RU2596077C2 - Slot-type injector-vortex generator and operation method thereof - Google Patents

Slot-type injector-vortex generator and operation method thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2596077C2
RU2596077C2 RU2014150851/06A RU2014150851A RU2596077C2 RU 2596077 C2 RU2596077 C2 RU 2596077C2 RU 2014150851/06 A RU2014150851/06 A RU 2014150851/06A RU 2014150851 A RU2014150851 A RU 2014150851A RU 2596077 C2 RU2596077 C2 RU 2596077C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
injector
channel
gas
flow
mixing
Prior art date
Application number
RU2014150851/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014150851A (en
Inventor
Михаил Иванович Ярославцев
Александр Михайлович Лазарев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Priority to RU2014150851/06A priority Critical patent/RU2596077C2/en
Publication of RU2014150851A publication Critical patent/RU2014150851A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2596077C2 publication Critical patent/RU2596077C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: energy.
SUBSTANCE: invention relates to power engineering. Slot-type injector-vortex generator installed in the channel along the direction of high-energy gas flow. Wherein said flat slot-type channel of the injector is made with a diagonal cut at the output and is installed so that the slot forms an acute angle with the direction of incoming high-energy flow. Value of slot angle is selected based on the intensity of mixing of gas flows and uniform filling of flow with injected gas. Also disclosed is a method of operation of slot-type injector.
EFFECT: invention allows to intensify processes of mixing, ignition and combustion of fuel-air mixtures in combustion chambers of ramjet engines and other installations with interconnecting piperack.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к системам подачи газообразных, жидких, двухфазных топлив в высокотемпературный высокоскоростной газовый поток и предназначено для интенсификации процессов смешения, воспламенения и горения топливовоздушных смесей в камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей и в других установках с тепломассоподводом.The invention relates to systems for supplying gaseous, liquid, two-phase fuels to a high-temperature high-speed gas stream and is intended to intensify the processes of mixing, ignition and combustion of air-fuel mixtures in the combustion chambers of ramjet engines and in other plants with heat and mass supply.

Предложенное техническое решение относится к инжекторам для подачи и смешения высокоскоростных газовых потоков, установленным в смесительном канале, и способам их работы.The proposed technical solution relates to injectors for feeding and mixing high-speed gas streams installed in the mixing channel, and methods for their operation.

Известна термосиловая инжекторная стойка [1], размещенная в газовоздушном высокоскоростном горячем потоке. Стойка имеет обтекаемый аэродинамический профиль и в задней части содержит топливный канал, в стенке которого выполнен ряд форсунок эллиптической формы для инжекции топлива спутно основному газовому потоку. Передняя кромка стойки расположена под углом стреловидности ∠α по отношению к направлению набегающего потока. Теплозащита наиболее термонапряженного элемента стойки - передней кромки обеспечивается тем, что кромка изготовлена из пористого металла, сквозь который продувают инертный газ (азот), подаваемый по специальному каналу, расположенному внутри стойки вдоль передней кромки. Ламинарный поток инертного газа, истекающий из микропор передней кромки, формирует защитную рубашку вокруг стойки, чем обеспечивается теплозащита конструкции стойки.Known thermopower injection rack [1], placed in a gas-air high-speed hot stream. The rack has a streamlined aerodynamic profile and in the rear part contains a fuel channel, in the wall of which there are a number of elliptical nozzles for injecting fuel in a tangent to the main gas stream. The front edge of the rack is located at an angle of sweep ∠α with respect to the direction of the incoming flow. Thermal protection of the most thermally stressed element of the rack — the leading edge — is ensured by the fact that the edge is made of porous metal through which an inert gas (nitrogen) is blown through a special channel located inside the rack along the leading edge. The laminar flow of inert gas flowing from the micropores of the leading edge forms a protective jacket around the rack, which provides thermal protection for the rack structure.

Недостатками такого решения являются: необходимость устраивать дополнительную систему подачи инертного газа, большие рекомендуемые углы ∠α передней кромки (от 45° до 90°), дополнительные потери кинетической энергии основного потока, вызываемые подачей инертного газа с передней кромки. Низкая эффективность смешения потоков, обусловленная спутной подачей топлива, а также сложность конструкции и технологии изготовления.The disadvantages of this solution are: the need to arrange an additional inert gas supply system, large recommended angles переднейα of the leading edge (from 45 ° to 90 °), additional losses of the kinetic energy of the main stream caused by the supply of inert gas from the leading edge. Low efficiency of mixing flows due to the satellite fuel supply, as well as the complexity of the design and manufacturing technology.

