Влияние центрального тела расположенного в сопле на структуру потока в импульсной камере сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.453

ВЛИЯНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЕЛА РАСПОЛОЖЕННОГО В СОПЛЕ НА СТРУКТУРУ ПОТОКА В ИМПУЛЬСНОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

Л. С. Курашов Научный руководитель - А. М. Сафарбаков

Московский государственный технический университет гражданской авиации -

Иркутский филиал Российская Федерация, Иркутск, ул. Советская, 139 E-mail: [email protected]

Организация высокочастотного горения в импульсной камере сгорания требует быстротечных процессов ее наполнения топливовоздушной смесью, горения и опорожнения от газов. При проектировании импульсной камеры сгорания необходимо так организовать единичный цикл ее работы, чтобы в нем значения температуры и давления газов были максимальны. Это можно достичь установкой центрального тела в выходное устройство.

Ключевые слова: импульсная камера сгорания, фронтовое устройство, обратный клапан, топливовоздушная смесь, завихритель, выходное устройство, дросселирующее устройство.

INFLUENCE OF THE CENTRAL BODY LOCATED IN THE NOZZLE ON THE FLOW STRUCTURE IN THE PULSED COMBUSTION CHAMBER

L. S. Kurashov Scientific Supervisor -A. M. Safarbakov

Moscow State Technical University of Civil Aviation -

Irkutsk branch E-mail: [email protected]

The organization of high-frequency combustion in an impulse combustion chamber requires fast processes offilling it with a fuel-air mixture, burning and emptying of gases. When designing a pulsed combustion chamber, it is necessary to organize a single cycle of its operation so that the values of the temperature and pressure of the gases in it are maximal. This can be achieved by installing a central body in the output device.

Keywords: pulse combustion chamber, front device, check valve, fuel-air mixture, swirler, output device, throttling device.

Основным элементом пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) является импульсная камера сгорания. Рабочий процесс, реализуемый таким двигателем, описывается термодинамическим циклом Гемфри. Камера сгорания (КС) - объём, образованный совокупностью деталей двигателя, в котором происходит сжигание горючей смеси [1]. Конструкция камеры сгорания определяется в первую очередь назначением теплового двигателя, а во вторую условиями работы этого двигателя [2].

Форма камер сгорания ПуВРД имеет примерно один и тот же вид. Это цилиндрическая камера сгорания, в которой происходит процесс смешения топливовоздушной смеси и ее горение, и выходное устройство. Выходное устройство определяет частоту и интенсивность колебания газового потока. Его длина и форма могут быть различными. Форма может быть цилиндрической, расширяющейся, сужающейся и изогнутой [3]. Максимально возможный импульс силы от газов, истекающих через выходное устройство можно получить только при оптимальных величинах его длины, диаметра и формы. Оптимальные геометрические параметры получают

Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»

на основе экспериментальных исследований. В настоящее время в ПуВРД наиболее распространенной формой сопла является конус или эллипс. Таким образом, для импульсных двигателей одной из главнейших проблем является процесс опорожнения камеры сгорания от продуктов горения с созданием импульса тяги. Установка центрального тела в выходное устройство камеры сгорания осуществляет дросселирование потока газа. Следовательно, увеличивается время истечения продуктов сгорания. Для импульсных двигателей, работающих в высокочастотном диапазоне такое приспособление недопустимо. А вот для ПуВРД работающих в низкочастотном диапазоне, установка центрального тела, за счет поджатия потока, приводит к лучшему перемешиванию топливовоздушной смеси в объеме камеры сгорания и полноте ее сгорания.

Цель исследования заключалась в определении влияния центрального тела установленного в выходном устройстве импульсной камеры сгорания на структуру потока в ней и на время опорожнения камеры сгорания от продуктов сгорания.

Для проведения исследований была создана модель камеры сгорания с центральным телом в выходном устройстве (рис. 1).

Рис. 1. Схема модели импульсной камеры сгорания с центральным телом.

1 - жаровая труба, в которой осуществляется перемешивание топливовоздушной смеси и ее горение; 2 - центральное тело конусовидной формы, установленное в выходном устройстве; 3 - завихритель потока для создания циркуляционных зон; 4 - обратный клапан для импульсной подачи воздуха в объем камеры сгорания

Модель камеры сгорания помещалась в гидробассейн, и через обратный клапан задавался расход воды. Проведение исследований в гидробассейне потребовало соблюдения газогидродинамического подобия. За критерий подобия было выбрано число Рейнольдса Яе. Для известных натурных объектов (реальных камер сгораний) действительные числа Яекр, определяемые для воды по гидравлическому диаметру входа в камеру сгорания, составляют Яекр « 105 [4]. Тогда при изготовлении модели камеры сгорания для обеспечения подобия по числу Яе достаточно выполнить условие Яе > Яекр. Число Яе, определенное для модели Яемод = 2780678, т. е. Яемод >> Яекр. Таким образом, течение в канале реальной камеры сгорания авиационного ГТД и в канале модели камеры сгорания можно считать подобными по числу Рейнольдса, т. е., эксперимент проводится в автомодельной области по Яе.

Эксперимент по выявлению влияния центрального тела на объем циркуляционных зон в камере сгорания проводился в следующей последовательности. Через фронтовое устройство задавался определенный расход воды ОВ . В результате этого в объеме камеры сгорания возникали циркуляционные течения, которые фиксировались фотоаппаратом и видеокамерой. Циркуляционные зоны определялись при помощи подкрашенной жидкости вводимой в зоны течения с помощью медицинской иглы.

В результате проведенных исследований в гидробассейне выявлено, что установка центрального тела в выходное устройство камеры сгорания существенно увеличивает объем циркуляционных зон (рис. 2). Такие зоны займут практически весь объем камеры сгорания. Топливо-воздушная смесь хорошо перемешается, что будет сопровождаться при ее горении большим выделением тепла и давления.

Рис. 2. Циркуляционные зоны в объеме камеры сгорания

Рис. 3. Характер изменения давления газов в камере сгорания

Исследования по замеру давления при огневых испытаниях показали, что в камере сгорания с центральным телом в выходном устройстве давление газов несколько выше, чем без тела (рис. 3). Длительность импульса больше. Все это дает возможность предположить, что импульс силы от истекающих газов будет больше.

Библиографические ссылки

1. ГОСТ 23851-79. Государственный стандарт Союза ССР. Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

2. Конструкция и рабочий процесс камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей / И. Ф. Кравченко, В. Е. Костюк, Ю. А. Гусев и др. : учеб. пособие. Харьков : Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. 89 с.

3. Бородин В. А. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели летающих моделей самолетов. М. : Изд-во ДОСААФ, 1968.

4. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. М. : Наука, 1977.

© Курашов Л. С., 2017