапана 17. Поршень 24 с уплотнительным элементом 28 перемещается к седлу 27 и перекрывает его. Подача горючего через клапан 17 в кольцевой коллектор 14 головки 12 прекращается. Давление газа в камере дожигания 11 уменьшается.

После отключения подачи горючего через клапаны 16, 17 окислитель продолжает поступать в камеру смешения ускорителя 3, форкамеру 1, камеру дожигания 11 и через сопло 13 в полость 20 проточного тракта 10 и сгорает вместе с воспламененной основной массой топлива. При этом осуществляется охлаждение проточного тракта газодинамического воспламенителя окислителем. После прекращения подачи основной топливной смеси либо срыве процесса ее горения происходит падение давления в полости 20 проточного тракта и воспламенителе, после чего горючее под действием давления вновь заполняет клапаны 16, 17 и подается в воспламенитель при непрерывной подаче окислителя. Цикл работы газодинамического воспламенителя может повторяться многократно в указанной выше последовательности действий.

Такое регулирование может обеспечивать быстрый и эффективный процесс газодинамического нагрева газа и стенок резонансного воспламенителя до температур, необходимых для воспламенения соприкасающейся с его поверхностью топливной смесью.

Рабочий режим воспламенения и горения, протекающий в объеме проточного тракта 10, основной массы топливной смеси происходит при заданных условиями эксплуатации двигателя или энергетической установки значениях коэффициента избытка окислителя топливной смеси, который определяется расходами горючего и окислителя. Если при эксплуатации двигателя или энергетической установки значения коэффициента избытка окислителя выходят за пределы заданного диапазона, то работа резонансной газодинамической системы воспламенения с автоматическим регулированием подачи горючего должна быть остановлена прекращением подачи окислителя и горючего закрытием клапанов 8, 9, 16, 17.