В качестве прототипа выбран пилон - автовоспламенитель топлива [2], установленный в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя и имеющий тело, составленное из ряда скрепленных заглушенных трубок, установленных наклонно. Передняя кромка пилона расположена под углом стреловидности к основному потоку и охлаждается небольшим количеством газообразного топлива, инжектируемого против потока через ряд микроотверстий, выполненных в лобовой наклонной трубке пилона. Острый угол стреловидности передней кромки ∠α (в диапазоне 20-70°) определяется по формулеAs a prototype, a pylon - auto-igniter of fuel [2], installed in the combustion chamber of a ramjet engine and having a body composed of a number of bonded plugged tubes installed obliquely, was selected. The leading edge of the pylon is located at an angle of sweep to the main stream and is cooled by a small amount of gaseous fuel injected against the stream through a series of microholes made in the frontal inclined tube of the pylon. The acute angle of sweep of the leading edge ∠α (in the range of 20-70 °) is determined by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где M - число Маха набегающего основного сверхзвукового потока.where M is the Mach number of the incident main supersonic flow.

Пилон предназначен для инжектирования и автовоспламенения газообразного топлива в сверхзвуковом газовоздушном высокотемпературном потоке. Инжектирование основного количества топливного газа осуществляется через ряды перфораций в боковых и задней стенках - трубках пилона. Недостатком пилона является то, что он изготавливается из перфорированных микротрубок, которые имеют низкую прочность из-за перфорации и ограниченную термостойкость в потоке. Кроме того, функционирование пилона предусматривает автовоспламенение и горение топлива непосредственно на боковой поверхности трубок, что дополнительно уменьшает его термостойкость в потоке. Волнообразная боковая поверхность пилона, в свою очередь, наряду со стимулированием автовоспламенения обуславливает повышенное аэродинамическое сопротивление пилона.The pylon is intended for injection and autoignition of gaseous fuel in a supersonic gas-air high-temperature flow. The injection of the main amount of fuel gas is carried out through rows of perforations in the side and rear walls - the pylon tubes. The drawback of the pylon is that it is made of perforated microtubes, which have low strength due to perforation and limited heat resistance in the stream. In addition, the operation of the pylon provides for auto-ignition and fuel combustion directly on the side surface of the tubes, which further reduces its heat resistance in the stream. The wave-like lateral surface of the pylon, in turn, along with the stimulation of autoignition causes an increased aerodynamic drag of the pylon.

Недостаточная эффективность прототипа как автовоспламенителя частично компенсируется коррекцией угла стреловидности α, специальным механизмом, изменяющим этот угол по соотношениюThe lack of effectiveness of the prototype as a self-igniter is partially compensated by the correction of the sweep angle α, a special mechanism that changes this angle in relation

Figure 00000002
Figure 00000002

где k - показатель адиабаты, Тс - температура самовоспламенения, Т - статическая температура потока [3].where k is the adiabatic exponent, Tc is the autoignition temperature, T is the static flow temperature [3].

Во второй модификации недостаточная термопрочность конструкции - прототипа компенсируется помимо механической качалки дополнительным ограничением набора рабочих режимов этого устройства в потоке по соотношению:In the second modification, insufficient thermal strength of the prototype structure is compensated, in addition to mechanical rocking, by an additional restriction on the set of operating modes of this device in the stream in the ratio:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Po - полное давление, действующее на стойку, P - статическое давление до головной волны, M - число Маха, λ - приведенная скорость за скачком, σ - допустимое напряжение материала стойки [4].where P o is the total pressure acting on the strut, P is the static pressure before the head wave, M is the Mach number, λ is the reduced velocity behind the shock, and σ is the permissible stress of the strut material [4].

Таким образом, прототип в перечисленных модификациях работоспособен в потоке горячих газов за счет механизации и автоматизации перемещения, сложность воплощения которых нивелирует первоначально заявленную простоту конструкции, стабильность самовоспламенения и эффективность смешения, достигнутые первоначальным распределением отверстий инжекции по поверхности инжектора. Помимо перечисленных недостатков, лимитирующих термостойкость конструкции, в прототипе и его модификациях применен спутный и тангенциальный способы инжекции вторичного газа, не позволяющие эффективно смешивать газы в коротких каналах при сверхзвуковых скоростях основного потока.Thus, the prototype in the above modifications is operable in the flow of hot gases due to mechanization and automation of movement, the complexity of the implementation of which eliminates the initially stated simplicity of design, the stability of self-ignition and mixing efficiency achieved by the initial distribution of the injection holes on the injector surface. In addition to the listed disadvantages that limit the thermal stability of the structure, the prototype and its modifications used the satellite and tangential methods of secondary gas injection, which do not allow efficient mixing of gases in short channels at supersonic speeds of the main stream.

