RU2633730C1 - Method of working process organizing in direct-flow air jet engine - Google Patents

Method of working process organizing in direct-flow air jet engine Download PDF

Info

Publication number
RU2633730C1
RU2633730C1 RU2016142937A RU2016142937A RU2633730C1 RU 2633730 C1 RU2633730 C1 RU 2633730C1 RU 2016142937 A RU2016142937 A RU 2016142937A RU 2016142937 A RU2016142937 A RU 2016142937A RU 2633730 C1 RU2633730 C1 RU 2633730C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pressure
suspension
tank
combustion chamber
powder
Prior art date
Application number
RU2016142937A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Афанасьевич Архипов
Алексей Иванович Коноваленко
Александр Степанович Жуков
Николай Николаевич Золоторёв
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ)
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 автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ)
Priority to RU2016142937A priority Critical patent/RU2633730C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2633730C1 publication Critical patent/RU2633730C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/10Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
    • F02K7/12Injection-induction jet engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/10Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
    • F02K7/18Composite ram-jet/rocket engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/70Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using semi- solid or pulverulent propellants

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: method includes supplying a powder of metal fuel to the combustion chamber, igniting it and burning it in a stream of air from the air inlet. The powder in the form of a uniformly mixed suspension in a liquefied fuel gas placed in a fuel tank is preloaded with a displacement pressure, heated and supplied to the combustion chamber through a nozzle. The maximum diameter of the powder particles, the extrusion pressure and the heating temperature of the slurry are determined from the protected ratios.
EFFECT: increased power characteristics and reliability of the direct-flow air-jet engine.
2 cl, 2 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано при разработке прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).The invention relates to the field of aircraft engine manufacturing and can be used in the development of ramjet engines.

Известен способ организации рабочего процесса в комбинированном ПВРД газогенераторной схемы (ракетно-прямоточном двигателе), представляющем собой сочетание прямоточного и ракетного двигателей [1, 2]. Принцип действия данной схемы ПВРД заключается в том, что продукты неполного сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива, образующиеся в камере сгорания ракетного двигателя (газогенератора), используются в качестве горючего для прямоточного контура. Это горючее сжигается в потоке воздуха, поступающего через воздухозаборники в камеру дожигания. Продукты полного сгорания истекают через сопловой блок, создавая тягу ПВРД.There is a method of organizing a workflow in a combined ramjet of a gas generator circuit (ramjet engine), which is a combination of ramjet and rocket engines [1, 2]. The principle of operation of this ramjet engine is that the products of incomplete combustion of solid, liquid or gaseous fuels formed in the combustion chamber of a rocket engine (gas generator) are used as fuel for the direct-flow circuit. This fuel is burned in a stream of air entering through the air intakes into the afterburner. The products of complete combustion expire through the nozzle block, creating thrust ramjet.

Перспективным направлением повышения энергетических характеристик ПВРД является использование порошков металлов в качестве горючих компонентов топливной смеси газогенератора. Применение металлов (в первую очередь, алюминия) обусловлено их высокой активностью, значительным тепловыделением и высокой температурой горения [3].A promising direction for increasing the energy characteristics of ramjet engines is the use of metal powders as combustible components of the fuel mixture of a gas generator. The use of metals (primarily aluminum) is due to their high activity, significant heat release and high combustion temperature [3].

Известен способ повышения энергетических характеристик ПВРД путем введения в жидкое ракетное топливо порошков металлов (алюминий, бор, бериллий, магний) с дисперсностью частиц (1÷100) мкм [4]. Существенным недостатком таких суспензий является их расслоение при хранении с выпадением металла в осадок. Для снижения этого эффекта используются загустители - вещества, добавление которых в незначительных количествах повышает вязкость топлива. Однако при этом возникают трудности, связанные с подачей горючего в камеру сгорания и его распылением.There is a method of increasing the energy characteristics of ramjet by introducing powders of metals (aluminum, boron, beryllium, magnesium) with a dispersion of particles (1 ÷ 100) microns in liquid rocket fuel [4]. A significant drawback of such suspensions is their separation during storage with the precipitation of metal. To reduce this effect, thickeners are used - substances whose addition in small quantities increases the viscosity of the fuel. However, there are difficulties associated with the supply of fuel to the combustion chamber and its atomization.

Известен способ организации рабочего процесса в гибридном ракетно-прямоточном воздушно-реактивном аэрокосмическом двигателе [5], который включает ракетный двигатель на топливе в виде взвеси нанопорошка алюминия с размером частиц не более 25 нм в жидкой водной фазе. Двигатель предназначен для создания тяги при старте и на начальном этапе полета, а также для наработки топлива, потребляемого совмещенным с ним ПВРД крейсерского полета на молекулярном водороде, образующимся при сжигании нанопорошка алюминия. Нанопорошок алюминия сжигается в парах воды в камере сгорания, которая является одновременно химическим реактором для получения водорода.A known method of organizing a working process in a hybrid rocket-ramjet air-propelled aerospace engine [5], which includes a rocket engine on fuel in the form of a suspension of aluminum nanopowder with a particle size of not more than 25 nm in the liquid aqueous phase. The engine is designed to create traction at launch and at the initial stage of the flight, as well as to produce fuel consumed by the combined molecular-hydrogen cruise ramjet produced during the combustion of aluminum nanopowder. Aluminum nanopowder is burned in water vapor in a combustion chamber, which is also a chemical reactor for producing hydrogen.

