RU162387U1

RU162387U1 - DOMESTIC FLOWING DIRECTION OF HIGH-SPEED DIRECT FLOW

Info

Publication number: RU162387U1
Application number: RU2015146392/06U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Губанов; Олег Вячеславович Гуськов; Михаил Анатольевич Иванькин; Николай Владимирович Кукшинов; Александр Николаевич Прохоров; Александр Викторович Рудинский; Вадим Алексеевич Талызин
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2016-06-10

Abstract

Внутренний проточный тракт высокоскоростного прямоточного ВРД, включающий камеру сгорания и сопло, отличающийся тем, что камера сгорания и сопло имеют конусные формы поверхностей, выполнены в виде отдельных секций, соединенных между собой сваркой, причём камера сгорания выполнена слаборасширяющейся по потоку с углом раствора не более 5° и состоит из пяти секций, общая длина которых составляет не менее 65% от суммарной длины камеры сгорания и сопла, а сопло состоит из двух секций, при этом камера сгорания и входная секция сопла изготовлены из металла с высокой теплопроводностью, а выходная секция сопла из жаропрочного металла.The internal flow path of a high-speed ramjet, including a combustion chamber and a nozzle, characterized in that the combustion chamber and the nozzle have conical surface shapes, made in the form of separate sections interconnected by welding, and the combustion chamber is made slightly expanding in flow with an opening angle of not more than 5 ° and consists of five sections, the total length of which is at least 65% of the total length of the combustion chamber and nozzle, and the nozzle consists of two sections, while the combustion chamber and the inlet section of the nozzle are made of metal with high thermal conductivity, and the output section of the nozzle of the refractory metal.

Description

Полезная модель относится к авиационной технике, а именно к разработке конструкций высокоскоростных гражданских летательных аппаратов (ЛА) с интегрированной силовой установкой (СУ) на водородном топливе. Во внутреннем проточном тракте, включающем камеру сгорания (КС) и сопло происходит горение водородно-воздушной смеси и расширение газа с переводом выделившейся тепловой энергии в кинетическую. Геометрия внутреннего проточного тракта определяет эффективность смешения и горения, а также удельный импульс на срезе сопла.The utility model relates to aeronautical engineering, namely, to the development of structures for high-speed civil aircraft (LA) with an integrated power plant (SU) on hydrogen fuel. In the internal flow path, including the combustion chamber (CC) and the nozzle, the hydrogen-air mixture is burned and the gas expands with the conversion of the released thermal energy into kinetic. The geometry of the internal flow path determines the efficiency of mixing and combustion, as well as the specific impulse at the nozzle exit.

Известно устройство - экспериментальный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (МПК F02K 7/10 RU №2238420, 20.10.2004). Устройство содержит воздухозаборник, изолятор, камеру сгорания, сопло, топливную систему с воспламенителем, инжекторами и топливными каналами. Проточный тракт указанного устройства имеет прямоугольную конфигурацию и предназначен для стендовых испытаний. Недостатком данного устройства является то, что оно может быть использовано в составе ограниченного числа компоновок гиперзвуковых ЛА.A device is known - an experimental hypersonic ramjet engine (IPC F02K 7/10 RU No. 2238420, 20.10.2004). The device contains an air intake, an insulator, a combustion chamber, a nozzle, a fuel system with an igniter, injectors and fuel channels. The flow path of the specified device has a rectangular configuration and is intended for bench testing. The disadvantage of this device is that it can be used as part of a limited number of layouts of hypersonic aircraft.

Известно устройство - высокоскоростной прямоточный воздушно-реактивный двигатель (МПК F02K 7/10 RU №2544105, 10.03.2015). Устройство содержит последовательно расположенные воздухозаборное устройство, камеру сгорания (КС) и выходное сопло. Площадь входного сечения камеры сгорания выполнена больше площади ее выходного сечения, при этом площадь выходного сечения камеры сгорания определяется с учетом температуры воспламенения топливовоздушной смеси. В предложенном проточном тракте горение происходит в дозвуковом потоке, что является неэффективным при скоростях полета, соответствующих числам Маха М=7÷8.A device is known - a high-speed ramjet engine (IPC F02K 7/10 RU No. 2544105, 03/10/2015). The device contains a sequentially located air intake device, a combustion chamber (KS) and an output nozzle. The area of the inlet section of the combustion chamber is larger than the area of its outlet section, while the area of the outlet section of the combustion chamber is determined taking into account the ignition temperature of the air-fuel mixture. In the proposed flow path, combustion occurs in a subsonic flow, which is ineffective at flight speeds corresponding to Mach numbers M = 7 ÷ 8.

