Газодинамический способ воспламенения горючего газа в глухом канале

 

Использование: авиадвигателестроение, воспламенение топлива в сверхзвуковых камерах сгорания. Сущность изобретения: перемещают топливную иглу по оси глухого канала. Топливо подают из торца иглы. Расход горючего газа регулируют по соотношению, приведенному в описании. 1 ил.

Изобретение относится к воздушно-реактивным двигателям, в частности к способам воспламенения топлива в камерах сгорания прямоточных схем при сверхзвуковых скоростях потока воздуха и температурах потока, меньших температуры самовоспламенения топлива. Возможна реализация этого способа при организации горения вблизи поверхности летательных объектов, движущихся со сверхзвуковой скоростью, а также в лабораторных исследованиях горения в сверхзвуковом потоке.

Известен газодинамический способ нагрева газа, который реализован в устройствах для воспламенения твердых пиротехнических или взрывчатых составов (патент США N 3994232), жидкого топлива (а.с. N 1032850) и горючего газа (а. с. N 1067301). В этом способе нагрев газа осуществляется в глухом канале путем возбуждения колебаний ударных волн, вызываемых волновой структурой потока, создаваемой перед отверстием глухого канала и состоящей из системы скачков уплотнения и волн разрежения присущей нерасчетной структуре истечения газа из сопла (В.М.Купцов, С.И.Остроухов, К.Н.Филиппов. Пульсации давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в цилиндрическую полость. Изв. АН СССР, МЖГ, 1977, с. 104-111). Недостатком этого способа является то, что для возбуждения колебаний ударных волн необходимо осуществление такого воздействия на внешний поток, которое привело бы к реализации описанной выше структуры, либо создание дополнительной (по отношению к внешнему потоку) сверхзвуковой нерасчетной струи. Кроме того, воспламенение топлива осуществляется от разогреваемого заглушенного конца канала, что требует большого времени нагрева из-за наличия потерь тепла в стенки канала и приводит к ухудшению надежности воспламенения.

Известен также газодинамический способ нагрева газа ударными волнами в глухом канале при возбуждении колебаний ударных волн зоной отрыва, создаваемой перед отверстием глухого канала (а.с. N 354235).

Недостатком такого способа является отсутствие надежности при осуществлении воспламенения горючего газа, так как отсутствует возможность управления температурой нагрева при изменении параметров внешнего потока, так как развиваемый процесс автоколебаний ударных волн возбуждается самопроизвольно и, при заданных параметрах внешних условий, величина температуры (ее максимальное значение) определяется конструктивными особенностями устройства, реализующего этот способ.

Цель изобретения - повышение надежности воспламенения и регулирование уровня температуры смеси воздуха с горючим газом.

Цель достигается тем, что в газодинамическом способе воспламенения горючего газа в глухом канале при его подаче навстречу основному потоку автоколебания ударных волн возбуждаются зоной отрыва, которая создается перед отверстием глухого канала и регулируется перемещением центральной топливной иглы по его оси.

Отличительным признаком, оказывающим влияние на уровень температуры, является регулирование расхода горючего газа в соотношении к основному потоку как G_г = =(0,1-1)%˙G_пот. Кроме регулирования температуры, изменением расхода газа достигается оптимальный состав смеси (концентрация горючего газа), который необходим для ее надежного воспламенения.

В предлагаемом техническом решении новым признаком является регулирование расхода горючего газа в пределах G_г = (0,1--1)%˙G_пот, где G_г, кг/с˙м² - удельный расход горючего газа, отнесенный на единицу площади сечения, по которому движется основной поток; G_пот, кг/с˙м² - удельный расход воздуха основного потока, отнесенный к той же площади. Этот фактор изменяет условие образования зоны отрыва перед концом глухого канала и влияет на возбуждение колебаний ударных волн, в частности на их амплитуду и частоту. В свою очередь эти величины определяют, при прочих равных условиях (параметрах потока, геометрии глухого канала и т.п.), значение температуры нагрева смеси горючего газа и воздуха в глухом канале и состав смеси, втекающей в глухой канал. Состав смеси (концентрация газа) должен находиться внутри концентрационных пределов воспламенения.

Проведенный анализ показал, что описанный отличительный признак является существенным для функционального назначения способа воспламенения горючего газа и предлагаемое техническое решение соответствует требованиям, предъявляемым к критериям изобретения "новизна" и "существенные отличия".

На чертеже приведена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа.

Здесь показаны: набегающий внешний поток воздуха 1, обтекаемое тело 2 с выпоненным в нем глухим каналом 3, по оси которого установлена центральная игла 4, имеющая возможность продольного перемещения на расстояние а от переднего торца. Конкретный размер а зависит от формы и размеров обтекаемого тела 2, параметров набегающего потока 1 и расхода горючего газа 5, который подается по центральной игле 4 навстречу основному потоку. На чертеже показана возникающая газодинамическая структура, состоящая из конического скачка уплотнения 6, деформированной ударной волны 7 и зоны отрыва 8.

Предлагаемый газодинамический способ воспламенения горючего газа реализован следующим образом.

При взаимодействии набегающего сверхзвукового потока воздуха 1 с телом 2 возможны два режима обтекания.

Первый режим реализуется в случае, если игла 4 не выступает из глухого канала 3 и отсутствует расход горючего газа. Тогда перед обтекаемым телом 2 образуется ударная волна 7, но отсутствуют конический скачок уплотнения 6 и зона отрыва 8. При этом режиме отсутствуют воздействия на внешний сверхзвуковой поток и течение является устойчивым, без колебаний. Если на внешний поток производят воздействия, например выдвигают иглу на расстояние а и подают навстречу потоку горючий газ, то картина течения меняется. Реализуется другой режим обтекания, при котором возникают скачок уплотнения 6 и зона отрыва 8, как показано на чертеже. При этом режиме образуются пульсации в зоне отрыва и возникает автоколебательный процесс ударных волн, приводящий к воспламенению горючего газа в глухом канале. Пламя распространяется от глухого торца к откpытому концу глухого канала и стабилизируется в зоне отрыва. После этого автоколебания прекращаются и устанавливается режим стационарного горения.

Применение предлагаемого изобретения позволяет повысить надежность воспламенения горючего газа и регулировать уровень температуры смеси воздуха с горючим газом. Это достигается регулированием расхода горючего газа в указанных выше пределах.

Формула изобретения

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГОРЮЧЕГО ГАЗА В ГЛУХОМ КАНАЛЕ путем подачи горючего газа навстречу основному потоку и возбуждения автоколебаний ударных волн, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности воспламенения и регулирования уровня температур, по оси глухого канала перемещают топливную иглу, а подачу горючего газа осуществляют из торца последней и дополнительно регулируют расход горючего газа в зависимости от расхода основного потока, принимая его равным (0,1 - 1%)G_пот, где G_пот - расход основного потока через площадь поперечного сечения воспламенителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1