Недостатком данного способа является сложность реализации устойчивого режима горения, включающего многостадийные взаимовлияющие процессы диффузии, тепло- и массообмена, химической кинетики и газовой динамики.The disadvantage of this method is the difficulty of implementing a stable combustion mode, including multi-stage mutually affecting processes of diffusion, heat and mass transfer, chemical kinetics and gas dynamics.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является организация рабочего процесса в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на металлическом порошкообразном горючем [6]. Двигатель содержит систему запуска, систему подачи горючего, включающую топливный бак с металлическим порошкообразным горючим и перфорированным поршнем, и камеру сгорания. В корпусе двигателя установлен дополнительный газогенератор, обеспечивающий запуск системы подачи порошкообразного металлического горючего. Камера сгорания состоит из форкамеры, с размещенным на ее входе дозатором подачи горючего и камеры окончательного дожигания топлива. Форкамера и камера окончательного дожигания имеют каналы для подачи воздуха.The closest in technical essence to the claimed method is the organization of the working process in a ramjet engine on a metal powder fuel [6]. The engine comprises a start system, a fuel supply system including a fuel tank with metal powder fuel and a perforated piston, and a combustion chamber. An additional gas generator is installed in the engine housing, which enables the start-up of a powder metal fuel supply system. The combustion chamber consists of a prechamber, with a fuel dispenser located at its inlet and a chamber for the final afterburning of fuel. The prechamber and afterburner have air ducts.

Недостатком данного способа является сложность обеспечения равномерной и дозированной подачи порошка в форкамеру. Существующие дозаторы имеют, как правило, большие габариты и массу и не обеспечивают надежную работу в условиях высоких перепадов температур и давлений.The disadvantage of this method is the difficulty of ensuring a uniform and metered supply of powder into the prechamber. Existing dispensers have, as a rule, large dimensions and weight and do not provide reliable operation in conditions of high temperature and pressure drops.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение энергетических характеристик и надежности работы ПВРД.The technical result of the present invention is to increase the energy characteristics and reliability of the ramjet.

Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ организации рабочего процесса в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, включающий подачу порошка металлического горючего в камеру сгорания, его воспламенение и горение в потоке воздуха из воздухозаборника. Порошок в виде равномерно перемешанной суспензии в сжиженном горючем газе, размещенной в топливном баке, предварительно нагружают давлением вытеснения, нагревают и подают в камеру сгорания через форсунку. Максимальный диаметр частиц порошка, давление вытеснения и температуру нагрева суспензии определяют из соотношенийThe technical result of the invention is achieved by the fact that a method for organizing a working process in a ramjet engine has been developed, including supplying metal fuel powder to the combustion chamber, igniting it and burning in the air stream from the air intake. The powder in the form of a uniformly mixed suspension in a liquefied combustible gas, placed in the fuel tank, is pre-loaded with displacement pressure, heated and fed into the combustion chamber through the nozzle. The maximum particle diameter of the powder, displacement pressure and heating temperature of the suspension are determined from the relations

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где Dmax - максимальный диаметр частиц порошка, мкм;where D max - the maximum diameter of the powder particles, microns;

μ - коэффициент динамической вязкости сжиженного газа, Па⋅с;μ is the dynamic viscosity coefficient of liquefied gas, Pa⋅s;

L - характерный размер топливного бака, м;L is the characteristic size of the fuel tank, m;

ρр - плотность металла порошка, кг/м3;ρ p - the density of the metal powder, kg / m 3 ;

ρ1 - плотность сжиженного газа, кг/м3;ρ 1 - density of liquefied gas, kg / m 3 ;

g - ускорение свободного падения, м/с2;g is the acceleration of gravity, m / s 2 ;

t - время гарантированного сохранения равномерного распределения частиц порошка в суспензии, год;t is the time guaranteed to maintain a uniform distribution of powder particles in suspension, year;

ркам - давление в камере сгорания, Па;p Kam - pressure in the combustion chamber, Pa;

pбак - давление вытеснения суспензии, Па;p tank is the pressure of the displacement of the suspension, Pa;

ркр - критическое давление насыщенного пара для горючего газа, Па;p cr - the critical pressure of saturated steam for a combustible gas, Pa;

Ткип (pкам) - температура кипения сжиженного горючего газа при давлении, равном давлению в камере сгорания, °С;T bale (p Kam ) - the boiling point of a liquefied combustible gas at a pressure equal to the pressure in the combustion chamber, ° C;

Т - температура нагрева суспензии, °С;T is the heating temperature of the suspension, ° C;

Ткип (pбак) - температура кипения сжиженного горючего газа при давлении, равном давлению вытеснения суспензии, °С.T bale (p tank ) is the boiling point of the liquefied combustible gas at a pressure equal to the pressure of the displacement of the suspension, ° C.