Наиболее близким к заявленному устройству является внутренний проточный тракт высокоскоростного прямоточного ВРД, разработанный в проекте LARCAT-MR2, и описанный в статье "Design end optimization of a small scale M=8 scramjet propulsion system", опубликованный в сборнике трудов конференции "Space propulsion 2012" (http://elib.dlr.de/80475/). Устройство разделено на три части, расположенные последовательно: слоборасширяющаяся КС, первая секция сопла, расширяющаяся по потоку в вертикальной плоскости и вторая секция, расширяющаяся по потоку в вертикальной и горизонтальной плоскостях. На начальном отрезке КС имеет форму эллипса в поперечном сечении, в первой секции сопла происходит переход от эллиптического сечения к круглому, при этом поверхность КС образована прямыми образующими, а одна из образующих первой секции сопла является кривой более высокого порядка. Вторая секция сопла представляет собой усеченный конус круглого сечения с прямыми образующими. Одним из недостатков данного устройства, является сложность изготовления, связанная в основном с первой секцией сопла, имеющей сложную пространственную форму. Другим недостатком данного устройства является недостаточная длина КС относительно длины проточного тракта, что приводит к малым временам нахождения водородно-воздушной смеси в КС и, как следствие, недостаточному перемешиванию водородно-воздушной смеси, неполному сгоранию и сравнительно малому тепловыделению.Closest to the claimed device is the internal flow path of a high-speed ramjet, developed in the LARCAT-MR2 project, and described in the article "Design end optimization of a small scale M = 8 scramjet propulsion system", published in the proceedings of the conference "Space propulsion 2012" (http://elib.dlr.de/80475/). The device is divided into three parts arranged in series: a slightly expanding CS, the first section of the nozzle expanding downstream in the vertical plane and the second section expanding downstream in the vertical and horizontal planes. In the initial segment, the CS has the shape of an ellipse in cross section, in the first section of the nozzle, a transition from elliptical to circular takes place, while the surface of the CS is formed by straight generators, and one of the generators of the first section of the nozzle is a curve of a higher order. The second section of the nozzle is a truncated cone of circular cross section with straight generators. One of the disadvantages of this device is the complexity of manufacturing, associated mainly with the first section of the nozzle having a complex spatial shape. Another disadvantage of this device is the insufficient length of the KS relative to the length of the flow path, which leads to short residence times of the hydrogen-air mixture in the KS and, as a result, insufficient mixing of the hydrogen-air mixture, incomplete combustion and relatively low heat generation.

Задачей и техническим результатом решаемых полезной моделью является разработка конструкции внутреннего проточного тракта высокоскоростного прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ВРД), обеспечивающего более высокую степень смешивания и эффективность процесса горения водородно-воздушной смеси и обладающего простой технологией изготовления.The objective and technical result solved by the utility model is to develop the design of the internal flow path of a high-speed ramjet engine (WFD), which provides a higher degree of mixing and efficiency of the combustion process of the hydrogen-air mixture and has a simple manufacturing technology.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что во внутреннем проточном тракте высокоскоростного прямоточного ВРД камера сгорания и сопло имеют конусные формы поверхностей, выполнены в виде отдельных секций, соединенных между собой сваркой, причем камера сгорания выполнена слаборасширяющейся по потоку с углом раствора не более 5 градусов и состоит из пяти секций, общая длина которых составляет не менее 65% от суммарной длины камеры сгорания и сопла, а сопло состоит из двух секций, при этом камера сгорания и входная секция сопла изготовлены из металла с высокой теплопроводностью, а выходная секция сопла из жаропрочного металла.The solution of this problem and the technical result are achieved by the fact that in the internal flow path of a high-speed ramjet, the combustion chamber and nozzle have conical surface shapes, made in the form of separate sections interconnected by welding, and the combustion chamber is made slightly expanding in flow with an angle of not more than 5 degrees and consists of five sections, the total length of which is at least 65% of the total length of the combustion chamber and nozzle, and the nozzle consists of two sections, while the combustion chamber and the inlet The nozzle section is made of metal with high thermal conductivity, and the nozzle outlet section is made of heat-resistant metal.

Полезная модель поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена схема камеры сгорания и сопла при виде сбоку в разрезе, на фиг. 2 - схема камеры сгорания и сопла вид сверху.The utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of a combustion chamber and a nozzle in a side view in section, in FIG. 2 is a plan view of a combustion chamber and nozzle from above.

