Автореферат (Стабилизация горения на струях нагретого газообразного горючего в камерах сгорания ПВРД), страница 3

Этот тепловой следфиксируется ИК камерой, установленной перпендикулярно пластине, для последующегоопределения глубины проникновения струи в основной поток.Вдув горячей струи топлива происходит в более холодный основной поток.Толщина металлической пластины составляет 0,3мм. При таких условиях тепловой потоквдоль пластины очень мал и им можно пренебречь. Поэтому на ИК фотографии тепловойслед струи хорошо различим и позволяет установить траекторию ее движения.При смешении горячей струи с холодным основным потоком на границе струивозникает резкий перепад температуры, который фиксируется на ИК фотографиях.Глубиной проникновения струи в основной поток считается расстояние, накотором температурный градиент на ИК фотографии имеет максимальное значение.Во время эксперимента топливо в подогреватель не подается, поэтому температураиспаренного керосина, выходящего из щели, значительно выше температуры основногопотока.На Рис.

5 приведена ИК фотография металлической пластины, установленной насрезе диффузора. На ней можно видеть, что градиент температуры на границе струи присмешении ее с основным потоком составляет порядка 40º, что позволяет определитьграницу струи с достаточной точностью.Рис.

5 ИК фотография металлической пластины на срезе диффузора14На Рис. 6 приведен обобщенный график зависимости глубины проникновенияиспаренного керосина в основной поток камеры сгорания от соотношения скоростныхнапоров основного потока и струи топлива.807060S (мм)504030201000,020,040,060,080,0100,0120,0140,0qРис. 6 Экспериментальная зависимость глубины проникновения струи испаренногокеросина в основной поток от соотношения скоростных напоров потока и струи.По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:1.

Плоскаящельобеспечиваетдостаточнуюглубинупроникновениястабилизирующей струи топлива в основной поток, а значит, являетсяэффективным способом подачи топлива в камеру сгорания;2. Глубина проникновения струи испаренного керосина в основной потокзависит от соотношения скоростных напоров струи и основного потока и независит от геометрических характеристик самой щели;3. Полученную экспериментальную зависимость можно использовать дляоценки глубины проникновениятоплива в основной поток для другихпараметров топливоподающей щели.На Рис. 7 приведена схема проточной части стенда со всеми основными размерамии координатами замеров статического давления.

Перед камерой сгорания установлендиффузор для создания требуемых начальных параметров потока на входе в камеру.15На Рис. 8 показана поверхность с концентрацией топлива в потоке 5% вдольпроточной части модельной камеры сгорания, полученная в результате численногорасчета.С целью снижения общей сложности и уменьшения количества контролируемыхпараметров эксперименты проводились без оценки эффективности рабочего процесса вмодельной камере сгорания.

Исследовалась только принципиальная возможность работыкамеры сгорания со стабилизацией горения на струе подогретого топлива и устойчивостьрабочего процесса.Воздух для модельной камеры сгорания поступает от воздушной системы стенда.Проходит через подогреватель в котором нагревается до необходимой температуры.

Далеечерез сопло и диффузор поступает в модельную камеру сгорания. Сопло совместно сдиффузором позволяют смоделировать необходимое давление и скорость на входе вмодельную камеру сгорания. Таким образом, подогреватель совместно с соплом идиффузором позволяют смоделировать полетные параметры основного потока в камересгорания.Топливо для модельной камеры сгорания поступает из наддуваемого топливногобака, нагревается в теплообменнике и в газообразном виде поступает в топливоподающующель камеры сгорания.

Таким образом, моделируется охлаждение конструкции камерысгорания летательного аппарата топливом. До выхода на номинальный режим работы всехсистем стенда в качестве нагреваемого компонента в теплообменник вместо керосинаподается воздух. Такой прием позволяет значительно повысить безопасность проведенияэксперимента, снижая вероятность самопроизвольного возгорания нагретого керосина ввыхлопной системе стенда. Переключение нагреваемого компонента с воздуха на керосини обратно производится двумя пневматическими клапанами, работающими в противофазе.Это позволяет переключить нагреваемый компонент в теплообменнике практически беззадержек и избежать его разрушения.

Для исключения попадания воздуха в топливнуюмагистраль на подводящих трубках теплообменника установлены обратные клапаны.Поступая в камеру сгорания под углом 135º к основному потоку, топливосмешивается с основным потоком. Во время смешения непосредственно за местом подачитоплива создается зона обратных токов, которая позволяет эффективно поддерживатьгорение без использования механических стабилизаторов.Смесь воздуха с топливом в камере сгорания воспламеняется поджигающимустройством, которое выключается сразу после начала самостоятельной работы камеры.Некоторая часть газов зоны циркуляции за счет турбулентного обмена на границахпостоянно обновляется, замещаясь тем же количеством свежей горючей смеси.16Рис.