Известно [5], что процессы перемешивания сверхзвуковых газовых потоков затруднены из-за малой энергии пульсаций скорости по сравнению с кинетической энергией взаимодействующих потоков, то есть сверхзвуковые потоки по сути ламинарные. В качестве методов организации перемешивания предложены и применяются: сильные акустические воздействия на поток [6, 7], пульсирующие обжимающие деформации струй инжектанта путем модулирующего вдува в пограничный слой канала (метод Ричмайера-Мешкова) [8], метод организации распадающихся крупномасштабных вихрей за клином в основном потоке, успешно применяемый в дозвуковых смесителях [9]. Основной задачей применяемых физических процессов является устройство обмена между стратифицированными слоями сверхзвукового течения путем генерации эффектов перемежаемости потоков, инициирующих последующие процессы эффективного смешения.It is known [5] that the mixing processes of supersonic gas flows are complicated due to the low energy of the velocity pulsations in comparison with the kinetic energy of the interacting flows, that is, supersonic flows are essentially laminar. The following methods have been proposed and applied as mixing methods: strong acoustic effects on the flow [6, 7], pulsating compressive deformations of the injectant jets by modulating injection into the channel boundary layer (Richmayer-Meshkov method) [8], and the method of organizing decaying large-scale eddies behind the wedge in main stream, successfully used in subsonic mixers [9]. The main objective of the applied physical processes is to exchange devices between stratified layers of a supersonic flow by generating flow intermittency effects, which initiate subsequent processes of effective mixing.

Задачей изобретения является эффективное смешение потоков газа, обеспечение термопрочности конструкции инжектора в омывающем высокоэнергетическом потоке основного газа, низкое аэродинамическое сопротивление инжектора, простота конструкции.The objective of the invention is the effective mixing of gas flows, ensuring thermal strength of the injector design in the washing high-energy flow of the main gas, low aerodynamic resistance of the injector, simplicity of design.

Поставленная техническая задача решается предлагаемым устройством - щелевым инжектором - генератором вихрей, установленным в канале смешения вдоль направления движения высокоэнергетического газового потока. Плоский щелевой канал инжектора выполнен с косым срезом на выходе и установлен таким образом, что срез щели образует острый угол с направлением набегающего высокоэнергетического потока, при этом величину угла среза задают из соображений интенсивности перемешивания газовых потоков и равномерности заполнения высокоэнергетического газового потока инжектируемым газом.The stated technical problem is solved by the proposed device — a slotted injector — a vortex generator installed in the mixing channel along the direction of motion of the high-energy gas stream. The flat slit channel of the injector is made with an oblique cut at the outlet and is installed in such a way that the slit cut forms an acute angle with the direction of the incident high-energy flow, while the cut-off angle is set based on considerations of the intensity of mixing of the gas flows and the uniformity of filling of the high-energy gas flow with injected gas.

Способ работы щелевого инжектора - генератора вихрей включает тангенциальную подачу инжектируемого газа в канал смешения с высокоэнергетическим газовым потоком. Согласно способу в плоском щелевом канале инжектора формируют течение инжектируемого газа, образованного продольными парами микровихрей газа-инжектанта противоположного вращения (спина), при этом набегающий под острым углом к косому срезу щелевого канала высокоэнергетический поток газа сепарирует микровихри в зависимости от направления вращения (спина), захватывает их с поверхности среза инжектора и направляет по потоку вдоль внешних стенок инжектора, охлаждая инжектор, причем в высокоэнергетическом газовом потоке, обтекающем область инжекции, формируется крупномасштабная вихревая пара, вовлекающая микровихри газа инжектанта в боковые макроперемещения, обеспечивая эффект перемежаемости потоков, что в свою очередь обуславливает равномерность заполнения всего потока инжектируемым газом.The method of operation of the slotted injector - vortex generator includes a tangential injection of injected gas into the mixing channel with a high-energy gas stream. According to the method, a flow of injected gas is generated in the flat slotted channel of the injector, formed by longitudinal pairs of microvortices of an injected gas of opposite rotation (spin), while a high-energy gas stream incident at an acute angle to the oblique section of the slotted channel separates microvortices depending on the direction of rotation (spin), it captures them from the cut-off surface of the injector and directs them along the flow along the outer walls of the injector, cooling the injector, moreover, in a high-energy gas stream flowing around the region Injection, a large-scale vortex pair is formed, which involves the micro-vortices of the injectant gas in the lateral macrodisplacement, providing the effect of intermittent flows, which in turn determines the uniformity of the filling of the entire flow with the injected gas.

Достигаемый технический результат: формирование газодинамических структур потоков, интенсифицирующих пространственное распределение (перемежаемость) и последующее смешение газов с высокой полнотой, достижение заданной глубины проникновения инжектируемого газа в основной поток, эффективное смешивание газов в коротких каналах при сверхзвуковых скоростях основного потока, обеспечение термопрочности конструкции инжектора в омывающем высокоскоростном потоке газа, низкое аэродинамическое сопротивление инжектора, простота конструкции.Achievable technical result: the formation of gas-dynamic structures of flows intensifying the spatial distribution (intermittency) and subsequent mixing of gases with high completeness, achieving a given depth of penetration of the injected gas into the main stream, efficient mixing of gases in short channels at supersonic speeds of the main stream, ensuring thermal strength of the injector design in washable high-speed gas flow, low aerodynamic drag of the injector, simplicity of design and.

