Способ организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе (гпврд)


 


Владельцы патента RU 2550209:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостения имени П.И. Баранова" (RU)

Способ организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе высокоскоростного летательного аппарата, содержащего камеру сгорания, заключается в подаче горючего со сверхзвуковой скоростью через систему пилонов, обтекаемых кислородом, например, в составе воздуха. Затем воспламеняют топливовоздушную смесь, инициируя цепной механизм горения и энерговыделение в проточном тракте камеры. На границе раздела воздуха и горючего, по меньшей мере на выходе одного из пилонов, формируют струю холодной кислородной плазмы определенного поперечного размера, воздействуя на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада и приведенной напряженностью электрического поля. Изобретение направлено на снижение длины зоны воспламенения и зоны энерговыделения, увеличение тяги гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, снижение затрат энергии на процесс инициирования горения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, а именно к способу организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателях (ГПВРД).

В настоящее время потребности развития высокоскоростных реактивных летательных аппаратов выдвигают задачу интенсификации процессов воспламенения и горения в условиях низких температур и давлений или малого времени пребывания топливовоздушной смеси в камерах сгорания ГПВРД, где реализуется сверхзвуковая скорость потока. Воспламенение и горение большинства газовых смесей осуществляется вследствие протекания цепных реакций. Увеличение скоростей реакций, ответственных за образование высокоактивных радикалов или атомов, участвующих в цепном процессе, приводит к интенсификации воспламенения и горения. Одним из таких способов производства активных радикалов для инициирования и интенсификации горения является электрический разряд, в котором образование атомов и радикалов происходит вследствие диссоциации молекул электронным ударом. (1) М. Starikovskaya. Plasma assisted ignition and combustion // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - Vol.39. - P.R265-R299), (2) G. Lou, A. Bao, M. Nishihara, S. Keshav, Yu. G. Utkin, J.W. Rich, W.R. Lempert, I.V. Adamovich. Ignition of premixed hydrocarbon-air flows by repetitively pulsed, nanosecond pulse duration plasma // Proceedings of the Combustion Institute. - 2007. - Vol.201. - P.3327-3334).

Известно, что стимулирующее воздействие на процесс горения могут оказывать различные типы разряда: дуговой, коронный, диэлектрический барьерный, постоянного тока, тлеющий, электронно-лучевой или высоковольтный, высокочастотный разряд и др. Они характеризуются различными значениями приведенной напряженности электрического поля E/N, где E - напряженность электрического поля, а N - числовая плотность молекул газа. Параметры и состав разрядной плазмы определяются начальной температурой и давлением газа величиной E/N и удельной энергией Es, подведенной к газу в разряде.

Известен способ инициирования воспламенения и интенсификации горения или реформинга топливо-воздушных и топливо-кислородных смесей (патент РФ №2333381, опубл. 2008 г.), в том числе в газотурбинных двигателях, который заключается в том, что рабочую смесь в камере сгорания подвергают воздействию импульсно- периодического наносекундного высоковольтного разряда с ограниченной амплитудой и длительностью импульса высокого напряжения. Способ позволяет понизить температуру воспламенения рабочей смеси, повысить интенсивность химических реакций в процессах горения и риформинга и, как следствие, увеличить эффективность работы камеры сгорания.

В этих известных технических решениях специально организуется импульсно-периодический высоковольтный разряд для возбуждения во всем объеме камеры сгорания рабочей смеси с достаточно большой приведенной напряженностью электрического поля E/N>5·10-15 В·см2, при которой в разряде происходит преимущественно диссоциация молекул кислорода O2 и других компонентов, например СН4, электронным ударом с затратами энергии 5.1 эВ/молекулу O2 и реализуется диффузионный характер горения.

При диффузном режиме горения в высокоскоростном (сверхзвуковом) потоке реализуются большие длины зон воспламенения и энерговыделения (т.е. области интенсивного протекания химических реакций). Большая длина зоны энерговыделения приводит к увеличению длины камеры сгорания и, как следствие, к росту весогабаритных характеристик, что затрудняет создание на практике реальных конструкций прямоточных воздушно-реактивных двигателей для высокоскоростных летательных аппаратов.