В качестве металлического горючего используют порошки алюминия, бора, бериллия, магния, циркония или лития, а в качестве сжиженного горючего газа используют углеводороды CnH2n, CnH2n+2, CnH2n-2.Powders of aluminum, boron, beryllium, magnesium, zirconium or lithium are used as metal fuel, and hydrocarbons C n H 2n , C n H 2n + 2 , C n H 2n-2 are used as liquefied fuel.

Сущность изобретения поясняется схемой (Фиг. 1), на которой представлен способ организации рабочего процесса в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Цифрами обозначено: 1 - воздухозаборник; 2 - эластичная мембрана; 3 - топливный бак; 4 - суспензия порошка металла в сжиженном газе; 5 - отводящие каналы для подачи воздуха в камеру сгорания; 6 - камера сгорания; 7 - баллон со сжатым газом; 8 - редуктор; 9, 11 - электропневмоклапаны; 10 - нагреватель; 12 - форсунка; 13 - воспламенитель; 14 - сопло.The invention is illustrated by the diagram (Fig. 1), which shows a method of organizing a work process in a ramjet engine. The numbers indicate: 1 - air intake; 2 - elastic membrane; 3 - a fuel tank; 4 - suspension of metal powder in a liquefied gas; 5 - exhaust ducts for supplying air to the combustion chamber; 6 - combustion chamber; 7 - cylinder with compressed gas; 8 - gear; 9, 11 - electro-pneumatic valves; 10 - heater; 12 - nozzle; 13 - igniter; 14 - nozzle.

Реализация способа осуществляется следующим образом. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель предварительно разгоняют внешним носителем - твердотопливным ускорителем или самолетом (на Фиг. 1 не показаны) - до скорости, большей 0.6 М, где М - число Маха, обеспечивающей устойчивую работу ПВРД [4]. Открывают клапан 9, и сжатый газ из баллона 7 через редуктор 8 поступает в топливный бак 3 и через эластичную мембрану 2 нагружает суспензию порошка металла в сжиженном газе 4, создавая в ней заданное давление рбак. Уровень давления pбак превышает рабочее давление в камере сгорания ркам, но меньшее критического давления для сжиженного газа ркр. Затем включают нагреватель 10 и суспензию 4 нагревают до температуры T, меньшей температуры кипения сжиженного газа при давлении в топливном баке Ткипбак).The implementation of the method is as follows. The ramjet is previously accelerated by an external carrier — a solid-fuel accelerator or an airplane (not shown in FIG. 1) —to a speed greater than 0.6 M, where M is the Mach number providing stable ramjet operation [4]. Open the valve 9, and the compressed gas from the cylinder 7 through the reducer 8 enters the fuel tank 3 and through an elastic membrane 2 loads a suspension of metal powder in the liquefied gas 4, creating a predetermined pressure p tank in it. The pressure level p tank exceeds the working pressure in the combustion chamber p kam , but less than the critical pressure for liquefied gas p kr . Then it includes heater 10, and the suspension is heated to a temperature of 4 T, at the boiling point of the liquefied gas at a pressure in the fuel tank T heated (P tub).

После нагрева суспензии 4 открывают клапан 11 и подогретую суспензию 4 через форсунку 12 подают в камеру сгорания 6. Поскольку давление в камере сгорания ркам меньше давления в топливном баке рбак, сжиженный газ будет перегретым относительно давления в камере сгорания. Это приведет к его «взрывообразному» закипанию и испарению. Испарившийся газ и частицы порошка металла перемешиваются с воздухом, поступающим из отводящих каналов 5, и воспламеняются при помощи пиротехнического воспламенителя 13. Продукты сгорания истекают через сопло 14, создавая тягу двигателя.After heating a suspension of 4 open valve 11 and the suspension was heated 4 through the nozzle 12 is supplied into the combustion chamber 6. As the pressure in the combustion chamber pressure p Cams less fuel tank p tank, liquified gas is superheated relative to the pressure in the combustion chamber. This will lead to its "explosive" boiling and evaporation. Evaporated gas and metal powder particles are mixed with air coming from the exhaust ducts 5 and ignited using a pyrotechnic igniter 13. The combustion products expire through the nozzle 14, creating an engine thrust.

Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.The achievement of the positive effect of the invention is provided by the following factors.

1. Использование порошка металлического горючего в виде равномерно перемешанной суспензии в сжиженном газе обеспечивает равномерную и надежную подачу горючих компонентов в камеру сгорания ПВРД через форсунку (например, центробежную или струйную).1. The use of metal fuel powder in the form of a uniformly mixed suspension in liquefied gas provides a uniform and reliable supply of combustible components to the ramjet combustion chamber through a nozzle (for example, centrifugal or jet).

