Газодинамический воспламенитель

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к средствам поджига двухкомпонентных, в том числе и двухфазных, смесей, и может быть использовано при создании различных тепловых машин, в том числе и жидкостных ракетных двигателей. Воспламенитель содержит реверберационную камеру, на входе в которую установлено сопло для подачи газа для нагрева резонатора, резонатор, дополнительную камеру смешения, камеру сгорания, установленную последовательно и объединенную в одном корпусе с дополнительной камерой смешения, каналы для подвода компонентов со штуцерами горючего и окислителя, резонатор помещен в дополнительную камеру смешения и между дополнительной камерой смешения и камерой сгорания выполнено дросселирующее отверстие, а полости дополнительной камеры смешения и камеры сгорания соединены каналами с источниками подачи горючего и окислителя. Наиболее оптимальные условия для воспламенения топлива и охлаждения резонатора достигаются в том случае, когда диаметры каналов, соединяющих источник горючего с дополнительной камерой смешения и камерой сгорания, и диаметры каналов, соединяющих источник окислителя с дросселирующим отверстием и камерой сгорания, выполнены в соотношении d₁/D₁=d₂/D₂=0,15-0,25, где d₁ - диаметр канала, соединяющего источник горючего с дополнительной камерой смешения; D₁ - диаметр канала, соединяющего источник горючего с камерой сгорания; d₂ - диаметр канала, соединяющего источник окислителя с дросселирующим отверстием; D₂ - диаметр канала, соединяющего источник окислителя с камерой сгорания. Изобретение позволяет создать воспламенитель на основе газодинамического нагрева с более высокой степенью надежности при его работе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к средствам поджига двухкомпонентных, в том числе и двухфазных, смесей, и может быть использовано при создании различных тепловых машин и ракетных двигателей.

В настоящее время одной из основных проблем при создании воспламенителей для поджига ракетного топлива является повышение эксплуатационной надежности при упрощении конструкции и снижении габаритно-массовых характеристик системы воспламенения.

Одним из путей, позволяющих повысить эксплуатационную надежность и снизить габаритно-массовые характеристики системы воспламенения, является использование запальников, основанных на газодинамическом принципе воспламенения топлива. Отсутствие в них электрических блоков воспламенения уменьшает массовые характеристики системы. В газодинамических воспламенителях используется кинетическая энергия сжатого газа для нагрева элемента конструкции, называемого резонатором, до высокой температуры, при контакте с которым смеси компонентов воспламеняются.

Известен газодинамический воспламенитель, содержащий реверберационную камеру (форкамеру), на входе в которую установлено сопло, на выходе - резонатор с тонкостенным стаканом па торце. Со стороны резонатора к форкамере соосно с ней пристыкована дополнительная камера с диффуззорными каналами, по оси сопла в форкамере установлена форсунка, торец которой выполнен заподлицо с выходным сечением сопла (а.с. №1255818 A1, F23Q 13/00, 1985 - прототип).

Указанный воспламенитель работает следующим образом. Сжатый газ (воздух) разгоняется в сопле. Одновременно со сжатым воздухом через форсунку под давлением подается горючее - газ, соответствующий стехиометрическому соотношению. В форкамере оба газа смешиваются и образуют горючую смесь. Истекающая из сопла сильно недорасширенная струя горючей смеси взаимодействует с резонатором. При определенном расстоянии между соплом и резонатором внутри последнего возбуждаются высокочастотные колебания давления, и перед резонатором возникают ударные волны. Взаимодействие ударных волн, высокочастотные колебания газа в резонаторе, а также трение газа о стенки стакана резонатора приводят к необратимому повышению температуры газа внутри резонатора и воспламенению топливной смеси.

Основными недостатками данного воспламенителя являются:

- предварительное смешение компонентов топлива в форкамере до воспламенения, что в случае применения кислородно-водородного топлива может привести к взрыву, так как известно, что водородно-кислородная смесь, заключенная в трубах, детонирует, и в таких условиях детонация имеет место в широком диапазоне концентрации смеси (Микулин Е.И. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969 г., стр.126-128);

- горящая смесь газов при стехиометрическом соотношении компонентов может привести к прогару резонатора и выходу из строя воспламенителя, что снижает надежность его работы.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание воспламенителя, обеспечивающего более высокую надежность при его работе.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном воспламенителе, содержащем реверберационную камеру, сопло подачи рабочего газа, дополнительную камеру смешения с помещенным в ее полости резонатором, согласно изобретению на одной оси с дополнительной камерой смешения установлена камера сгорания, при этом полости камер соединены дросселирующим отверстием, источник горючего соединен каналами с полостями дополнительной камеры смешения и камеры сгорания, а источник окислителя - с полостью камеры сгорания и дросселирующим отверстием.

Для обеспечения поступления в дополнительную камеру смешения необходимого суммарного расхода компонентов топлива (3-5%), рассчитанного по количеству выделяемой тепловой энергии раскаленной поверхностью резонатора, достаточной для его надежного воспламенения, диаметры каналов, соединяющих источник горючего с дополнительной камерой смешения и камерой сгорания, и диаметры каналов, соединяющих источник окислителя с дросселирующим отверстием и камерой сгорания, выполнены в соотношении

d₁/D₁=d₂/D₂=0,15-0,25,

где d₁ - диаметр канала, соединяющего источник горючего с дополнительной камерой смешения;

D₁ - диаметр канала, соединяющего источник горючего с камерой сгорания;

d₂ - диаметр канала, соединяющего источник окислителя с дросселирующим отверстием;

D₂ - диаметр канала, соединяющего источник окислителя с камерой сгорания.

