RU2212006C1

RU2212006C1 - Method of determination of boundaries of vibratory combustion of combustion chamber and device for realization of this method

Info

Publication number: RU2212006C1
Application number: RU2001132919A
Authority: RU
Inventors: А.В. Андреев; В.Г. Колесниченко; Л.П. Коновалова; Е.Ю. Марчуков; В.М. Чепкин
Original assignee: Андреев Анатолий Васильевич; Колесниченко Владимир Григорьевич; Коновалова Людмила Петровна; Марчуков Евгений Ювенальевич; Чепкин Виктор Михайлович
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2003-09-10

Abstract

FIELD: manufacture of combustion chambers for power plants, mainly aircraft engines. SUBSTANCE: proposed method includes placing the combustion chamber in working mode followed by measuring relative rate of flow in chamber at each noted consumption of fuel by increasing and decreasing area of nozzle section till regular pressure fluctuations are obtained. Proposed device is provided with control system for regulation of boundaries of vibratory combustion in combustion chamber. EFFECT: extended field of application; low cost; reduction of time for determination of combustion boundaries. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относился к области создания камер сгорания энергетических установок, преимущественно для авиационного авиадвигателестроения, а именное способам определения границы вибрационного горения, основной сгорания турбореактивного двигателя, устройства камеры сгорания, например газотурбинного привода нагнетателя магистрального газа (авиационного типа) на компрессорных станциях газопроводов. The invention related to the field of creating combustion chambers of power plants, mainly for aircraft aircraft engine manufacturing, and specifically methods for determining the boundaries of vibrational combustion, the main combustion of a turbojet engine, and a combustion chamber device, for example, a gas turbine drive of a main gas supercharger (aircraft type) at gas compressor stations.

Известен способ определения границы вибрационного горения в камере сгорания кислородно-водородного ЖРД методом снижения температуры впрыскиваемого жидкого водорода до возникновения высокочастотной неустойчивости (1). There is a method of determining the boundary of vibrational combustion in the combustion chamber of an oxygen-hydrogen rocket engine by reducing the temperature of the injected liquid hydrogen until high-frequency instability occurs (1).

Метод снижения температуры водорода (СТВ) успешно применен при оценке устойчивости форсуночной головки крупноразмерного ЖРД J-2 и отборе окончательного варианта высокоэффективной экспериментальной камеры сгорания. The method of lowering the temperature of hydrogen (STV) has been successfully applied in assessing the stability of the nozzle head of a large-sized J-2 LPRE and selecting the final version of a highly efficient experimental combustion chamber.

Однако указанным способом можно определить границу вибрационного горения только в очень узком диапазоне изменения параметров - соотношения компонентов и давления в камере сгорания. However, in this way it is possible to determine the boundary of vibrational combustion only in a very narrow range of parameters - the ratio of components and pressure in the combustion chamber.

Известен также способ определения границ вибрационного горения модельной камеры сгорания и ее устройство, при котором в нее подавалась однородная, бензовоздушная смесь, нагретая до 473К, а продукты сгорания истекали из нерегулируемого соплового насадка с докритической скоростью и определение границы вибрационного горения производили путем изменения состава топливовоздушной смеси при постоянной относительной скорости в диффузоре (2). There is also a method of determining the boundaries of the vibrational combustion of a model combustion chamber and its device, in which a homogeneous, gas-air mixture heated to 473 K is supplied into it, and the combustion products expired from an unregulated nozzle nozzle with a subcritical speed and the boundary of vibrational combustion was determined by changing the composition of the fuel-air mixture at a constant relative speed in the diffuser (2).

Недостатком данного способа и устройства является то, что им можно определить границу вибрационного горения также в относительно узком диапазоне изменения параметров модельной камеры сгорания при больших экономических затратах, т.к. выполняется большое количество трудоемких экспериментов при определении границы вибрационного горения. The disadvantage of this method and device is that it can determine the boundary of vibrational combustion in a relatively narrow range of variation of the parameters of the model combustion chamber at high economic costs, because A large number of time-consuming experiments are performed when determining the boundary of vibrational combustion.

Задачей изобретения является расширение области проверки устойчивости рабочего процесса, сокращение затрат и времени при определении границ вибрационного горения в камере сгорания. The objective of the invention is to expand the scope of checking the stability of the working process, reducing costs and time when determining the boundaries of vibrational combustion in the combustion chamber.