Внутренний проточный тракт высокоскоростного прямоточного ВРД содержит: 3-7 - секции камеры сгорания, 1 - вторая секция сопла, 2 - первая секция сопла. Камера сгорания, состоит из пяти отдельных секций, сопло состоит из двух. Камера сгорания и сопло имеют конусную форму поверхностей, образованную прямолинейными образующими, что существенно упрощает технологию изготовления отдельных секций, снижает время и стоимость производства каждой секции внутреннего проточного тракта. При сборке конструкции внутреннего проточного тракта, из относительно коротких секций, для соединения секций друг с другом используется сварка, упрощающая изготовление проточного тракта. Элементы 2-7 изготавливают из металла с высокой теплопроводностью, например, бронзы, элемент 1 - из жаропрочной стали. Такие материалы выбираются из соображений теплового состояния конструкции. Тепловые потоки в КС и первой секции сопла существенно выше, чем во второй секции сопла 1, где поток разгоняется. Бронза обладает высокой теплопроводностью, при этом толщина стенок КС выбрана таким образом, что в процессе кратковременной работы, не достигается стационарное тепловое состояние конструкции, тепловые потоки отводятся внутрь конструкции за счет теплопроводности, что обеспечивает значение температур горячей стенки, не превышающих температуры потери устойчивости конструкции.The internal flow path of the high-speed ramjet contains: 3-7 - sections of the combustion chamber, 1 - the second section of the nozzle, 2 - the first section of the nozzle. The combustion chamber consists of five separate sections, the nozzle consists of two. The combustion chamber and nozzle have a conical shape of the surfaces formed by rectilinear generators, which greatly simplifies the manufacturing technology of individual sections, reduces the time and cost of production of each section of the internal flow path. When assembling the design of the internal flow path from relatively short sections, welding is used to connect the sections to each other, simplifying the manufacture of the flow path. Elements 2-7 are made of metal with high thermal conductivity, for example, bronze, element 1 is made of heat-resistant steel. Such materials are selected for reasons of the thermal state of the structure. The heat fluxes in the COP and the first section of the nozzle are significantly higher than in the second section of the nozzle 1, where the flow accelerates. Bronze has high thermal conductivity, while the thickness of the walls of the COP is chosen so that during the short-term operation, the stationary thermal state of the structure is not achieved, the heat fluxes are diverted into the structure due to thermal conductivity, which ensures the temperature of the hot wall, not exceeding the temperature of structural stability loss.

Предложенное устройство функционирует следующим образом. Поток воздуха, поступающий из воздухозаборного устройства, попадает в секцию 3 проточного тракта. В секции 3 осуществляться впрыск топлива, например, водорода в поток. При этом происходит смешение топлива с воздухом и начинается горение с энерговыделением. Далее в секциях 4-7 продолжается смешение и горение компонентов. Так как камера сгорания выполнена относительно более протяженной, по отношению к полной длине внутреннего проточного тракта, это приводит к большему времени пребывания топливо-воздушной смеси в КС, что приводит к более полному смешению топлива с воздухом и к большему тепловыделению, причем торможение сверхзвукового потока за счет теплоподвода компенсируется ускорением за счет расширения канала. В двух секциях сопла поток разгоняется, тепловая энергия переходит в кинетическую.The proposed device operates as follows. The air flow coming from the air intake device enters section 3 of the flow path. In section 3, fuel is injected, for example, hydrogen into the stream. In this case, fuel and air mix and combustion begins with energy release. Further, in sections 4-7, the mixing and combustion of the components continues. Since the combustion chamber is relatively longer, with respect to the full length of the internal flow path, this leads to a longer residence time of the fuel-air mixture in the compressor station, which leads to a more complete mixture of fuel and air and greater heat generation, and the supersonic flow is decelerated after the heat input is compensated by acceleration due to the expansion of the channel. In two sections of the nozzle, the flow accelerates, thermal energy passes into kinetic.

Claims

The internal flow path of a high-speed ramjet, including a combustion chamber and a nozzle, characterized in that the combustion chamber and the nozzle have conical surface shapes, made in the form of separate sections interconnected by welding, and the combustion chamber is made slightly expanding in flow with an opening angle of not more than 5 ° and consists of five sections, the total length of which is at least 65% of the total length of the combustion chamber and nozzle, and the nozzle consists of two sections, while the combustion chamber and the inlet section of the nozzle are made of metal with high thermal conductivity, and the output section of the nozzle of the refractory metal.