Увеличение расхода топлива в дополнительной камере смешения более 5% суммарного расхода приводит к снижению эффективности теплового потока от резонатора к топливной смеси в дополнительной камере смешения и ухудшает условия воспламенения, а его снижение менее 3% - к уменьшению поступающего количества тепла от воспламенившейся смеси в дополнительной камере смешения в камеру сгорания и ухудшению поджига в ней основного топлива.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где показан продольный разрез воспламенителя.

Основными элементами воспламенителя являются:

1 - реверберационная камера;

2 - сопло;

3 - резонатор;

4 - дополнительная камера смешения;

5 - корпус;

6 - дросселирующее отверстие;

7 - камера сгорания;

8 - штуцер подвода горючего;

9 - штуцер подвода окислителя;

10 - отверстия выброса в атмосферу рабочего газа;

11 - канал подачи горючего в камеру сгорания (D₁);

12 - канал подачи горючего в дополнительную камеру (d₁);

13 - канал подачи окислителя в камеру сгорания (D₂);

14 - канал подачи окислителя в дросселирующее отверстие (d₂);

15 - конусный канал.

Реверберационная камера 1 соединена соосно с соплом 2. В конце конусного канала 15 выполнен резонатор 3, концевая часть которого расположена в дополнительной камере смешения 4. В корпусе 5 дополнительная камера смешения 4 соосно через дросселирующее отверстие 6 соединена с камерой сгорания 7. Полости дополнительной камеры смешения и камеры сгорания соединены каналами 11 - 14 с источниками подачи горючего и окислителя.

Для обеспечения расчетных расходов компонентов топлива диаметры d₁ и D₁ каналов 12 и 11, соединяющих соответственно источник горючего с дополнительной камерой смешения и камерой сгорания, и диаметры d₂ и D₂ каналов 14 и 13, соединяющих соответственно источник окислителя с дросселирующим отверстием и камерой сгорания, выполнены в соотношении d₁/D₁=d₂/D₂=0,15-0,25. В корпусе реверберационной камеры 1 выполнены отверстия 10 для выброса рабочего газа.

Предложенный воспламенитель работает следующим образом. Рабочий газ - сжатый воздух или другой нейтральный газ (например, гелий) разгоняется в сопле 2, сверхзвуковой струей в реверберационной камере 1 взаимодействует с резонатором 3 и выбрасывается через боковые отверстия 10 в атмосферу. При определенном расстоянии между соплом 2 и входной частью конусного канала 15 в последнем возбуждаются высокочастотные колебания и перед резонатором 3 возникают ударные волны.

Кинетическая энергия газа в резонаторе 3 и трение газа о стенки конусного канала 15 переходят в тепло, нагревая концевую часть резонатора 3 до температуры воспламенения топливной смеси. Горючее (например, газообразный водород) подается через штуцер 8, окислитель (например, газообразный кислород) подается через штуцер 9. Расход компонентов топлива, подаваемый через каналы 11, 12 меньшего диаметра в дополнительную камеру смешения и дросселирующее отверстие, составляет 3-5% суммарного расхода топлива, рассчитанного по количеству выделяемой тепловой энергии раскаленной поверхностью резонатора, достаточной для его надежного воспламенения. Горючее, омывая резонатор 3 и нагреваясь, обеспечивает оптимальные условия по охлаждению резонатора 3. Окислитель, поступая в дросселирующее отверстие 6, соединяющее дополнительную камеру смешения 4 и камеру сгорания 7, смешивается с горючим в непосредственной близости от концевого торца резонатора 3. Нагретая до температуры самовоспламенения топливная смесь, воспламеняется в дополнительной камере смешения 4 и затем воспламеняет топливо в камере сгорания 7. В процессе работы воспламенителя горючее, поступающее в дополнительную камеру смешения 4, продолжает охлаждать резонатор 3. На определенном режиме работы воспламенителя отключается подача рабочего газа в сопло 2. Таким образом прекращается принудительный разогрев резонатора 3 и тем самым снижаются тепловые нагрузки на него при дальнейшей работе воспламенителя.

Авторами и заявителем проведен комплекс экспериментальных исследований с устройством, реализующим данный принцип работы. Полученные результаты подтвердили правильность заложенных технических решений и выбранных критериев.

Использование предложенного технического решения позволит создать воспламенители на основе газодинамического нагрева для двигателей различного назначения с повышенной эксплуатационной надежностью и улучшенными габаритно-массовыми характеристиками системы воспламенения.

1. Газодинамический воспламенитель, содержащий реверберационную камеру, сопло подачи рабочего газа, дополнительную камеру смешения с помещенным в ее полости резонатором, отличающийся тем, что на одной оси с дополнительной камерой смешения установлена камера сгорания, полости указанных камер соединены дросселирующим отверстием, при этом источник горючего соединен каналами с полостями дополнительной камеры смешения и камеры сгорания, а источник окислителя - с полостью камеры сгорания и дросселирующим отверстием.

2. Газодинамический воспламенитель по п.1, отличающийся тем, что диаметры каналов, соединяющих источник горючего с дополнительной камерой смешения и камерой сгорания, и диаметры каналов, соединяющих источник окислителя с дросселирующим отверстием и камерой сгорания, выполнены в соотношении

d₁/D₁=d₂/D₂=15-0,25,

где d₁ - диаметр канала, соединяющего источник горючего с дополнительной камерой смешения;

D₁ - диаметр канала, соединяющего источник горючего с камерой сгорания;

d₂ - диаметр канала, соединяющего источник окислителя с дросселирующим отверстием;

D₂ - диаметр канала, соединяющего источник окислителя с камерой сгорания.