Указанная задача достигается тем, что в способе определения границ вибрационного горения камеры сгорания, включающем измерение расхода воздуха и топлива, регистрацию колебаний давления в камере сгорания и параметров камеры при возникновении регулярных колебаний давления путем измерения состава топливовоздушной смеси при фиксированном расходе воздуха, производят ступенчатое изменение расхода топлива и на каждом фиксированном значении расхода топлива изменяют относительную скорость потока в камере путем увеличения и уменьшения площади критического сечения сопла до появления регулярных колебаний давления. This problem is achieved by the fact that in the method for determining the boundaries of vibrational combustion of the combustion chamber, including measuring air and fuel consumption, recording pressure fluctuations in the combustion chamber and chamber parameters when regular pressure fluctuations occur by measuring the composition of the air-fuel mixture at a fixed air flow rate, a stepwise change in the flow rate is made fuel and at each fixed value of fuel consumption change the relative flow rate in the chamber by increasing and decreasing Protect the critical section of the nozzle until regular pressure fluctuations.

Указанная задача достигается также тем, что на выходе камеры сгорания для определения границ вибрационного горения, содержащей систему подачи воздуха и топлива, систему регистрации параметров камеры и колебаний давления, установлена система для варьирования относительной скоростью потока в камере, причем в камере сгорания для определения границ вибрационного горения система для варьирования относительной скоростью потока выполнена в виде регулируемого сопла с гидравлической системой силового привода, соединенного трубопроводами с электрогидродинамическим регулятором-преобразователем, закрепленным на корпусе, на линии управления регулятором установлен дроссельный кран, кинематически связанный с ним, а его управляющие элементы связаны электрически через блок управления с датчиком регистрации колебаний давления в камере сгорания и с электроприводом линии перепуска топлива нагнетающего топливного насоса, при этом на линии подачи топлива в камеру сгорания установлен дроссельный кран управления расходом топлива, кинематически связанный с электрогидродинамическим регулятором-преобразователем. Кроме того, регулируемое сопло может быть выполнено в виде дозвуковой части сопла Лаваля. This problem is also achieved by the fact that at the output of the combustion chamber to determine the boundaries of vibrational combustion, containing an air and fuel supply system, a registration system for the parameters of the chamber and pressure fluctuations, a system is installed to vary the relative flow rate in the chamber, and in the combustion chamber to determine the boundaries of the vibrational combustion system for varying the relative flow rate is made in the form of an adjustable nozzle with a hydraulic drive system connected by pipelines with an electrohydrodynamic regulator-converter mounted on the housing, a throttle valve kinematically connected to it is installed on the control line of the regulator, and its control elements are connected electrically through the control unit to a sensor for recording pressure fluctuations in the combustion chamber and to the electric drive of the fuel bypass line of the injection fuel pump, at the same time, a throttle valve for controlling fuel consumption, kinematically connected with electrohydrodynamic regulator-converter. In addition, the adjustable nozzle can be made in the form of a subsonic part of the Laval nozzle.

Осуществляя ступенчатое изменение расхода топлива и на каждом фиксированном значении расхода топлива изменяя относительную скорость потока в камере до появления регулярных колебаний давления, мы получаем возможность определить границы вибрационного горения камеры сгорания в более широкой области проверки устойчивости рабочего процесса при сокращении затрат и времени на эксперименты. Carrying out a stepwise change in fuel consumption and changing the relative flow rate in the chamber at each fixed value of fuel consumption until regular pressure fluctuations appear, we get the opportunity to determine the boundaries of vibrational combustion of the combustion chamber in a wider area of checking the stability of the working process while reducing costs and time for experiments.

Выбрав конструкцию системы для варьирования относительной скоростью потока в камере в виде регулируемого сопла с гидравлической системой силового привода, соединенного трубопроводами с электрогидродинамическим регулятором-преобразователем, закрепленным на корпусе, где на линии управления регулятором установлен дроссельный кран, кинематически связанный с ним, а его управляющие элементы связаны электрически через блок управления с датчиком регистрации колебаний давления в камере сгорания и с электроприводом линии перепуска топлива нагнетающего топливного насоса, при этом на линии подачи топлива в камеру сгорания установлен дроссельный кран управления расходом топлива, кинематически связанный с электрогидродинамическим регулятором-преобразователем, мы имеем возможность управлять двумя дроссельными кранами подачи топлива в камеру сгорания и регулируемое сопло, через блок управления, работающий по программе, мы получаем возможность с высокой достоверностью и минимальными затратами времени и ресурсов выполнить эксперименты по определению границ вибрационного горения. Having chosen the design of the system for varying the relative flow rate in the chamber in the form of an adjustable nozzle with a hydraulic drive system connected by pipelines to an electrohydrodynamic regulator-converter mounted on the housing, where a throttle valve kinematically connected to it is installed on the regulator control line, and its control elements electrically connected through the control unit to a sensor for recording pressure fluctuations in the combustion chamber and to the electric drive of the fuel bypass line a fuel pump, while a throttle valve for controlling fuel consumption is installed on the line for supplying fuel to the combustion chamber, kinematically connected with an electrohydrodynamic regulator-converter, we are able to control two throttle valves for supplying fuel to the combustion chamber and an adjustable nozzle through a control unit operating on program, we get the opportunity with high reliability and minimal time and resources to perform experiments to determine the boundaries of vibration burning.

