Способ огневого моделирования высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания

 

Способ огневого моделирования высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания заключается в подаче в натурную камеру сгорания компонентов топлива, их сжигании при низком давлении и измерении пульсации давления до и после возникновения высокочастотной неустойчивости процесса горения в камере сгорания. В качестве компонентов топлива используют нетоксичные компоненты, например этиловый спирт и воздух, стехиометрическое соотношение которых приближено к соотношению компонентов топлива в натурных условиях. Перед подачей в камеру сгорания окислитель нагревают до 300-500°С, горючее нагревают до температуры, которая выше, чем температура кипения горючего при давлении, равном давлению в камере сгорания. Изобретение позволит при уменьшении материальных затрат и сокращении сроков отработки определить особенности механизма развития высокочастотных колебаний в камере сгорания и провести выбор, отработку и оптимизацию средств устранения высокочастотных колебаний давления в камере сгорания. 2 ил.

Изобретение относится к области исследования процессов горения в теплонапряженных топках и может быть использовано на этапе проектирования и отработки камер сгорания и газогенераторов для обеспечения их надежной и безаварийной работы.

Известен способ моделирования для исследования высокочастотной неустойчивости горения, основанный на изучения линейной зависимости процесса горения от колебаний давления и от колебаний скорости (см. Ventrice М.В., Fang I.С., Purdy К.R. Simulation of liquid propellant rocket engine combustion instabilities. AIAA Journal, 1979, 17, №12, 1373-1378). Способ моделирования заключается в замене реального процесса вибрационного горения компонентов топлива на процесс нагревания чувствительного элемента до заданной температуры с введением временной задержки подачи сигнала в систему, моделирующих зону горения, и созданием акустического возбуждения, моделирующего акустические свойства камеры сгорания. Способ позволяет выполнять исследования с линейной обратной связью с применением микрофона в качестве чувствительного элемента для исследования системы с замкнутым контуром при одной резонансной частоте.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании этого способа, относится то, что в нем отсутствует один из самых важных процессов, влияющих на устойчивость, - процесс преобразования компонентов топлива в продукты сгорания, в том числе и процесс горения (как указано в описании самого способа - моделируется процесс испарения и ограниченного горения). Кроме того, отсутствует камера сгорания, представляющая собой реальный объем, в котором возникают незатухающие акустические колебания при потере устойчивости и реализуется обратная связь с процессом горения. Таким образом, в известном способе не воспроизводятся и не учитываются важнейшие физические процессы и взаимосвязи между ними, определяющие условия, необходимые для потери устойчивости рабочего процесса по отношению к высокочастотным колебаниям. Следовательно, и полученные выводы носят ограниченный характер.

Наиболее близким способом заявленному изобретению по совокупности признаков является моделирование высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания, в котором путем подачи взрывного импульса в камеру, работающую при низком давлении на азотной кислоте с добавкой 14% NO₂ и смеси фурфурилового спирта (46,5%) с анилином, имитируется жесткое возбуждение ВЧ неустойчивости процесса горения в камере. Пульсации давления измерялись высокочастотными датчиками давления (см. Clayton R.M., Rogeto R.S., Sotter J.G. An experimental description of destruktive liquid rocket resonant combastion. "AIAA Journal", 1968, 6, №7, 1252-1259). Указанный способ принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе не обеспечивается возможность изменения в широких пределах характерного времени преобразования компонентов топлива в продукты сгорания, что не позволяет влиять на возбуждение высокочастотных колебаний заданных форм, кроме того, компоненты топлива - токсичные жидкости, что усложняет реализацию известного способа.

Задачей предлагаемого изобретения является моделирование процесса вибрационного горения, которое позволяет при сохранении материальной части (уменьшении материальных затрат) и сокращении сроков отработки определить особенности механизма развития высокочастотных колебаний для данной конструкции камеры сгорания и проводить выбор, отработку и оптимизацию средств устранения высокочастотных колебаний давления в камере сгорания.

Техническим результатом, достигнутым в изобретении, является приближение зоны горения к огневому днищу смесительной головки, соответствующее натурным условиям, сохранение относительного распределения тепломассовыделения на начальном участке сечения камеры сгорания, воспроизведение величин относительных амплитуд пульсаций давления в камере сгорания, равных натурным, возбуждение акустических мод колебания давления, реализующихся в натурных камерах сгорания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявленном способе моделирования высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания в натурную камеру сгорания подают компоненты топлива, сжигают их при низком давлении и измеряют пульсации давления до и после возникновения высокочастотной неустойчивости процесса горения в камере сгорания, причем в качестве компонентов топлива используют нетоксичные компоненты, например этиловый спирт и воздух, стехиометрическое соотношение которых приближено к стехиометрическому соотношению компонентов топлива в натурных условиях, при этом перед подачей в камеру сгорания окислитель нагревают до 300-500°С, а горючее нагревают до температуры, которая выше, чем температура кипения горючего при давлении, равном давлению в камере сгорания. В этих условиях осуществляется отработка средств устранения высокочастотных колебаний и выбирается конструкция камеры сгорания с наименьшим уровнем пульсаций давления.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена экспериментально полученная в модельных условиях область устойчивой и неустойчивой работы камеры сгорания относительно первой моды колебаний давления в координатах Т нагрева окислителя и коэффициента избытка окислителя в камере сгорания.