2. Предварительное нагружение суспензии, размещенной в топливном баке, давлением вытеснения рбак, определяемым из соотношения ркам < pбак < pкр, и нагревание суспензии до температуры Т, определяемой соотношением Ткипкам) < Т < Ткип (pбак), позволяет вводить суспензию в камеру сгорания ПВРД в перегретом состоянии. Это интенсифицирует процессы испарения сжиженного горючего газа и перемешивание горючих компонентов (паров горючего газа и частиц порошка металла) с окислительным компонентом (кислородом воздуха). В конечном счете повышается полнота сгорания и, как следствие, удельный импульс тяги ПВРД.2. Preloading the suspension placed in the fuel tank, the displacement pressure p tank , determined from the ratio p kam <p tank <p kr , and heating the suspension to a temperature T determined by the ratio of T bale (p kam ) <T <T bale (p tank ), allows you to enter the suspension into the combustion chamber of the ramjet in an overheated state. This intensifies the processes of evaporation of liquefied combustible gas and the mixing of combustible components (vapors of combustible gas and metal powder particles) with an oxidizing component (air oxygen). Ultimately, the completeness of combustion increases and, as a result, the specific impulse of thrust of the ramjet.

Перегретое состояние суспензии поясняется р-Т диаграммой фазовых переходов, приведенной на Фиг. 2 [7]. В исходном состоянии суспензия имеет температуру окружающей среды при атмосферном давлении (точка 0 на Фиг. 2). Затем давление в топливном баке устанавливается равным давлению вытеснения рбак (точка 1 на Фиг. 2). При этом давлении суспензия нагревается до температуры Т2, которая ниже температуры кипения сжиженного газа Т5 при давлении рбак (точка 2 на Фиг. 2). При подаче сжатого сжиженного газа в камеру сгорания давление резко уменьшается от величины давления в баке рбак до давления в камере ркам (точка 3 на Фиг. 2), а температура не изменяется Т32. Состояние сжиженного газа в точке 3 будет неустойчивым, так как при этом давлении сжиженный газ является перегретым на величину ΔТ=Т34 (температура кипения сжиженного газа при давлении ркам равна Т4, при этом Т43). Происходит «взрывообразное» закипание и испарение сжиженного газа, который переходит в газообразное состояние, а его температура понижается за счет испарения до температуры Т4 (точка 4 на Фиг. 2). Чем больше разность давлений между pбак и ркам, тем больший перегрев сжиженного газа может быть реализован и тем интенсивнее будет его кипение и испарение (Фиг. 2). При испарении объем газа многократно увеличивается, происходит его перемешивание с воздухом и распространение частиц порошка металла в объеме камеры сгорания. При этом не требуется применение форсунок или распылителей с соплами малого диаметра (для обеспечения дробления сжиженного газа) и практически устраняется возможность их засорения частицами порошка металла, что повышает надежность работы ПВРД.The superheated state of the suspension is illustrated by the PT diagram of the phase transitions shown in FIG. 2 [7]. In the initial state, the suspension has an ambient temperature at atmospheric pressure (point 0 in Fig. 2). Then, the pressure in the fuel tank is set equal to the displacement pressure p tank (point 1 in Fig. 2). At this pressure, the suspension is heated to a temperature T 2 that is lower than the boiling point of the liquefied gas T 5 at a pressure p tank (point 2 in FIG. 2). When applying compressed liquefied gas into the combustion chamber pressure dramatically decreases the pressure value P in the tank to the tank chamber pressure p cam (point 3 in FIG. 2) and does not change temperature T 3 = T 2. The state of the liquefied gas at point 3 will be unstable, since at this pressure the liquefied gas is superheated by ΔT = T 3 -T 4 (the boiling point of the liquefied gas at a pressure of p cams is T 4 , with T 4 <T 3 ). There is an “explosive” boiling and evaporation of liquefied gas, which goes into a gaseous state, and its temperature decreases due to evaporation to a temperature of T 4 (point 4 in Fig. 2). The greater the pressure difference between the p tank and p chamber , the greater the superheat of the liquefied gas can be realized and the more intense its boiling and evaporation (Fig. 2). During evaporation, the volume of gas increases many times, it is mixed with air and the distribution of particles of metal powder in the volume of the combustion chamber. It does not require the use of nozzles or nozzles with nozzles of small diameter (to ensure crushing of liquefied gas) and virtually eliminates the possibility of clogging them with metal powder particles, which increases the reliability of the ramjet.

3. Использование порошка металлического горючего с максимальным диаметром частиц Dmax, определяемым из соотношения (1) обеспечивает гарантированное время сохранения равномерного распределения частиц порошка в суспензии. Это обеспечивает надежную работу ПВРД при его запуске в период времени, не позднее заданного гарантийного срока.3. The use of metal fuel powder with a maximum particle diameter D max determined from relation (1) provides a guaranteed time for maintaining a uniform distribution of powder particles in suspension. This ensures reliable operation of the ramjet when it is launched in a period of time no later than the specified warranty period.