Выполнив регулируемое сопло в виде дозвуковой части сопла Лаваля турбореактивного двигателя с гидравлической системой силового привода, мы получаем возможность существенно снизить затраты и сократить сроки на создание установки для определения границ вибрационного горения камеры сгорания, так как отпадает необходимость в изготовлении специального регулируемого сопла для испытания камеры сгорания, создание которого является весьма сложной и трудоемкой задачей. By making an adjustable nozzle in the form of a subsonic part of the Laval nozzle of a turbojet engine with a hydraulic drive system, we are able to significantly reduce costs and shorten the time needed to create a facility for determining the boundaries of vibrational combustion of the combustion chamber, since there is no need to produce a special adjustable nozzle for testing the combustion chamber , the creation of which is a very complex and laborious task.

В целом это обеспечивает достижение цели изобретения - расширение области проверки устойчивости рабочего процесса, сокращение затрат и времени при определении границ вибрационного горения в камере сгорания. In General, this ensures the achievement of the purpose of the invention is the expansion of the field of checking the stability of the working process, reducing costs and time when determining the boundaries of vibrational combustion in the combustion chamber.

На приведенных чертежах показано устройство для определения границ вибрационного горения камеры сгорания и график, иллюстрирующий положение границ устойчивой работы камеры сгорания. The drawings show a device for determining the boundaries of vibrational combustion of the combustion chamber and a graph illustrating the position of the boundaries of the stable operation of the combustion chamber.

На фиг. 1 показан общий вид устройства, с продольным разрезом камеры сгорания, реализующего способ определения границ вибрационного горения. In FIG. 1 shows a General view of a device with a longitudinal section of a combustion chamber that implements a method for determining the boundaries of vibrational combustion.

На фиг.2 - области устойчивого и вибрационного горения камеры сгорания в координатах - относительной скорости воздуха в диффузоре на входе в камеру сгорания, - коэффициента избытка воздуха. Figure 2 - area of stable and vibrational combustion of the combustion chamber in coordinates - the relative air velocity in the diffuser at the entrance to the combustion chamber, - coefficient of excess air.

На фиг.3 показан вариант исполнения регулируемого сопла. Figure 3 shows an embodiment of an adjustable nozzle.

Устройство содержит диффузор камеры сгорания 1, трубопровод 2 подвода топлива в камеру сгорания, трубопровод 2 снабжен дроссельным краном 3 управления расходом топлива, кинематически связанный через рычаги 4 с электрогидродинамическим регулятором-преобразователем 5, закрепленным на корпусе 6. Камера сгорания 7 имеет жаровую часть 6, снабженную датчиками замера параметров работы 9 и пульсаций давления 10. На выходе из камеры сгорания 7 установлено регулируемое сопло 11 с гидравлической системой силового привода 12 с регулируемыми механическими упорами в гидроцилиндрах максимального и минимального по диаметру критического сечения положения створок регулируемого сопла 11, соединенной трубопроводами 13 подачи топлива в силовой привод 12 через дроссельный кран 14 управления расходом топлива, кинематически связанный рычагами 15 с электрогидродинамическим регулятором-преобразователем 5, а его управляющие элементы 16 через блок управления 17 соединены электропроводами 18, 19 с датчиками регистрации колебаний давления 10 в камере сгорания 7 и с электроприводом 20 линии перепуска топлива 21 нагнетающего насоса 22. The device contains a diffuser of the combustion chamber 1, a pipe 2 for supplying fuel to the combustion chamber, the pipe 2 is equipped with a throttle valve 3 for controlling fuel consumption, kinematically connected via levers 4 with an electrohydrodynamic controller-converter 5 mounted on the housing 6. The combustion chamber 7 has a heat section 6, equipped with sensors for measuring operating parameters 9 and pressure pulsations 10. At the outlet of the combustion chamber 7, an adjustable nozzle 11 with a hydraulic drive system 12 with adjustable mechanical the stops in the hydraulic cylinders of the maximum and minimum critical cross-sectional diameter of the position of the valves of the adjustable nozzle 11, connected by pipelines 13 for supplying fuel to the power drive 12 through a throttle valve 14 for controlling fuel consumption, kinematically connected by levers 15 with an electrohydrodynamic controller-converter 5, and its control elements 16 through the control unit 17 is connected by electric wires 18, 19 with sensors for recording pressure fluctuations 10 in the combustion chamber 7 and with an electric actuator 20 of the fuel bypass line 21 agnetayuschego pump 22.