В основу настоящего изобретения положена задача - создание способа организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, позволяющего сократить длину области интенсивного тепловыделения, увеличить полноту сгорания и увеличить тягу.

Технический результат - снижение длины зоны воспламенения и зоны энерговыделения и увеличение тяги.

Другим техническим результатом является снижение затрат энергии на процесс инициирования горения.

Поставленная задача решается тем, что в способе организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ГПВРД) высокоскоростного летательного аппарата, содержащего камеру сгорания, куда через систему пилонов, обтекаемых окислителем - кислородом, например, в составе воздуха, подают горючее, со сверхзвуковой скоростью, и воспламеняют смесь топлива и окислителя, инициируя цепные реакции в проточном тракте камеры сгорания, на границе раздела окислителя (воздуха) и топлива, истекающего, по меньшей мере, из одного, пилона, формируют струю холодной кислородной плазмы определенного поперечного размера d, воздействуя на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада Es и приведенной напряженностью электрического поля E/N.

Применяют существующие оптимальные значения поперечного размера d струи холодной кислородной плазмы, параметра E/N и длины зоны горения в проточном тракте камеры сгорания, обеспечивающих наименьшие длины зон воспламенения и энерговыделения, а также максимальную полноту сгорания и максимальную эффективность использования энергии, подведенной к газу в разряде при заданной Es.

Оптимальные значения при подаче горючего в виде водорода толщины d составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а значение приведенной напряженности электрического поля находятся в диапазоне E/N=5-10·1016 В·см2, при подаче горючего в виде метана толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а величина E/N=1-5 10-16 В·см2.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком 1, где показан, в качестве примера для осуществления способа согласно изобретению, фрагмент принципиальной схемы ГПВРД, содержащего камеру сгорания 1, в которую поступает окислитель - кислород в составе воздуха 6, систему топливных пилонов 2, один из которых, пилон 3, расположен по центру и содержит каналы 7 для подачи в поток холодной кислородной плазмы, сопло 4.

В камеру сгорания 1 через систему пилонов 2, обтекаемых окислителем, например, воздухом 6, подают горючее 8 со сверхзвуковой скоростью, и воспламеняют топливовоздушную смесь, инициируя цепной механизм горения и энерговыделение в проточном тракте 5.

В качестве горючего 8 можно использовать, например, водород, или метан, или другие углеводороды, а кислород может поступать как в составе воздуха 6, так и в виде чистого кислорода, обработанного электрическим разрядом.

На границе раздела окислителя (воздуха 6) и горючего 8, истекающего из центрального пилона 3, формируют струю холодной кислородной плазмы 7 определенного поперечного размера d, которую генерируют воздействием на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада Es и приведенной напряженностью электрического поля E/N, где E - напряженность электрического поля, а N - числовая плотность молекул газа.

Численный анализ показал, что существуют оптимальные значения поперечного размера d струи холодной кислородной плазмы, параметра E/N и длины зоны горения в проточном тракте камеры сгорания, обеспечивающих наименьшие длины зон воспламенения и энерговыделения, а также максимальную полноту сгорания и максимальную эффективность использования энергии, подведенной к газу в разряде при заданной Es.

Так, при подаче горючего в виде водорода толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, значение же приведенной напряженности электрического поля находятся в диапазоне E/N=5-10·10-16 В·см2, а при подаче горючего в виде метана толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.6% от поперечного размера камеры сгорания, величина же E/N=1-5·10-16 В·см2.

В зависимости от величины E/N и Es меняется состав и параметры (давление, температура и скорость) кислородной плазмы из зоны разряда. Поэтому влияние приведенной напряженности электрического поля E/N, величины удельного энерговклада Es, подведенной к газу в разряде, значения толщины слоя d, в котором проводится активация молекул O2 электрическим разрядом, на процессы горения происходит через изменение состава кислородной плазмы в разряде, а изменение толщины слоя d, подводимой к потоку холодной кислородной плазмы, сказывается на условиях смешения этой плазмы с потоком горячего воздуха и холодной струей топлива.