7 Схема проточной части стенда.17Рис. 8 Поверхность с концентрацией топлива в потоке после смешения 5% полученная в результате численного расчета течения18В зоне, расположенной вблизи передней границы зоны обратных токов, вследствиедиффузионного смешения струи с горючей смесью и продуктами сгорания образуетсясмесь местного состава. За счет тепла и активных химических центров газов – продуктовсгорания зоны обратных токов (а также тепла, вносимого струей и набегающим потоком)– эта смесь нагревается и воспламеняется.

В области высокой турбулентности междузоной обратных токов и внешним потоком (а, следовательно, в прямом токе зоныциркуляции) развивается интенсивное горение. Часть продуктов сгорания смеси местногосостава циркуляционным течением переносится в зону обратных токов, чтобы поджигатьновые порции свежей горючей смеси. Другая часть продуктов сгорания воспламеняетсвежую смесь во внешнем потоке.На режимах устойчивого горения зона обратных токов заполнена продуктамиполного сгорания смеси.Вовремяработымодельнойкамерысгоранияпроизводятсяизмерениястатического давления на верхней стенке по длине камеры.

По его скачкообразному ростуможно установить наличие горения внутри камеры. Также производится видеосъемкавыхода из камеры сгорания, что позволяет визуально подтвердить наличие горения.Расходы газообразных компонентов измеряются с помощью мерных шайбразличногодиаметра.Расходыжидкихкомпонентовизмеряютсяспомощьюрасходомеров турбинного типа.Давления в контрольных точках стенда измеряются с помощью датчиков давления.Температуры в контрольных точках стенда измеряются с помощью термопарразличных типов.Все измеряемые параметры во время проведения эксперимента с помощьюсистемы сбора данных записываются на компьютер для последующей обработки ианализа.На Рис. 9 приведена схема эксперимента со стабилизацией горения на струяхподогретого топлива.В результате аналогичных экспериментов проведенных в лаборатории горенияамериканского университета Буффало (University at Buffalo) в штате Нью-Йоркустановлено, что струйная стабилизация пламени в камерах сгорания выгодно отличаетсяот стабилизации на плохообтекаемых телах повышенной турбулизацией потока ивозможностьюоптимизациипростогоуправленияустойчивостирабочегопараметрамипроцесса.струйногоТакжестабилизатораструйныйдлястабилизаторобеспечивает более высокую скорость тепловыделения по сравнению с механическимстабилизатором, что позволит уменьшить длину камеры сгорания.Рис.

9 Схема эксперимента со стабилизацией горения на струе подогретого топливаВ качестве рабочей точки для проведения экспериментов со стабилизацией горенияна струе подогретого топлива были выбраны следующие параметры стенда:1. Размеры проточной части модельной камеры сгорания 100х110мм;2. Расход воздуха через модельную камеру сгорания 0,65кг/с;3.

Температура воздуха на входе в модельную камеру сгорания 1000К;4. Температура топлива подаваемого в модельную камеру сгорания не менее650К;5. Размеры топливоподающей щели модельной камеры сгорания 30х1,5мм;6. Высота выхода модельной камеры сгорания 50мм.Фото выхода из модельной камеры сгорания снятого во время экспериментаприведено на Рис. 10Так как оценка эффективности рабочего процесса в камере сгорания непроводилась по результатам проведенных экспериментов невозможно оценить полнотусгорания.Начало самостоятельного горения в модельной камере сгорания определялось поскачку статического давления в ее проточной части после подачи в щель испаренногокеросина и его воспламенения с помощью поджигающего устройства.20Рис.

10 Фото выхода модельной камеры сгорания, снятое во время экспериментаНа Рис. 11 приведены графики статического давления в проточной части камерысгорания и расхода топлива через топливоподающую щель во время эксперимента. Поним видно, что подъем статического давления после воспламенения составляет 0,75атмпри ER близком к единице, что позволяет надежно определить наличие горения во времяэксперимента. После прекращения подачи керосина в камеру сгорания и прекращениягорения видно скачкообразное падение статического давления в ее проточной части.Небольшая фазовая задержка падения давления от прекращения подачи топливаобъясняется достаточно большим внутренним объемом теплообменника и подводящихтрубок. После переключения теплообменника с керосина на воздух замещения,оставшийся керосин вытесняется воздухом, что вызывает задержку погасания модельнойкамеры сгорания.Устойчивость рабочего процесса оценивалась по пульсациям статическогодавления и по видеозаписи.

При погасании камеры сгорания или ее работе напредсрывном режиме пульсации статического давления в ее проточной частиувеличиваются. Это можно видеть по резкому повышению статического давления, а затем21его резкому падению после прекращения подачи керосина. Видеозапись также позволяет3,5703602,5502401,5301200,510080859095100105Gт_кс (гр/с)Статическое давление (bar)установить наличие пульсаций на предсрывных режимах работы камеры сгорания.Pс_16Gт_кс0110Время (с)Рис. 11 Статическое давление в модельной камере сгорания и расход топлива вовремя экспериментаВ результате проведенных экспериментов получена устойчивая работа модельнойкамеры сгорания в диапазоне ER от 0,5 до 1,37.