На фиг. 1 изображен общий вид щелевого инжектора, установленного на входе в канале смешения с высокоэнергетическим газовым потоком, и принцип его работы; на фиг. 2 - эволюция водородного облака в высокоэнергетическом газовом потоке при выдуве через щелевой инжектор.In FIG. 1 shows a General view of the slit injector installed at the inlet to the mixing channel with a high-energy gas stream, and the principle of its operation; in FIG. 2 - evolution of a hydrogen cloud in a high-energy gas stream when blowing through a slotted injector.

Предлагаемый щелевой инжектор - генератор вихрей выполнен с косым срезом передней кромки, содержащим узкий щелевой канал внутри тела инжектора. Общий вид инжектора, установленного на входе в канал смешения, и принцип его работы представлены на фиг. 1: в канале 1 вдоль направления движения основного потока высокоэнергетического газа установлен щелевой инжектор 2 вторичного газа-инжектанта с косым срезом на выходе; каскад микровихревых жгутов 3 газа инжектанта (водород); макровихри 4 основного высокоэнергетического потока, формируемые в основном высокоэнергетическом потоке газа при обтекании инжектора. На фиг. 2 показана эволюция водородного облака в сверхзвуковом воздушном потоке, где 5 - поперечные сечения водородного облака, 6 - проекция задней кромки инжектора, 7 - локализация водородных микровихревых жгутов, 8 - локализация у стенки канала смешения.The proposed slotted injector - vortex generator is made with an oblique cut of the leading edge, containing a narrow slotted channel inside the injector body. A general view of the injector installed at the inlet to the mixing channel and the principle of its operation are presented in FIG. 1: in the channel 1 along the direction of movement of the main stream of high-energy gas, a slit injector 2 of the secondary injecting gas with an oblique cut at the outlet is installed; cascade of microvortex bundles 3 of the injectant gas (hydrogen); macrovortices 4 of the main high-energy flow formed in the main high-energy gas flow during the flow around the injector. In FIG. 2 shows the evolution of the hydrogen cloud in a supersonic air flow, where 5 are the cross sections of the hydrogen cloud, 6 is the projection of the trailing edge of the injector, 7 is the localization of hydrogen microvortex bundles, 8 is localization at the wall of the mixing channel.

Инжектор образован двумя близко расположенными плоскими стенками, расстояние между которыми варьируется от 0,1 до 0,7 мм. Конструктивные размеры инжектора выбирают, руководствуясь следующим:The injector is formed by two closely spaced flat walls, the distance between which varies from 0.1 to 0.7 mm. The design dimensions of the injector are selected based on the following:

- ширина щели вычисляется по критериям формирования каскада микровихрей инжектанта в процессе истечения газа, следуя положениям теории щелевых газовых течений [10];- the gap width is calculated according to the criteria for the formation of a cascade of injectant microvortices in the process of gas outflow, following the provisions of the theory of gap gas flows [10];

- высота передней кромки инжектора выбирается с учетом толщины пограничного слоя натекающего основного потока;- the height of the leading edge of the injector is selected taking into account the thickness of the boundary layer of the flowing main stream;

- высота задней кромки выбирается, исходя из заданной глубины проникновения инжектанта, назначения инжектора и назначения смесительного канала (камера сгорания, камера смешения), исходя из условий минимизации длины смешения газовых потоков;- the height of the trailing edge is selected based on the specified depth of penetration of the injectant, the purpose of the injector and the purpose of the mixing channel (combustion chamber, mixing chamber), based on the conditions for minimizing the mixing length of gas flows;

- угол наклона передней кромки α может быть выбран минимальным по соотношению (1), поскольку плоские протяженные стенки формируют конструктивно жесткий прочный канал минимального миделя, подверженный минимальному термическому воздействию омывающим потоком;- the angle of inclination of the leading edge α can be chosen to be minimal according to relation (1), since flat extended walls form a structurally rigid strong channel of a minimal midsection subject to minimal thermal influence by a washer flow;

- длина щели вдоль направления основного потока ограничена только компоновочными соображениями всего смесительного устройства согласно исследованиям [11].- the length of the slit along the direction of the main flow is limited only by the layout considerations of the entire mixing device according to studies [11].