Для обоснования соотношения (1) рассмотрим уравнение осаждения частиц в поле силы тяжести [8]:To justify relation (1), we consider the equation of particle deposition in a gravitational field [8]:

Figure 00000004
Figure 00000004

где u - скорость осаждения частиц порошка; D - диаметр частиц. Из (4) следует, что чем крупнее размер частиц, тем быстрее произойдет их расслоение в суспензии. Поэтому для длительного периода времени сохранения равномерного распределения частиц в суспензии необходимо ввести ограничение на максимальный диаметр частиц Dmax. Из соотношения (4) следует:where u is the deposition rate of the powder particles; D is the particle diameter. It follows from (4) that the larger the particle size, the faster their separation in suspension. Therefore, for a long period of time to maintain uniform distribution of particles in the suspension, it is necessary to introduce a restriction on the maximum particle diameter D max . From relation (4) it follows:

Figure 00000005
Figure 00000005

При стационарном осаждении частиц скорость осаждения u=const и может быть представлена в видеIn stationary particle deposition, the deposition rate is u = const and can be represented as

Figure 00000006
Figure 00000006

где l - расстояние, пройденное частицей за время t.where l is the distance traveled by the particle in time t.

Примем за время t - время гарантированного сохранения равномерного распределения частиц порошка в суспензии, а за расстояние l - расстояние, равное l=0.1L, где L - характерный размер топливного бака (например, его диаметр или высота). Подставляя (6) в (5), получим соотношениеFor time t, we take the time to guarantee the uniform distribution of powder particles in the suspension, and for the distance l , the distance equal to l = 0.1L, where L is the characteristic size of the fuel tank (for example, its diameter or height). Substituting (6) into (5), we obtain the relation

Figure 00000007
Figure 00000007

Для удобства проведения расчетов примем следующие размерности величин: [Dmax] = мкм = 10-6 м, [ρр] = [ρ1] = кг/м3, [L]=м, [μ] = Па⋅с, g = 9.80665 м/с, [t] = год = 31.536⋅106 с. При этом формула (7) примет вид (1):For the convenience of calculations, we take the following dimensions: [D max ] = μm = 10 -6 m, [ρ p ] = [ρ 1 ] = kg / m 3 , [L] = m, [μ] = Pa⋅s, g = 9.80665 m / s, [t] = year = 31.536⋅10 6 s. In this case, formula (7) will take the form (1):

Figure 00000008
Figure 00000008

Соотношение (1) определяет максимальный размер частиц, которые за время t сместятся на расстояние 0.1L. Более мелкие частицы диаметром D<Dmax сместятся на меньшее расстояние, что обеспечит сохранение равновесного распределения частиц.Relation (1) determines the maximum size of particles that will travel 0.1L in time t. Smaller particles with a diameter of D <D max will shift to a smaller distance, which will ensure the preservation of the equilibrium distribution of particles.

4. Использование в качестве металлического горючего порошков металлов (алюминия, бериллия, магния, циркония или лития) или металлоида (бора), обеспечивает высокое энерговыделение при реакции их горения и, следовательно, высокие энергетические характеристики ПВРД. Основные характеристики этих веществ приведены в таблице 1 [3].4. The use of metal powders of metals (aluminum, beryllium, magnesium, zirconium or lithium) or metalloid (boron) as a metal fuel provides a high energy release during the combustion reaction and, therefore, high energy characteristics of ramjet. The main characteristics of these substances are given in table 1 [3].

Figure 00000009
Figure 00000009

При выборе металлического горючего необходимо наряду с теплотой сгорания единицы массы Qm [кДж/г] оценивать и теплоту сгорания единицы объема Qv [кДж/см3], которая определяется соотношением QvpQm.When choosing metallic fuel, it is necessary, along with the calorific value of a unit mass Q m [kJ / g], to evaluate the calorific value of a unit volume Q v [kJ / cm 3 ], which is determined by the ratio Q v = ρ p Q m .

Это связано с тем, что в ПВРД является важным не только количество теплоты, выделяемое на единицу массы горючего, но и занимаемый им объем.This is due to the fact that in the ramjet engine it is important not only the amount of heat released per unit mass of fuel, but also the volume occupied by it.

Использование в качестве сжиженного горючего газа углеводородов CnH2n, CnH2n+2, CnH2n-2 обеспечивает дополнительное тепловыделение при их горении в потоке воздуха в камере сгорания ПВРД. Основные характеристики некоторых горючих газов приведены в таблице 2 [9].The use of hydrocarbons C n H 2n , C n H 2n + 2 , C n H 2n-2 as liquefied combustible gas provides additional heat during combustion in the air stream in the ramjet combustion chamber. The main characteristics of some combustible gases are given in table 2 [9].

Пример реализацииImplementation example

В качестве примера реализации заявляемого способа организации рабочего процесса в прямоточном воздушно-реактивном двигателе рассмотрим ПВРД (Фиг. 1), в котором используется суспензия порошка алюминия в сжиженном циклогексане С6Н12.As an example of the implementation of the proposed method of organizing the working process in a ramjet engine, consider a ramjet (Fig. 1), which uses a suspension of aluminum powder in liquefied cyclohexane C 6 H 12 .

