CC BY
31
УДК 621.453
ВЛИЯНИЕ ЗАВИХРИТЕЛЯ НА СТРУКТУРУ ПОТОКА В ИМПУЛЬСНОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ
В. В. Колгатин, А. С. Бекишев* Научный руководитель - А. И. Исаев
Московский государственный технический университет гражданской авиации -
Иркутский филиал Российская Федерация, Иркутск, ул. Советская, 139 E-mail: [email protected]
Камера сгорания - один из основных узлов пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД). Её назначение - сжигание топлива и получение высоконагретого рабочего тела совершающего полезную работу. Горение топливной смеси является основой рабочего процесса камеры сгорания. При этом в камере сгорания происходит химическая реакция, сложный теплообмен, диффузия, турбулентное перемешивание топливовоздушных и газовых потоков, испарение и газификация. В связи с этим при проектировании камер сгорания особое внимание уделяется процессам образования, и горения топливной смеси.
Ключевые слова: импульсная камера сгорания, фронтовое устройство, обратный клапан, завихритель, топливовоздушная смесь.
THE INFLUENCE OF SWIRL ON THE STRUCTURE OF THE FLOW IN THE IMPULSE CHAMBER COMBUSTION SPACE OF THE ENGINE
V. V. Kolgatin, A. S. Bekishev Scientific Supervisor - A. I. Isaev
Moscow State Technical University of Civil Aviation -Irkutsk branch 139, Sovetskaya Str., Irkutsk, Russian Federation
The combustion chamber is one of the main components of a pulsating air-breathing engine (PuVRD). Its purpose is burning fuel and getting a highly heated working body doing useful work. Combustion of the fuel mixture is the basis of the working process of the combustion chamber. At the same time, a chemical reaction takes place in the combustion chamber, a complex heat exchange, diffusion, turbulent mixing of air-fuel and gas streams, evaporation and gasification. In this connection, when designing combustion chambers, special attention is paid to the formation processes, and combustion of the fuel mixture.
Keywords: pulse combustion chamber, front device, check valve, swirler, fuel-air mixture.
В качестве объекта исследования использовалась модель импульсной камеры сгорания трубчатого типа. Фронтовое устройство ее представляет собой обратный клапан [1], обеспечивающий подвод воздуха в объем камеры сгорания и препятствующий истечению среды в обратном направлении. Следом за обратным клапаном для формирования циркуляционной структуры в жаровой трубе установлен завихритель потока [2].
Для исследования структуры потока была изготовлена натурная модель импульсной камеры сгорания [3]. Жаровая труба, обратный клапан и завихритель потока изготовлены из пластмассы посредством 3В-печати с разработкой соответствующих моделей (рис. 1, 2).
Гидродинамические исследования структуры потока в объеме камеры сгорания проводились в гидробассейне. Модель помещалась в водяной объем, и через фронтовое устройство зада-
Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»
вался расход воды. Структура течения определялась при помощи подкрашивающей жидкости вводимой медицинской иглой в исследуемое пространство.
Рис. 1. Модель лопаточного завихрителя Рис. 2. Модель обратного клапана
(фронтового устройства) в разрезе
При проведении исследования объем камеры сгорания со сторон сопла закрывался, и из него откачивалась вода. Таким образом, осуществлялось гидродинамическое подобие при истечении газа в замкнутый объем без воздуха.
Расход рабочего тела (воды) поступающего через фронтовое устройство модели камеры сгорания оставался постоянным в течение всех экспериментов.
Исследования по определению циркуляционных течений проводились в следующей последовательности.
1. Определялись площади циркуляционных течений при истечении жидкости в камеру сгорания через фронтовое устройство без завихрителя.
2. Определялись площади циркуляционных течений при истечении жидкости в камеру сгорания через фронтовое устройство с завихрителем.
В результате проведенных исследований делался вывод. Какое фронтовое устройство за собой создает наибольшую циркуляционную зону.
При истечении газа из сопла в сильно разреженное пространство, газ под действием инверсионных сил стремится собраться в жгут. Это явление хорошо видно, когда самолет летит в верхних слоях атмосферы. Струя реактивных газов собирается в жгут и потом рассеивается. Аналогичное явление наблюдается и при проливках модели камеры сгорания. Поток жидкости, прошедший через профилированные отверстия обратного клапана и его тарелку собирается в жгут, который разбивается об запирающее устройство, находящееся в сопле. В последствие, потеряв свою кинетическую энергию, он уже не сможет создать циркуляционную зону. Следовательно, инверсионную струю необходимо разбить. Кроме того, тарелка обратного клапана является пло-хообтекаемым телом, и при обтекании ее потоком воздуха, создает следом за собой зону сильно возмущенного турбулентного течения. В этой зоне частицы воздуха стремятся сместиться к оси тарельчатого клапана за счет инверсионных сил. Такое движение частиц потока создает за тарельчатым клапаном зону обратных токов, но она будет совсем небольшая (рис. 3).
Рис. 3. Структура потока в камере сгорания без завихрителя
Создать объемную циркуляционную зону по всему объему камеры сгорания в этом случае сможет завихритель потока [4], установленный за тарелкой обратного клапана. Частицы среды, прошедшие через лопатки завихрителя, под действием инерционных сил отлетают к стенкам камеры сгорания и заполняют весь ее объем. Кроме того, за счет сил вязкости и трения в объеме возникает циркуляционная зона. В такой циркуляционной зоне произойдет качественное перемешивание компонентов топлива и окислителя (рис. 4).
Рис. 4. Структура потока в камере сгорания с завихрителем потока
Качественно перемешанная топливная смесь при сгорании выделит большое тепло и давление. При открытии критического сечения сопла Лаваля, горячие газы истекут из него с выделением импульса силы.
Библиографические ссылки
1. ГОСТ 24856-81. Арматура трубопроводная промышленная. Термины и определения. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
2. ГОСТ 23851-79. Государственный стандарт Союза ССР. Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
3. Конструкция импульсной камеры сгорания для газотурбинного двигателя: Высокие технологии, экономика, промышленность / А. И. Исаев, А. М. Сафарбаков, Д. В. Богданович и др. // Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике : сб. ст. XIII Междунар. науч.-практ. конф. Т. 2, ч. 2 / под ред. А. П. Кудинова. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. С. 67-71.
4. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД : пер. с англ. М. : Мир, 1986. 566 с.: ил.
© Колгатин В. В., Бекишев А. С., 2017