Щелевой инжектор-генератор вихрей с косым срезом передней кромки устанавливают на входе в канал смешения, по которому протекает основной поток высокоэнергетического газа, своей боковой плоскостью вдоль продольной оси канала. При этом косой срез передней кромки инжектора располагается под некоторым углом стреловидности (∠α) к направлению основного высокоэнергетического потока газа. Величина угла выбирается по известным зависимостям, исходя из условий термопрочности конструкции инжектора, минимизации длины смешения газовых потоков, минимизации потерь полного давления потока и обеспечения условий автовоспламенения смеси. В обтекаемом основным высокоэнергетическим газовым потоком теле инжектора выполнен протяженный узкий щелевой канал, по которому подают в канал инжектируемый вторичный газ-инжектант. При этом режимы подачи инжектанта по массовому расходу выбираются из числа характерных режимов, обеспечивающих формирование каскада продольных микровихревых жгутов типа вихрей Тэйлора. Щелевой канал заканчивается косым срезом передней кромки инжектора. Благодаря такой компоновке инжектируемый газ, истекающий из щели инжектора с косым срезом в основной поток горячих газов, вступает в спин-селективное взаимодействие с основным высокоэнергетическим потоком газа, в результате чего образует внешнюю защитную рубашку вокруг тела инжектора, чем предотвращает тепловое разрушение конструкции, омываемой основным потоком высокоэнергетического потока газа.A slotted vortex injector generator with an oblique cut of the leading edge is installed at the entrance to the mixing channel, through which the main stream of high-energy gas flows, with its lateral plane along the longitudinal axis of the channel. In this case, the oblique cut of the leading edge of the injector is located at a certain sweep angle (∠α) to the direction of the main high-energy gas flow. The angle value is selected according to well-known dependencies, based on the conditions of heat resistance of the injector design, minimization of the mixing length of gas flows, minimization of the loss of the total pressure of the flow and ensuring the conditions of autoignition of the mixture. In the body of the injector streamlined around the main high-energy gas stream, an extended narrow slotted channel is made, through which an injected secondary injector gas is supplied to the channel. In this case, the injectant supply regimes by mass flow rate are selected from among the characteristic modes that ensure the formation of a cascade of longitudinal microvortex bundles such as Taylor vortices. The slotted channel ends with an oblique cut of the front edge of the injector. Due to this arrangement, the injected gas flowing from the slit of the injector with an oblique cut into the main stream of hot gases enters into spin-selective interaction with the main high-energy gas stream, as a result of which it forms an external protective jacket around the injector body, thereby preventing thermal destruction of the structure washed by the main high energy gas flow.

Способ работы щелевого инжектора.The way the slit injector works.