Способ определения границ вибрационного горения камеры сгорания реализуют следующим образом. A method for determining the boundaries of vibrational combustion of a combustion chamber is implemented as follows.

Запускают систему подачи воздуха и топлива в камеру сгорания, включают системы регистрации параметров и колебаний давления в камере сгорания, включают систему для варьирования относительной скоростью потока на выходе из камеры сгорания, зажигают камеру сгорания 7, выходят на рабочий режим и при неизменном расходе воздуха производят ступенчатое изменение расхода топлива в камере сгорания 7, изменяя положение дроссельного крана 3, и на каждой ступени при фиксированном значении расхода топлива попеременно изменяют относительную скорость потока в диффузоре 1 камеры сгорания 7 путем увеличения и уменьшения площади критического сечения сопла 11 до появления регулярных колебаний давления. The system of supplying air and fuel to the combustion chamber is launched, the systems for recording parameters and pressure fluctuations in the combustion chamber are turned on, the system for varying the relative flow rate at the outlet of the combustion chamber is turned on, the combustion chamber 7 is ignited, they enter the operating mode and, at a constant air flow rate, produce a stepwise the change in fuel consumption in the combustion chamber 7, changing the position of the throttle valve 3, and at each stage at a fixed value of fuel consumption, the relative speed is alternately changed flow in the diffuser 1 of the combustion chamber 7 by increasing and decreasing the critical section area of the nozzle 11 until regular pressure fluctuations appear.

Устройство регулируемого сопла 11 возможно в виде использования дозвуковой части 23 от полноразмерного сопла Лаваля 24 турбореактивного двигателя с гидравлической системой силового привода. The device of the adjustable nozzle 11 is possible in the form of using a subsonic part 23 from a full-sized Laval nozzle 24 of a turbojet engine with a hydraulic drive system.

Источники информации
1. "Неустойчивость горения в ЖРД" под ред. Д.Т. Харрье и Ф.Г. Рирдона. Изд. Мир, Москва, 1975 г., с.806, 807, рис.10.45, 10.46.Sources of information
1. "The instability of combustion in the rocket engine", ed. D.T. Harrier and F.G. Reardon. Ed. Mir, Moscow, 1975, p. 806, 807, Fig. 10.45, 10.46.

2. Кн. "Прикладная математика и теоретическая физика", 1, l967 "О двух режимах работы модельной камеры сгорания как термоакустической автоколебательной системы " В.Е. Дорошенко и др., Москва, с.64 фиг.1, с.68 фиг.4. 2. Prince "Applied Mathematics and Theoretical Physics", 1, l967 "On two operating modes of a model combustion chamber as a thermoacoustic self-oscillating system" V.E. Doroshenko et al., Moscow, p. 64 of Fig. 1, p. 68 of Fig. 4.

Claims

1. A method for determining the boundaries of vibrational combustion of a combustion chamber, including measuring air and fuel consumption, recording pressure fluctuations in the combustion chamber and chamber parameters when regular pressure fluctuations occur by changing the composition of the air-fuel mixture at a fixed air flow rate, characterized in that the fuel consumption is changed in steps and at each fixed value of fuel consumption, the relative flow rate in the chamber is changed until regular pressure fluctuations appear.

2. A combustion chamber for determining the boundaries of vibrational combustion, comprising an air and fuel supply system, a system for recording chamber parameters and pressure fluctuations, characterized in that a system is installed at the outlet of the chamber for varying the relative flow rate in the chamber.

3. The combustion chamber for determining the boundaries of vibrational combustion according to claim 2, characterized in that the system for varying the relative flow rate in the chamber is made in the form of an adjustable nozzle with a hydraulic drive system connected by pipelines to an electrohydrodynamic controller-converter mounted on the housing, a throttle valve kinematically connected to it is installed on the control line of the regulator, and its control elements are electrically connected through the control unit to the registration sensor to pressure oscillations in the combustion chamber and a fuel bypass line electrically pumping of the fuel pump, the fuel supply line to the combustion chamber is set throttle control fuel flow valve, a mechanism kinematically coupled with the electrohydrodynamic regulator-converter.

4. A combustion chamber for determining the boundaries of vibrational combustion according to claim 2 or 3, characterized in that the adjustable nozzle is made in the form of a subsonic part of the Laval nozzle.