На фиг.2 показано изменение величин относительных амплитуд пульсаций давления, соответствующих первой моде тангенциальных колебаний при переходе из устойчивой области работы в неустойчивую при изменении значений коэффициента избытка окислителя в камере.

Моделирование процесса вибрационного горения проводилось на натурной камере сгорания, работающей на воздухе и этиловом спирте при следующих режимах:

- давление в камере сгорания 6 кг/см²;

- коэффициент избытка окислителя 0,5-1,0;

- температура подогрева воздуха 380-420°С.

При огневом моделировании объектом испытания являлась полноразмерная камера сгорания с натурной смесительной головкой. Исследования проводились в режиме автоколебаний, возникающих в камере сгорания вследствие взаимодействия процессов горения и распространения акустических пульсаций в объеме камеры сгорания. Это позволило достаточно полно осуществить подобие исходных полей концентраций, формируемых смесительной головкой в натурных и модельных условиях и газодинамических процессов течения, тепломассовыделения и в, конечном счете, распространения акустических колебаний в объеме камеры сгорания.

В приведенном примере автоколебания при огневом моделировании создавались путем изменения следующих параметров, влияющих непосредственно на характеристики рабочего процесса:

- температура подогрева воздуха на входе в камеру сгорания;

- коэффициент избытка окислителя в камере сгорания.

В условиях вибрационного горения указанные параметры определяли время преобразования и скорость процессов преобразования исходных компонентов топлива в продукты сгорания. Варьирование указанными параметрами позволило возбудить в модельных условиях автоколебания на требуемых собственных акустических частотах исследуемой камеры сгорания и со значениями относительных величин пульсаций давления, близкими к натурным.

Огневые испытания по моделированию высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания проводились следующим образом.

Перед подачей компонентов топлива в камеру сгорания этиловый спирт и воздух нагревались до необходимых температур. При этом нагрев компонентов осуществляли за счет теплообмена с продуктами сгорания, полученными в результате сжигания этилового спирта в воздухе. Подогретые этиловый спирт и воздух подавали в камеру сгорания и воспламеняли. После воспламенения компонентов топлива в камере сгорания установка выводилась на заданный режим работы. В процессе испытания измерялись стационарные параметры работы установки (давления, расходы компонентов топлива, температуры) и быстропеременные параметры (пульсации давления в камере сгорания и вибрации конструкции). На фиг.1 показаны области устойчивой и неустойчивой работы камеры сгорания относительно первой тангенциальной моды колебаний давления, которые были получены путем изменения параметров, например, температуры подогрева воздуха и коэффициента избытка окислителя в камере сгорания. В процессе одного испытания для заданной температуры воздуха на входе в камеру сгорания изменяли величину коэффициента избытка окислителя камеры сгорания, при этом камера сгорания из области устойчивой работы переводилась в область высокочастотных колебаний, что определялось по резкому изменению амплитуд пульсаций давления в камере сгорания на одной из собственных акустических частот камеры (см. фиг.2). Испытания с другими значениями температуры воздуха позволили определить новые значения коэффициентов избытка окислителя, при которых возникают высокочастотные колебания и построить границу устойчивости для данного варианта камеры сгорания.

Относительные запасы высокочастотной устойчивости различных конструкций камер сгорания определяются по величине изменения положения границ их областей устойчивости относительно друг друга и изменению величины амплитуд пульсаций давления в области неустойчивости.

Формула изобретения

Способ огневого моделирования высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания, заключающийся в том, что в натурную камеру сгорания подают компоненты топлива, сжигают их при низком давлении и измеряют пульсации давления до и после возникновения высокочастотной неустойчивости процесса горения в камере сгорания, отличающийся тем, что в качестве компонентов топлива используют нетоксичные компоненты, например этиловый спирт и воздух, стехиометрическое соотношение которых приближено к соотношению компонентов топлива в натурных условиях, при этом перед подачей в камеру сгорания окислитель нагревают до 300-500°С, а горючее нагревают до температуры, которая выше, чем температура кипения горючего при давлении, равном давлению в камере сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2