Способ определения коэффициента полноты сгорания топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе

Изобретение относится к авиационной технике и ракетно-космической технике, а именно к разработке высокоскоростных летательных аппаратов с интегрированной силовой установкой на водородном топливе. Способ определения коэффициента полноты сгорания топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, в котором модель двигателя жестко соединяют с горизонтальной тягоизмерительной платформой. Платформу устанавливают на поперечные упругие опоры и соединяют с датчиком силы. После этого подают воздух на вход в камеру сгорания. Измеряют усилие на датчике силы. Потом в камеру сгорания подают топливо. Воспламеняют полученную топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы и статическое давление в выходном сечении модели. Измеряют физические величины во время испытания. Затем вычисляют коэффициент полноты сгорания топливной смеси путем решения системы уравнений, удовлетворяющей закону сохранения массы, импульса и энергии, которая составляется для выходного сечения сопла. Изобретение обеспечивает возможность определения коэффициента полноты сгорания топлива со сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания модели двигателя, обтекаемой свободным воздушным потоком, а также повышение точности определения параметров при натурных измерениях и испытаниях модели двигателя. 1 ил.

 

Изобретение относится к авиационной технике и ракетно-космической технике, а именно к разработке высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) с интегрированной силовой установкой (СУ) на водородном топливе.

Важным показателем совершенства силовой установки (двигателя) является коэффициент полноты сгорания топлива (топливной смеси), характеризующий происходящий в силовой установке экзотермический процесс окисления топлива при его соединении с воздушным потоком.

Коэффициент полноты сгорания топлива можно определять несколькими способами: анализом проб, отобранных из тракта двигателя; методами лазерной диагностики состава газа; оптическими методами; на основании измерения сил, приложенных к поверхностям двигателя; определением концентрации компонентов продуктов сгорания двигателя расчетным путем и газодинамическим способом - по измерению давлений и тепловых потоков в стенки камеры сгорания двигателя. Все эти способы являются способами косвенного определения необходимых данных для вычисления коэффициента полноты горения топлива и соответственно точность зависит от выбранного метода. Наиболее точным определением коэффициента полноты сгорания топлива может быть в способе в котором определяют абсолютные значения усилия двигателя, статическое давление на выходном сечении сопла при испытаниях в свободном потоке течения газа в камере сгорания двигателя или его модели. Известен способ определения коэффициента полноты сгорания топливной смеси по температуре продуктов сгорания [William Н. Heiser, David Т. Pratt. Hypersonic Airbreathing Propulsion. AIAA Education Series. 1994, p. 330.331] расчетным путем. Недостатком температурного способа является то, что способ непригоден для высокотемпературных потоков газа, характерных для высокоскоростных двигателей.

Известен способ определения коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с использованием замеров статического давления [Орлик Е.В., Старов А.В., Шумский В.В. Определение газодинамическим способом полноты выгорания в модели с горением. Физика горения и взрыва, 2004, т. 40, №4, стр. 23-34]. В способе производят измерение статического давления вблизи стенки в качестве среднего по сечению. Недостатком является использование в расчетах этого усредненного значения, что не позволяет корректно определять коэффициенты полноты сгорания в потоках с сильной неравномерностью.

Наиболее близким к заявленному способу, принятому за прототип, является способ определения полноты сгорания топливной смеси в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (патент РФ №2495270). В этом способе модель прямоточного воздушно-реактивного двигателя жестко соединяют с горизонтальной тягоизмерительной платформой, установленной на упругих опорах. Тягоизмерительную платформу также соединяют с датчиком силы. Первоначально воздух подают на вход двигателя без подачи топлива в камеру сгорания. Измеряют усилие на датчике силы. Затем дополнительно подают в камеру сгорания топливо. Воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы. Затем вычисляют η коэффициент полноты сгорания топливной смеси по соотношению:

Недостатком данного способа является то, что он применим только для двигателей с критическим сечением, в котором реализуется замыкающее условие - число Маха М=1 и не пригоден для определения коэффициента полноты сгорания топлива со сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания.

Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является:

- обеспечение возможности определение коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания модели двигателя, обтекаемой свободным воздушным потоком, характеризующейся сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания;

- повышение точности определения коэффициента полноты сгорания топлива при натурных измерениях и испытаниях модели такого типа двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента полноты сгорания топлива модель двигателя жестко соединяют с горизонтальной тягоизмерительной платформой, платформу устанавливают на упругие опоры и соединяют с датчиком силы производят первый этап измерений подают воздух на вход в камеру сгорания и измеряют усилие на датчике силы (Р), статическую температуру газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (Т_х) площадь выходного сечения (F), угол атаки модели (γ), скорость газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (w_x), периметр сечения проточного тракта (П), расход воздуха через проточный тракт модели (G_в), массовую долю воздуха в выходном сечении сопла (g_в), далее производят второй этап измерений для чего подают в камеру сгорания топливо, воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы, скорость газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (w), статическую температуру газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (T), расход топлива через проточный тракт модели (G_г), разность показаний датчика силы в пуске с подачей топлива и без подачи (ΔР), статическую энтальпию топлива в выходном сечении сопла (h_г), статическую энтальпию продуктов сгорания в выходном сечении сопла (h_nc), массовую долю топлива в выходном сечении сопла (g_г), массовую долю продуктов сгорания в выходном сечении сопла (g_nc) так, что в выходном сечении сопла устанавливают датчики статического давления и дополнительно при первом и втором этапах измерений производят измерения статического давления на срезе сопла в выходном сечении сопла модели (р_х) и статического давления газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (р), затем на основании полученных измеренных данных и констант вычисляют коэффициент полноты сгорания топлива η, для чего решают систему уравнений:

где

R_x - газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;

h_g - статическая энтальпия воздуха;

Н_в0 - полная энтальпия воздуха;

R - газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;

Н_го - полная энтальпия топлива;

α - коэффициент избытка окислителя;

L₀ - стехиометрическое соотношение топлива и окислителя;

χ - коэффициент, зависящий от коэффициента избытка окислителя;

η - коэффициент полноты сгорания топлива;

Р - угол наклона струи газа к строительной горизонтали модели;

q - тепловой поток к стенке проточного тракта;

q_х - тепловой поток к стенке для текущей координаты х.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена модель двигателя со сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания, установленная на тягоизмерительной платформе.

Способ определения коэффициента полноты сгорания топлива при сверхзвуковом течении газа в камере сгорания 2 модели прямоточного воздушно-реактивного двигателя осуществляют в следующей последовательности действий. Перед работой модель двигателя 1 жестко соединяют с тягоизмерительной платформой 3. Платформу 3 устанавливают на упругие опоры 4 и соединяют с датчиком силы 5. Измеряют усилие на датчике силы 5. После чего подают воздух в камеру сгорания 2. Измеряют усилие на датчике силы 5 (Р) и давление (р_х) в выходном сечении 6. Производят измерение статической температуры газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (Т_х), площади выходного сечения (F), угла атаки модели (γ), скорости газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (w_x), периметра сечения проточного тракта (П), расхода воздуха через проточный тракт модели (G_в), массовой доли воздуха в выходном сечении сопла (g_в). Потом дополнительно подают топливо в камеру сгорания 2. Воспламеняют образовавшуюся топливную смесь. Осуществляют процесс горения в камере сгорания 2 топливной смеси. В процессе горения смеси измеряют силу по датчику 5 и давление (р) в выходном сечении 6 сопла 7. Производят измерения скорости газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (w), статической температуры газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (Т), расхода топлива через проточный тракт модели (), разности показаний датчика силы в пуске с подачей топлива и без подачи (ΔР), статической энтальпии топлива в выходном сечении сопла (), статической энтальпии продуктов сгорания в выходном сечении сопла (), массовой доли топлива в выходном сечении сопла (), массовой доли продуктов сгорания в выходном сечении сопла (). Затем вычисляют полноту сгорания топливной смеси для чего используют полученные измеренные данные и константы.