Для примера исследуем воспламенение в сверхзвуковом слое смешения струи водорода (число Маха 2.5 и температура 450 К) и потока воздуха (число Маха 3.5 и температура 900 К) при статическом давлении Р0=0.1 и 0.3 бар. Данные параметры потока воздуха близки к параметрам на входе в камеру сгорания высокоскоростного прямоточного воздушно-реактивного двигателя при числе Маха полета М=6. При таких условиях реализовать воспламенение без разряда на практически приемлемых длинах L даже при давлении P0=0.1-0.5 бар, которое реализуется в камере сгорания ГПВРД при М=6, не удается. Для интенсификации процесса воспламенения и горения подаем кислородную плазму в виде струи на границе раздела водородного и воздушного потоков, при этом варьировались величины удельного энерговклада Es и приведенной напряженности электрического поля E/N, а также толщина струи кислорода, активированного электрическим разрядом, d.

Применение оптимальных значений E/N и d обеспечивают максимальное сокращение длины задержки воспламенения. При удельном энерговкладе Es=0.5 Дж/нсм3 и E/N=1.1·10-16 В·см2 удается сократить длину задержки воспламенения L до 58 см (более чем в тридцать раз) при давлении 0.1 бар и до 19 см (в 68 раз) при давлении 0.3 бар. При этом поперечный размер струи кислорода d, активированного в электрическом разряде, менее 4% от поперечного размера камеры сгорания, а температура 600 К. Отметим, что в этом случае энерговыделение в камере сгорания в ~880 раз превышает затраты.

Также исследовано влияние поперечного размера струи кислорода, активированного в электрическом разряде, d, отнесенного к поперечному размеру камеры сгорания, на процесс горения в плоской камере сгорания высокоскоростного ВРД с длиной 85 см для следующих условий в воздушном потоке на входе в камеру: М0=3.75, Р0=03 бар и T0=1100 К. Установлено, что в базовом варианте, без вдува кислородной струи, длина задержки воспламенения L превышает 50 см. Определены параметры разряда и поперечный размер струи кислорода (см. п.1), позволяющие уменьшить длину задержки воспламенения L до 4-6 см. Для рассмотренной камеры сгорания с коротким расширяющимся участком на выходе (с длиной 50 см), тяга увеличивается при вдуве струи кислорода, активированного в электрическом разряде, примерно на 62% по сравнению с базовым вариантом, хотя вдув эквивалентной струи чистого кислорода (без разряда) приводит к возрастанию интеграла сил давления всего на 32%, т.е. активация кислорода в специально организованном электрическом разряде в оптимальном диапазоне E/N=5-10·10-16 В·см2 позволяет практически вдвое увеличить прирост тяги (топливо - водород). При этом энерговыделение в камере сгорания в ~300 раз превышает затраты энергии на организацию электрического разряда. Для метана (вместо водорода) оптимальна активация кислорода разрядом при меньших значениях E/N:1-5·10-16 В·см2 (причем алгоритм поиска "метанового" оптимума аналогичен алгоритму "водородного" оптимума). В точке оптимума как для водорода, так и для метана полнота сгорания на срезе сопла повышается на ~10%.

Выявленные возможности по управлению процессом воспламенения и горения в камере сгорания ГПВРД с помощью электрического разряда обладают важным практическим значением для создания высокоскоростных летательных аппаратов с расширенным диапазоном скорости, высоты полета и лучшими характеристиками (дальность, полезная нагрузка).

1. Способ организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ГПВРД) высокоскоростного летательного аппарата, содержащего камеру сгорания, куда через систему пилонов, обтекаемых кислородом, например, в составе воздуха, подают горючее со сверхзвуковой скоростью, и воспламеняют топливовоздушную смесь, инициируя цепной механизм горения и энерговыделение в проточном тракте камеры, отличающийся тем, что на границе раздела воздуха и горючего, по меньшей мере, на выходе одного из пилонов, формируют струю холодной кислородной плазмы определенного поперечного размера d, воздействуя на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада Es и приведенной напряженностью электрического поля E/N, где E - напряженность электрического поля, a N - числовая плотность молекул газа.