Характеристики циклогексана [9]:Characteristics of cyclohexane [9]:

Tкр = 281°С - критическая температура;T cr = 281 ° C is the critical temperature;

pкр = 4.1 МПа - критическое давление;p cr = 4.1 MPa - critical pressure;

Tпл = 6.6°С - температура плавления при атмосферном давлении;T PL = 6.6 ° C is the melting temperature at atmospheric pressure;

Ткип = 80.7°С - температура кипения при атмосферном давлении;Т bale = 80.7 ° С - boiling point at atmospheric pressure;

Ср = 1.86 кДж/(кг⋅K) - удельная изобарическая теплоемкость;With p = 1.86 kJ / (kg⋅K) - specific isobaric heat capacity;

ρ1 = 779 кг/м3 - плотность при 20°С;ρ 1 = 779 kg / m 3 - density at 20 ° C;

μ = 1.06⋅10-3 Па⋅с - коэффициент динамической вязкости при 20°С;μ = 1.06⋅10 -3 Pa⋅s - dynamic viscosity coefficient at 20 ° С;

Figure 00000010
Figure 00000010

Qvap = 366 кДж/кг - удельная теплота испарения.Q vap = 366 kJ / kg - specific heat of evaporation.

Характеристики алюминия:Characteristics of aluminum:

ρр = 2700 кг/м3 - плотность;ρ p = 2700 kg / m 3 - density;

Qm = 30.98 кДж/г - теплота сгорания на единицу массы;Q m = 30.98 kJ / g - calorific value per unit mass;

Qv = 83.6 кДж/см3 - теплота сгорания на единицу объема;Q v = 83.6 kJ / cm 3 is the heat of combustion per unit volume;

Примем типичные для ПВРД значения давления в камере сгорания pкам = 0.5 МПа и характерного размера топливного бака L=1 м [4].Let us take the pressure values in the combustion chamber, typical for ramjet engine, p cam = 0.5 MPa and the characteristic size of the fuel tank L = 1 m [4].

Величина Dmax рассчитывается по соотношению (1). Для топливного бака L=1 м и гарантийного времени хранения 1 год максимальный диаметр частиц порошка должен быть не более Dmax≤57 нм. Для гарантийного срока хранения 1 месяц - Dmax≤0.2 мкм.The value of D max is calculated by the relation (1). For a fuel tank L = 1 m and a warranty storage time of 1 year, the maximum particle diameter of the powder should be no more than D max ≤57 nm. For a warranty period of storage of 1 month - D max ≤0.2 microns.

При нормальных условиях (T=20°С, р=0.1 МПа) циклогексан представляет собой жидкость, в которой равномерно перемешивают порошок алюминия с заданным соотношением масс порошка и жидкости (определяемым из термодинамических расчетов). Полученную суспензию заливают в топливный бак ПВРД.Under normal conditions (T = 20 ° C, p = 0.1 MPa), cyclohexane is a liquid in which aluminum powder is uniformly mixed with a given ratio of powder to liquid mass (determined from thermodynamic calculations). The resulting suspension is poured into the ramjet fuel tank.

Перед запуском двигателя суспензию 4 в топливном баке 3 нагружают через мембрану 2 давлением вытеснения рбак путем подачи сжатого газа из баллона 7 через редуктор 8 и электропневмоклапан 9. Редуктор 8 обеспечивает значение давления рбак в соответствии с соотношением (2), например, pбак = 3.5 МПа:Before starting the engine, the suspension 4 in the fuel tank 3 is loaded through the membrane 2 with the displacement pressure p tank by supplying compressed gas from the cylinder 7 through the gearbox 8 and the electro-pneumatic valve 9. The gearbox 8 provides the pressure p tank in accordance with the relation (2), for example, p tank = 3.5 MPa:

0.5 МПа < 3.5 МПа < 4.1 МПа.0.5 MPa <3.5 MPa <4.1 MPa.

Затем суспензию 4 в топливном баке 3 нагревают при этом давлении от внешнего источника тепла 10 (например, электронагревателя) до температуры T в соответствии с соотношением (3).Then the suspension 4 in the fuel tank 3 is heated at this pressure from an external heat source 10 (for example, an electric heater) to a temperature T in accordance with relation (3).

Из р-Т диаграммы для циклогексана [9] определяют значения температуры кипения при заданных pкам и рбак:From the p-T diagram for cyclohexane [9] determine the value of the boiling point for a given p kam and p tank :

Figure 00000011
Figure 00000011

Ткипбак) = Ткип (3.5 МПа) ≈ 260°С.T bale (p tank ) = T bale (3.5 MPa) ≈ 260 ° С.

С учетом (8) значение температуры нагрева суспензии выбирают, например, Т=220°С.In view of (8), the temperature of the suspension heating is chosen, for example, T = 220 ° C.