На вход в канал смешения 1 подают основной высокоэнергетический поток газа. Одновременно на вход в инжектор 2 подают дозвуковой поток холодного вторичного газа-инжектанта. Поток инжектанта подвергается механическому воздействию - деформируется стенками внутри тонкой щели инжектора. Поэтому он трансформируется в так называемое щелевое течение, состоящее из плоского каскада микровихревых жгутов 3. Вращение газа-инжектанта в соседних жгутах происходит в противоположных направлениях, другими словами соседние микровихри имеют противоположный спин типа Тэйлора-Куэтта. На фиг. 1 такое вращение условно обозначено стрелками 3 с хвостовой частью переменной толщины. Вращение поддерживается продольным и поперечным градиентами давления газа, существующими в кососрезанном щелевом канале инжектора. После истечения из щели газ-инжектант вступает в силовое спин-селективное взаимодействие с натекающим сверхзвуковым потоком высокоэнергетического газа, расширяется и формирует деформированную нерасчетную струю, разворачиваясь при этом в направлении течения омывающего основного потока. Одновременно в процессе силового взаимодействия плоский каскад микровихревых жгутов инжектанта расщепляется/селектируется на отдельные жгуты противоположного спина, которые разворачиваются в противоположные боковые стороны от плоскости косого среза инжектора благодаря различному спину. Условно расщепление каскада инжектанта обозначено на фиг. 1 стрелками 3 различного направления. Затем отдельные вращающиеся микровихревые жгуты инжектанта прижимаются омывающим высокоэнергетическим потоком газа к внешней поверхности инжектора, образуя термопротекторную рубашку. При этом обтекающий высокоэнергетический поток газа рассекается на две половины цилиндрической прикромочной «структурой нерасчетности» газа инжектанта. Вследствие этого в обтекающем высокоэнергетическом потоке газа возникает пара макровихрей 4, аналогичная аэродинамике «цилиндра, размещенного вдоль потока под углом атаки». Образовавшиеся макровихри 4 вовлекают в боковое перемещение продольные микровихревые жгуты 3 инжектанта, то есть щелевой инжектор с косым срезом на выходе, установленный на входе в канал вдоль направления движения высокоэнергетического газового потока так, что срез щели образует острый угол с направлением набегающего высокоэнергетического потока и порождает вихревой механизм перехода части кинетической энергии высокоэнергетического потока в эффекты перемежаемости структур потока, переходящие затем в турбулентные пульсации, которые перемешивают потоки высокоэнергетического и инжектируемого газов до требуемой однородности молекулярного уровня.At the entrance to the mixing channel 1 serves the main high-energy gas stream. At the same time, a subsonic flow of cold secondary injector gas is supplied to the injector 2 inlet. The injectant flow is subjected to mechanical stress - it is deformed by the walls inside the thin slit of the injector. Therefore, it transforms into the so-called slotted flow, consisting of a flat cascade of microvortex bundles 3. The injection gas in neighboring bundles occurs in opposite directions, in other words, the neighboring microvortices have the opposite Taylor-Couette spin. In FIG. 1, such rotation is conventionally indicated by arrows 3 with a tail part of variable thickness. The rotation is supported by the longitudinal and transverse gradients of the gas pressure existing in the oblique slit channel of the injector. After the gas flows out of the gap, the injecting gas enters into a spin-selective force interaction with the flowing supersonic flow of high-energy gas, expands and forms a deformed off-design jet, while developing in the direction of the flow of the washing main flow. At the same time, in the process of force interaction, the flat cascade of injector microvortex harnesses splits / selects into separate strands of the opposite spin, which are deployed in opposite sides of the plane of the oblique cut of the injector due to the different spin. Conventionally, the splitting of the injector cascade is indicated in FIG. 1 arrows 3 different directions. Then, the individual rotating micro-eddy harnesses of the injector are pressed by a high-energy gas flow washing onto the outer surface of the injector, forming a thermoprotective jacket. At the same time, the flowing high-energy gas stream is cut into two halves by the cylindrical edge-by-edge “off-grid structure” of the injectant gas. As a result, a pair of macrovortices 4 arises in the flowing high-energy gas stream, similar to the aerodynamics of a “cylinder placed along the stream at an angle of attack”. The resulting macrovortices 4 involve the longitudinal injectors 3 in the lateral displacement, i.e., a slit injector with an oblique cut at the outlet, installed at the channel inlet along the direction of the high-energy gas flow, so that the slit cut forms an acute angle with the direction of the oncoming high-energy flow and generates a vortex the mechanism of transition of a part of the kinetic energy of a high-energy flow to the effects of intermittency of flow structures, which then turn into turbulent pulsations, which stirred and injected flows of high molecular gases to a desired level of homogeneity.

Для подтверждения эффективности технического решения в ИТПМ СО РАН были проведены эксперименты. В сверхзвуковой воздушный поток с числом Маха M=2 был инжектирован газообразный водород через щелевой инжектор с косым срезом на выходе, изготовленный из стали марки 12Х18Н9Т. Температура торможения варьировалась в пределах 1300-3000 К. Испытания показали, что инжектор имеет неограниченную стойкость и обеспечивает воспламенение и последующую полноту сгорания водорода свыше 90%, которая является показателем эффективности процессов смешения. Результаты лазерной визуализации потока в канале смешения (в масштабе) представлены на фиг. 2. позициями 5 и 7. Поперечные сечения в виде заштрихованных областей иллюстрируют эффективность происходящего смешения газовых потоков, характеризуя динамику заполнения поперечного сечения воздушного потока облаком инжектируемого водорода. Измерения показали, что на длине ~1,8 калибра канала инжектиреумый водород уже достигает стенок канала 8 в поперечном направлении, а на длине ~3,3 калибра сечение воздушного потока заполнено водородом уже на 35-40% (разброс приводимой точности обусловлен импульсным принципом визуализации).To confirm the effectiveness of the technical solution, experiments were conducted at ITAM SB RAS. Hydrogen gas was injected into a supersonic air stream with a Mach number M = 2 through a slotted injector with an oblique cut at the outlet made of steel grade 12Kh18N9T. The braking temperature ranged from 1300-3000 K. Tests have shown that the injector has unlimited resistance and provides ignition and subsequent combustion of hydrogen over 90%, which is an indicator of the efficiency of mixing processes. The results of laser imaging of the flow in the mixing channel (to scale) are presented in FIG. 2. Positions 5 and 7. Cross sections in the form of shaded areas illustrate the efficiency of the mixing of gas flows, characterizing the dynamics of filling the cross section of the air flow with a cloud of injected hydrogen. Measurements showed that, at a length of ~ 1.8 gauge of the channel, injected hydrogen already reaches the walls of channel 8 in the transverse direction, and at a length of ~ 3.3 gauge, the air flow cross section is already filled with hydrogen by 35-40% (the spread of reducible accuracy is due to the pulsed imaging principle )

Источники информации:Information sources:

1. Патент РФ №2383761, МПК F02K 7/10, F01D 5/18.1. RF patent No. 2383761, IPC F02K 7/10, F01D 5/18.