2. Способ организации воспламенения и горения топлива в ГПВРД по п.1, отличающийся тем, что применяют оптимальные значения поперечного размера d струи холодной кислородной плазмы, параметра E/N и длины зоны горения в проточном тракте камеры сгорания, обеспечивающих наименьшие длины зон воспламенения и энерговыделения, а также максимальную полноту сгорания и максимальную эффективность использования энергии, подведенной к газу в разряде при заданной Es.

3. Способ организации воспламенения и горения топлива в ГПВРД по п.1 или 2, отличающийся тем, что при подаче горючего в виде водорода толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а значение приведенной напряженности электрического поля находятся в диапазоне E/N=5-10·10-16 В·см2.

4. Способ организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе по п.1 или п.2 отличающийся тем, что при подаче горючего в виде метана толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а величина E/N=1-5·10-16 В·см2.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в космической и оборонной отрасли. Высокоскоростной прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) содержит последовательно расположенные воздухозаборное устройство, камеру сгорания (КС) и выходное сопло.

Изобретение может быть использовано в космической и оборонной отрасли. Способ воспламенения топливной смеси заключается в том, что в камеру сгорания двигателя подают высокоскоростной поток воздуха, обеспечивают торможение потока, образуют в камере сгорания топливную смесь и воспламеняют ее.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит сверхзвуковой воздухозаборник, сверхзвуковую камеру сгорания, выходное сверхзвуковое сопло, обечайку, регулятор давления подачи топлива, устройство подачи топлива в двигатель, источник лазерного излучения и оптическую систему.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) содержит корпус, воздухозаборник с центральным телом, внутри которого установлена топливная форсунка в виде газоструйного резонатора с острой передней кромкой, соединенной пилонами с воздухозаборником, камеру сгорания, воспламенитель, сопло, систему управления и твердотопливный картридж для стартового разгона.

Аппарат для взаимодействия с воздухом или газом, способный выполнять функцию компрессора или детандера, содержит корпус, вал для передачи крутящего момента, ротор.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД). .

Изобретение относится к реактивным двигателям без газовых турбин. .

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к способу организации горения в гиперзвуковом прямоточном реактивном двигателе и гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю с горением в наклонной детонационной волне.

Изобретение относится к двигателю, использующему воздух, движущийся со сверхзвуковыми скоростями для сжатия, сжигания и расширения. .

Изобретение относится к тепловым и ядерным силовым установкам, в частности к реактивным двигательным установкам, и может быть использовано для защиты от тепловых потоков высокой плотности деталей и узлов, в том числе датчиков замера параметров рабочего тела, линий коммуникаций, а также устройств распыла дополнительной среды, располагаемых в тракте высокотемпературного, высокоскоростного рабочего тела силовой установки.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению и предназначено для прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом горючем содержит воздухозаборник, газогенератор с зарядом твердого горючего в отдельном корпусе, камеру дожигания и сопло. Функционирование двигателя в режиме сверхзвукового горения включает неполное торможение воздушного потока в воздухозаборнике, газификацию твердого горючего в газогенераторе, разложение продуктов газификации в охлаждающем тракте, смешение воздуха и продуктов разложения, воспламенение и сжигание смеси в камере дожигания, расширение продуктов сгорания в сопле. Также представлен способ функционирования прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом горючем. Изобретение позволяет улучшить массогабаритные характеристики, повысить энергоемкость при быстром и полном сгорании горючего, а также обеспечить надежную защиту и охлаждение стенок камеры дожигания. 2 н. и 16 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в камере сгорания гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя. Генератор акустических колебаний для камеры сгорания гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя содержит свечу зажигания, топливные сопла, профилированную геометрию проточной части, камеру смешения, вихревую камеру, выходной диффузор, лопаточное закручивающее устройство, сверхзвуковой диффузор. Изобретение направлено на снижение выбросов оксидов азота, повышение полноты сгорания горючего, как в объеме невозмущенного потока, так и в проточной части самого генератора акустических волн, отсутствие энергозатрат на создание необходимого давления. 1 ил.
Наверх