Затем вычисляют коэффициент полноты сгорания топлива путем решения системы уравнений, удовлетворяющей закону сохранения массы, импульса и энергии, которая составляется для выходного сечения сопла:

где

w_x скорость газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;

р_х статическое давление газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;

R_x газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;

Т_х статическая температура газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;

F площадь выходного сечения сопла;

γ угол атаки модели;

β угол наклона струи газа к строительной горизонтали модели;

h_в статическая энтальпия воздуха;

Н_в0 полная энтальпия воздуха;

q_x тепловой поток в стенки проточного тракта;

П периметр сечения проточного тракта;

G_в расход воздуха через проточный тракт модели;

w скорость газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;

р статическое давление газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;

R газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;

Т статическая температура газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;

расход горючего через проточный тракт модели;

ΔР разность показаний датчика силы в пуске с подачей топлива и без подачи топлива;

статическая энтальпия топлива в выходном сечении сопла;

статическая энтальпия продуктов сгорания в выходном сечении сопла;

g_в массовая доля воздуха в выходном сечении сопла;

массовая доля топлива в выходном сечении сопла;

массовая доля продуктов сгорания в выходном сечении сопла;

полная энтальпия топлива;

α коэффициент избытка окислителя;

L₀ стехиометрическое соотношение топлива и окислителя;

χ - коэффициент, зависящий от коэффициента избытка окислителя;

η - коэффициент полноты сгорания.

Таким образом, совокупностью существенных признаков предложенного способа определения коэффициента полноты сгорания топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, достигается возможность определения коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания модели двигателя, обтекаемой свободным воздушным потоком, характеризующейся сверхзвуковой скоростью течения газов в камере сгорания; повышение точности определения коэффициента полноты сгорания топлива при натурных измерениях и испытаниях модели такого типа двигателя.

Способ определения коэффициента полноты сгорания топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, при котором модель двигателя жестко соединяют с горизонтальной тягоизмерительной платформой, платформу устанавливают на упругие опоры и соединяют с датчиком силы, производят первый этап измерений, подают воздух на вход в камеру сгорания и измеряют усилие на датчике силы (P), статическую температуру газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (T_x,), площадь выходного сечения (F), угол атаки модели (γ), скорость газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива (w_x), периметр сечения проточного тракта (П), расход воздуха через проточный тракт модели (G_в), массовую долю воздуха в выходном сечении сопла (g_в), далее производят второй этап измерений, для чего подают в камеру сгорания топливо, воспламеняют образовавшуюся топливную смесь и в процессе горения смеси измеряют усилие на датчике силы, скорость газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (w), статическую температуру газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (Т), расход топлива через проточный тракт модели (G_г), разность показаний датчика силы в пуске с подачей топлива и без подачи (ΔР), статическую энтальпию топлива в выходном сечении сопла (h_г), статическую энтальпию продуктов сгорания в выходном сечении сопла (h_тс), массовую долю топлива в выходном сечении сопла (g_г), массовую долю продуктов сгорания в выходном сечении сопла (g_nc), отличающийся тем, что в выходном сечении сопла устанавливают датчики статического давления и дополнительно при первом и втором этапах измерений производят измерения статического давления на срезе сопла в выходном сечении сопла модели (р_х) и статического давления газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива (р), затем на основании полученных измеренных данных и констант вычисляют коэффициент полноты сгорания топлива η, для чего решают систему уравнений:

где R_x - газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске без подачи топлива;

h_в - статическая энтальпия воздуха;

Н_в0 - полная энтальпия воздуха;

R - газовая постоянная газа в выходном сечении сопла в пуске с подачей топлива;

Н_г0 - полная энтальпия топлива;

α - коэффициент избытка окислителя;

L₀ - стехиометрическое соотношение топлива и окислителя;

χ - коэффициент, зависящий от коэффициента избытка окислителя;

η - коэффициент полноты сгорания топлива;

β - угол наклона струи газа к строительной горизонтали модели;

q - тепловой поток к стенке проточного тракта;

q_x - тепловой поток к стенке для текущей координаты х.