2. Патент РФ №2428576, МПК F02C 7/26, F23R 3/20 - прототип.2. RF patent No. 2428576, IPC F02C 7/26, F23R 3/20 - prototype.

3. Патент РФ №2444639, МПК F02C 7/26.3. RF patent No. 2444639, IPC F02C 7/26.

4. Патент на полезную модель РФ №104971, МПК F02C 7/22.4. Patent for utility model of the Russian Federation No. 104971, IPC F02C 7/22.

5. Кочетков Ю.М. Турбулентность. Фундаментальное уравнение сверхзвуковой газовой динамики - новый метод профилирования сопел ЖРД. Двигатель №3(87), 2013, с. 44.5. Kochetkov Yu.M. Turbulence. The fundamental equation of supersonic gas dynamics is a new profiling method for LPRE nozzles. Engine No. 3 (87), 2013, p. 44.

6. Кочетков Ю.М. Турбулентность в ПВРД и ГПВРД. Двигатель №6(72), 2010, с. 30.6. Kochetkov Yu.M. Turbulence in ramjet and scramjet. Engine No. 6 (72), 2010, p. thirty.

7. Патент УКРАÏНА №86966, Спосiб допалювання вiдпрацьованого генераторного газу турбiни турбонасосного агрегату рiдинного ракетного двигуна та пристрiй для його застосування. МПК F02K 9/42 (2006.01) F23H 9/00.7. UKRAINE Patent No. 86966, Method for adding a gas turbine to a turbo pump turbine pump of a solid rocket engine and an extension for further storage. IPC F02K 9/42 (2006.01) F23H 9/00.

8. Qingchun Yang, Juntao Chang, and Wen Bao. Richtmyer-Meshkov Instability Induced Mixing Enhancement in the Scramjet Combustor with a Central Strut. Advances in Mechanical Engineering Volume 2014 (2014), Article ID 614189, 7 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2014/614189.8. Qingchun Yang, Juntao Chang, and Wen Bao. Richtmyer-Meshkov Instability Induced Mixing Enhancement in the Scramjet Combustor with a Central Strut. Advances in Mechanical Engineering Volume 2014 (2014), Article ID 614189, 7 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2014/614189.

9. Патент РФ №2106573 C1, МПК F23D 14/62, F23D 17/00 1994.9. RF patent No. 2106573 C1, IPC F23D 14/62, F23D 17/00 1994.

10. Щелевые уплотнения. В кн. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. ред. А.И. Голубева. - М.: Машиностроение, 1986, с. 375-405.10. Crevice seals. In the book. Seals and sealing technology. Directory. ed. A.I. Golubeva. - M.: Mechanical Engineering, 1986, p. 375-405.

11. C. Birzer, C.J. Doolan. A quasi-one-dimensional model of hydrogen-fueled scramjet combustors. J. Propulsion&Power 25(6), 1220-1225, 2009.11. C. Birzer, C.J. Doolan A quasi-one-dimensional model of hydrogen-fueled scramjet combustors. J. Propulsion & Power 25 (6), 1220-1225, 2009.

Claims (2)

1. Щелевой инжектор-генератор вихрей, установленный в канале смешения вдоль направления движения высокоэнергетического газового потока, отличающийся тем, что плоский щелевой канал инжектора выполнен с косым срезом на выходе так, что срез щелевого канала образует острый угол с направлением набегающего высокоэнергетического газового потока, при этом величину угла среза щелевого канала инжектора рассчитывают из условий обеспечения равномерности заполнения и интенсивности перемешивания инжектируемого газа с набегающим высокоэнергетическим газовым потоком.1. A slotted vortex injector-generator installed in the mixing channel along the direction of motion of the high-energy gas stream, characterized in that the flat slit channel of the injector is made with an oblique cut at the outlet so that the slit of the slot channel forms an acute angle with the direction of the incident high-energy gas stream, In this case, the value of the cutoff angle of the slit channel of the injector is calculated from the conditions for ensuring uniformity of filling and intensity of mixing of the injected gas with the incident high-energy gas stream. 2. Способ работы щелевого инжектора - генератора вихрей, включающий тангенциальную подачу инжектируемого газа в канал смешения с высокоэнергетическим газовым потоком, отличающийся тем, что в плоском щелевом канале инжектора формируют структуру течения инжектируемого газа, состоящую из продольных пар микровихрей противоположного направления, при этом набегающий под острым углом к косому срезу щелевого канала высокоэнергетический поток газа захватывает микровихри с поверхности косого среза инжектора, сепарирует их в зависимости от направления вращения и направляет по потоку вдоль внешних стенок инжектора, при этом охлаждая инжектор и формируя крупномасштабную вихревую пару, вовлекающую микровихри газа инжектанта в боковые макроперемещения, обеспечивая равномерность заполнения всего потока. 2. The method of operation of the slotted injector - vortex generator, including the tangential injection of injected gas into the mixing channel with a high-energy gas stream, characterized in that the injected gas flow structure is formed in the flat slotted channel of the injector, consisting of longitudinal pairs of microvortices of the opposite direction, while running under At an acute angle to the oblique cut of the slotted channel, the high-energy gas flow captures microvortices from the surface of the oblique cut of the injector and separates them depending on systematic way rotation and guides the flow along the outer walls of the injector, the injector cooling and forming a pair of large-scale vortex involving microwhirlwinds gas injectant into lateral makroperemescheniya providing uniform filling of the entire stream.
RU2014150851/06A 2014-12-15 2014-12-15 Slot-type injector-vortex generator and operation method thereof RU2596077C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150851/06A RU2596077C2 (en) 2014-12-15 2014-12-15 Slot-type injector-vortex generator and operation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150851/06A RU2596077C2 (en) 2014-12-15 2014-12-15 Slot-type injector-vortex generator and operation method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014150851A RU2014150851A (en) 2016-07-10
RU2596077C2 true RU2596077C2 (en) 2016-08-27

