Автореферат (Стабилизация горения на струях нагретого газообразного горючего в камерах сгорания ПВРД)

На правах рукописиМитрохов Николай ВячеславовичСТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ НА СТРУЯХ НАГРЕТОГОГАЗООБРАЗНОГО ГОРЮЧЕГО В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ПВРДСпециальность 05.07.05"Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов"АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2012Работа выполнена в Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете) (МАИ)Научный руководитель:доктор технических наук,Аврашков Валерий НаумовичОфициальные оппоненты:Абашев Виктор Михайловичдоктор технических наук, профессор, Московскийавиационный институт (национальныйисследовательский университет), профессор.Куприк Виктор Викторовичкандидат технических наук, НТЦ им. А.Люльки НПО«Сатурн», Главный конструктор.Ведущая организация:ЗАО "Конструкторское бюро "ИСКРА"Защита состоится "17" декабря 2012г. в 15:00 часов на заседании диссертационного советаД212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета) (МАИ), по адресу: 125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское ш., д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института(национального исследовательского университета) (МАИ).Автореферат разослан "___"________________2012г.Ученый секретарьдиссертационного совета,д.т.н., профессорЮ. В. ЗуевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Основной тенденцией развития авиационной и ракетнойтехники является наращивание скорости полета летательных аппаратов.

В соответствии сэтим идет процесс исследований и разработок силовых установок – двигателей.Дляатмосферныхлетательныхаппаратовнаилучшимиудельнымихарактеристиками, в диапазоне чисел Маха полета от 2–5 и выше, обладаетширокодиапазонный прямоточный воздушно-реактивный двигатель – ШДПВРД.Ключевой проблемой, решение которой открывает путь к использованиюШДПВРД в ракетно-космической и авиационной технике, является реализацияэффективного рабочего процесса в камере сгорания. Для ее решения необходимообеспечить эффективный процесс смесеобразования и стабилизацию горения на всехрежимах работы двигателя. Используемые в настоящее время способы стабилизации –плохо обтекаемые тела, внезапное расширение канала и т.д., эффективны на малыхсверхзвуковых скоростях полета, когда скорость в камере сгорания дозвуковая, но недают удовлетворительных результатов на больших сверхзвуковых скоростях полета, когданеобходимость в стабилизации горения не требуется и механические стабилизаторы лишьвызывают дополнительные гидравлические потери.Рассматривая вопросы смесеобразования применительно к высокоскоростнымдвигателям, таким как, например, ШДПВРД, следует отметить, что в настоящее времянакоплен обширный материал по взаимодействию высокоскоростных струй (как спутных,так и поперечных) со сверхзвуковым потоком.

С другой стороны менее освещенывопросы по исследованию взаимодействия разогретых высоконапорных струй сдозвуковым потоком, что может быть использовано при организации смесеобразования истабилизации горения в камере сгорания ШДПВРД, работающей в дозвуковом режиме.В связи с вышесказанным, представляет интерес исследование стабилизациигоренияна плоскихструяхгазообразноготоплива.Требуетсяболее глубокоеисследование процессов смесеобразования и горения, с привлечением новых средствизмерений, в том числе лазерно-оптических, в комплексе с испытаниями и доводкойкамер сгорания, а также разработка на этой основе инженерных методик расчетапоследовательных стадий процессов.

Необходимо определить оптимальное соотношениерасходов компонентов в основном потоке и в стабилизирующей струе для наиболееэффективнойстабилизации.Возможностьрегулировкискоростиисоставастабилизирующей струи дает возможность оптимизировать горение в камере сгорания,3работающей в дозвуковом режиме, или полностью отключать стабилизатор насверхзвуковом режиме.Цель работы:Исследовать стабилизацию горения на струях нагретого газообразного горючего вкамерах сгорания ПВРД.Задачи работы:•разработка методики расчета коаксиального теплообменника для наземныхиспытаний камер сгорания ПВРД;•разработка методики расчета глубины проникновения струй топлива в потоки длины начального участка;•разработка экспериментального стенда и вспомогательного оборудованиядля исследования стабилизации горения на струях нагретого газообразногогорючего;•проведение экспериментов по исследованию стабилизации горения наструях нагретого газообразного горючего;•накопление экспериментального материала для расширения представленияоб исследуемом явлении и верификации численных методов.Научная новизна:•впервые показана возможность и эффективность стабилизации горения наструях нагретого газообразного горючего втекающих в поток под углом135º;•произведено обобщение пределов стабилизации пламени на струяхнагретого газообразного горючего, полученных в широком диапазонережимных параметров.Научная и практическая ценность:•спроектированныйдляпроведенияэкспериментовкоаксиальныйтеплообменник, работающий совместно с малоразмерной камерой сгоранияи позволяющий нагревать топливо до высокой температуры имеет простуюи технологичную конструкцию, позволяет отказаться от использованияэлектрической сети высокой мощности на стенде и может использоватьсядля подогрева различных компонентов при исследованиях камер сгорания иразличных конструкционных материалов;4•разработанная методика расчета глубины проникновения струй топлива впоток и длины начального участка позволяет оценить необходимую длинукамеры сгорания для обеспечения высокой полноты сгорания;•стенд, спроектированный в процессе работы, обеспечивает проведениеэкспериментов в широком диапазоне параметров и может использоватьсядля проведения экспериментов с разными модельными камерами ПВРД;•накопленный экспериментальный материал расширяет представление омеханизмах стабилизации горения на струях нагретого газообразногогорючего, что позволяет проектировать эффективные камеры сгорания дляширокодиапазонных ПВРД.Достоверностьрезультатовдиссертационнойработыподтверждаетсямногократной повторяемостью результатов.

Для повышения точности и достоверностиизмерений были применены современные методы и устройства сбора, накопления иобработкиэкспериментальныхданных,многократныекалибровкидатчиковиизмерительной аппаратуры.На защиту выносятся:•результаты экспериментальных исследований параметров коаксиальноготеплообменника для подогрева горючего, подаваемого в модельную камерусгорания;•результаты экспериментальных исследований стабилизации горения наструях нагретого газообразного горючего;Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликованы 3научные работы в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.Личный вклад автора.

Основные результаты диссертации получены личноавтором, либо при его непосредственном участии в качестве ведущего исполнителя навсех этапах исследований, а именно: при постановке конкретных задач, разработкеосновных систем установки, проведении всех экспериментов, в обработке, анализе иобобщенииполученныхданных,подготовкепечатныхработпорезультатамисследований. Совместные результаты представлены с согласия соавторов.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, обзоралитературы, трех глав, заключения и списка литературы из 81 наименования. Общийобъем диссертационной работы составляет 153 страниц, включая 36 рисунков.5СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении анализируется современное состояние проблемы стабилизациигорения в камерах сгорания ПВРД, кратко изложена актуальность работы, ее научнаяновизна и практическая ценность, сформулированы задачи исследования.В обзоре литературы кратко изложен анализ опубликованных работ по темедиссертации, приведены основные результаты и выводы, полученные в данных работах.Перваяглавапосвященаразработкеметодикирасчетакоаксиальноготеплообменника для подогрева топлива, подаваемого в модельную камеру сгорания.Описан принцип работы теплообменника, механизм процесса теплообмена, методикарасчета теплообменного процесса, программа для его расчета и его конструкция.Процесс теплообмена в теплообменнике происходит следующим образом (Рис.