Двигатель разгоняют внешним твердотопливным ускорителем или самолетом до скорости, большей 0.6 М. Затем открывают клапан 11, и начинается подача нагретой суспензии в камеру сгорания. При входе в камеру сгорания 6 давление в струе суспензии резко уменьшается от pбак = 3.5 МПа до ркам = 0.5 МПа. Сжиженный газ оказывается перегретым для давления pкам = 0.5 МПа на величину ΔT=(220-120)°С=100°С, что приведет к его «взрывообразному» закипанию и испарению.The engine is accelerated by an external solid fuel accelerator or aircraft to a speed greater than 0.6 M. Then, valve 11 is opened, and the flow of the heated suspension into the combustion chamber begins. When entering the combustion chamber 6, the pressure in the suspension stream sharply decreases from p tank = 3.5 MPa to p cam = 0.5 MPa. The liquefied gas turns out to be superheated for a pressure p kam = 0.5 MPa by ΔT = (220-120) ° С = 100 ° С, which will lead to its “explosive” boiling and evaporation.

Количество избыточного тепла, запасенное в перегретом сжиженном газе и расходуемое на его испарение, равно ΔQ=CP⋅ΔT==186.3 кДж/кг. Следовательно, количества избыточного тепла в перегретом сжиженном газе (ΔQ/Qvap)⋅100~50% достаточно для мгновенного испарения поступающего в камеру сгорания сжиженного газа. Поскольку кипение жидкости происходит «взрывообразно» в объеме струи, не испарившаяся часть сжиженного газа будет диспергироваться по объему камеры сгорания и перемешиваться с воздухом. При срабатывании пиротехнического воспламенителя инициируется горение газовоздушной смеси с частицами порошка металла и ее истечение через сопло.The amount of excess heat stored in the superheated liquefied gas and spent on its evaporation is ΔQ = C P ⋅ΔT == 186.3 kJ / kg. Therefore, the amount of excess heat in the superheated liquefied gas (ΔQ / Q vap ) ⋅100 ~ 50% is sufficient for instant evaporation of the liquefied gas entering the combustion chamber. Since the boiling of the liquid occurs “explosively” in the volume of the jet, the non-evaporated part of the liquefied gas will be dispersed throughout the volume of the combustion chamber and mixed with air. When the pyrotechnic igniter is triggered, combustion of the gas-air mixture with metal powder particles and its outflow through the nozzle are initiated.

Приведенный пример доказывает, что при реализации предлагаемого способа организации рабочего процесса в ПВРД достигается положительный эффект, заключающийся в следующем.The given example proves that when implementing the proposed method of organizing the work process in ramjet, a positive effect is achieved, which consists in the following.

1. Способ позволяет повысить энергетические характеристики ПВРД за счет использования порошков металлического горючего с высокими значениями объемной теплоты сгорания в сочетании с высококалорийными углеводородами.1. The method allows to increase the energy characteristics of ramjet by using powders of metallic fuel with high values of volumetric heat of combustion in combination with high-calorie hydrocarbons.

2. Способ позволяет повысить надежность работы ПВРД за счет подачи порошка металлического горючего в виде суспензии в сжиженном горючем газе, что обеспечивает равномерное и надежное распыливание горючих компонентов центробежной или струйной форсункой.2. The method improves the reliability of the ramjet due to the supply of metal fuel powder in the form of a suspension in a liquefied combustible gas, which ensures uniform and reliable atomization of the combustible components by a centrifugal or jet nozzle.

3. Способ позволяет повысить эффективность работы ПВРД за счет подачи суспензии в камеру сгорания в перегретом состоянии, что повышает эффективность ее дробления и перемешивания с воздухом.3. The method improves the efficiency of the ramjet by feeding the suspension into the combustion chamber in an overheated state, which increases the efficiency of its crushing and mixing with air.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Бондарюк М.М., Ильяшенко С.М. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели. - М.: Оборонгиз, 1958. - 392 с.1. Bondaryuk M.M., Ilyashenko S.M. Ramjet engines. - M .: Oborongiz, 1958.- 392 p.

2. Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах: Основы теории и расчета / Под ред. Л.С. Яновского - М: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 343 с.2. Integrated ramjet engines for solid fuels: Fundamentals of theory and calculation / Ed. L.S. Yanovsky - M: IKC "Akademkniga", 2006. - 343 p.

3. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Вролов Ю.В. и др. Горение порошкообразных металлов в активных средах. - М: Наука, 1972. - 294 с.3. Pokhil P.F., Belyaev A.F., Vrolov Yu.V. et al. Combustion of powdered metals in active media. - M: Nauka, 1972.- 294 p.

4. Орлов Б.В., Мазинг Г.Ю., Рейдель А.Л., Степанов М.Н., Топчеев Ю.И. Основы проектирования ракетно-прямоточных двигателей. - М: Машиностроение, 1967. - 424 с.4. Orlov B.V., Masing G.Yu., Reidel A.L., Stepanov M.N., Topcheev Yu.I. Fundamentals of designing ramjet engines. - M: Mechanical Engineering, 1967 .-- 424 p.