Family

ID=56372500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014150851/06A RU2596077C2 (en) 2014-12-15 2014-12-15 Slot-type injector-vortex generator and operation method thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2596077C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2134813C1 (en) * 1996-03-01 1999-08-20 Аэроспасьяль Сосьете Насьональ Эндюстриель Device to inject fuel into ramjet engine of aircraft
US20040037162A1 (en) * 2002-07-20 2004-02-26 Peter Flohr Vortex generator with controlled wake flow
RU2383761C1 (en) * 2008-07-08 2010-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Thermo force post of power unit actuating medium circuit
RU2428576C1 (en) * 2010-06-11 2011-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Pylon-autoigniter of fuel

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2134813C1 (en) * 1996-03-01 1999-08-20 Аэроспасьяль Сосьете Насьональ Эндюстриель Device to inject fuel into ramjet engine of aircraft
US20040037162A1 (en) * 2002-07-20 2004-02-26 Peter Flohr Vortex generator with controlled wake flow
RU2383761C1 (en) * 2008-07-08 2010-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Thermo force post of power unit actuating medium circuit
RU2428576C1 (en) * 2010-06-11 2011-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Pylon-autoigniter of fuel

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014150851A (en) 2016-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Supersonic mixing in airbreathing propulsion systems for hypersonic flights
Schwer et al. Feedback into mixture plenums in rotating detonation engines
Gruber et al. Mixing and penetration studies of sonic jets in a Mach 2 freestream
Kouchi et al. Mechanism and control of combustion-mode transition in a scramjet engine
Wang Rotating detonation in a combustor of trapezoidal cross section for the hydrogen–air mixture
Suneetha et al. Implication of diamond shaped dual strut on combustion characteristics in a cavity-based scramjet combustor
Zhao et al. Effects of a jet turbulator upon flame acceleration in a detonation tube
Hwang et al. Research progress on mixing enhancement using streamwise vortices in supersonic flows
Lin et al. Study of thrust vector control for the rotating detonation model engine
Yarasai et al. Numerical investigation on the performance and combustion characteristics of a cavity based scramjet combustor with novel strut injectors
Lee et al. Influence of jet parameters of fluidic oscillator-type fuel injector on the mixing performance in a supersonic flow field
Tomioka et al. Performance of a rocket-ramjet combined-cycle engine model in ejector mode operation
Leyva et al. On the impact of injection schemes on transition in hypersonic boundary layers
Gong et al. Experimental investigation on initiation of oblique detonation waves
RU2596077C2 (en) Slot-type injector-vortex generator and operation method thereof
Allen et al. Fuel-air injection effects on combustion in cavity-based flameholders in a supersonic flow
Lee et al. A novel supersonic injection scheme for laser induced breakdown ignition
Sun et al. Asymmetric combustion characteristics of transverse ethylene injection in a rectangular supersonic combustor with single-side expansion
Fu et al. Experimental and numerical studies of kerosene fueled scramjet control technology
Chang et al. Detonation Wave-Refresh Jet Interaction in Unwrapped RDE Combustor
Gaston et al. A comparison of two hypermixing fuel injectors in a supersonic combustor
Barnes et al. Mixing and mass exchange for cavities in supersonic flows
Davidenko et al. Numerical simulation of H2/O2 continuous spin detonation with a detailed chemical mechanism
Vankova et al. Simulation of mixing and ignition of hydrogen in channels at supersonic speeds
Xu et al. Numerical simulation on flow and heat transfer characteristics of film/regenerative compound cooling process