5. Патент РФ №2563641, МПК F02K 7/18, В81С 99/00. Гибридный ракетно-прямоточный воздушно-реактивный аэрокосмический двигатель / A.M. Старик, П.С. Кулешов, A.M. Савельев - Опубл. 20.09.2015.5. RF patent No. 2563641, IPC F02K 7/18, B81C 99/00. Hybrid rocket-propelled air-propelled aerospace engine / A.M. Old Man, P.S. Kuleshov, A.M. Saveliev - Publ. 09/20/2015.

6. Патент РФ №2439358, F02K 7/18. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на порошкообразном металлическом горючем / В.И. Малинин, С.М. Виноградов, О.М. Иванов, В.В. Гуреев, А.И. Марченко - Опубл. 10.01.2012 г.6. RF patent No. 2439358, F02K 7/18. Ramjet engine on powder metal fuel / V.I. Malinin, S.M. Vinogradov, O.M. Ivanov, V.V. Gureev, A.I. Marchenko - Publ. 01/10/2012

7. Стенли Г. Фазовые переходы и критические явления. - М.: Мир, 1973. - 425 с.7. Stanley G. Phase transitions and critical phenomena. - M .: Mir, 1973.- 425 p.

8. Архипов В.А., Усанина А.С. Движение частиц дисперсной фазы в несущей среде: учебн. пособие. - Томск: Издательский дом Томского государственного университета, 2014. - 252 с.8. Arkhipov V.A., Usanina A.S. The motion of particles of the dispersed phase in a carrier medium: textbook. allowance. - Tomsk: Publishing House of Tomsk State University, 2014. - 252 p.

9. Дубовкин Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктам сгорания. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 288 с.9. Dubovkin N.F. Handbook of the thermophysical properties of hydrocarbon fuels and their combustion products. - M.-L.: Gosenergoizdat, 1962 .-- 288 p.

Claims (19)

1. Способ организации рабочего процесса в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, включающий подачу порошка металлического горючего в камеру сгорания, его воспламенение и горение в потоке воздуха из воздухозаборника, отличающийся тем, что порошок в виде равномерно перемешанной суспензии в сжиженном горючем газе, размещенной в топливном баке, предварительно нагружают давлением вытеснения, нагревают и подают в камеру сгорания через форсунку, а максимальный диаметр частиц порошка, давление вытеснения и температуру нагрева суспензии определяют из соотношений1. The method of organizing a working process in a ramjet engine, including the supply of metal fuel powder to the combustion chamber, its ignition and combustion in the air stream from the air intake, characterized in that the powder is in the form of a uniformly mixed suspension in a liquefied combustible gas placed in the fuel tank, pre-loaded with displacement pressure, heated and fed into the combustion chamber through the nozzle, and the maximum diameter of the powder particles, displacement pressure and heating temperature of the suspension limit from the relations
Figure 00000012
Figure 00000012
pкам<pбак<pкр,p cam <p tank <p cr Tкип(pкам)<T<Tкип(pбак),T bales (p cam ) <T <T bales (p tank ), где Dmax - максимальный диаметр частиц порошка, мкм;where D max - the maximum diameter of the powder particles, microns; μ - коэффициент динамической вязкости сжиженного газа, Па⋅с;μ is the dynamic viscosity coefficient of liquefied gas, Pa⋅s; L - характерный размер топливного бака, м;L is the characteristic size of the fuel tank, m; ρp - плотность металла порошка, кг/м3;ρ p is the density of the metal powder, kg / m 3 ; ρ1 - плотность сжиженного газа, кг/м3;ρ 1 - density of liquefied gas, kg / m 3 ; g - ускорение свободного падения, м/с2;g is the acceleration of gravity, m / s 2 ; t - время гарантированного сохранения равномерного распределения частиц порошка в суспензии, год;t is the time guaranteed to maintain a uniform distribution of powder particles in suspension, year; pкам - давление в камере сгорания, Па;p cam - pressure in the combustion chamber, Pa; pбак - давление вытеснения суспензии, Па;p tank is the pressure of the displacement of the suspension, Pa; pкр - критическое давление насыщенного пара для горючего газа, Па;p cr - critical pressure of saturated steam for combustible gas, Pa; Tкип(pкам) - температура кипения сжиженного горючего газа при давлении, равном давлению в камере сгорания, °C;T bales (p Kam ) is the boiling point of the liquefied combustible gas at a pressure equal to the pressure in the combustion chamber, ° C; T - температура нагрева суспензии, °C;T is the suspension heating temperature, ° C; Tкип(pбак) - температура кипения сжиженного горючего газа при давлении, равном давлению вытеснения суспензии, °C.T bale (p tank ) is the boiling point of the liquefied combustible gas at a pressure equal to the pressure of the displacement of the suspension, ° C. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического горючего используют порошки алюминия, бора, бериллия, магния, циркония или лития.2. The method according to p. 1, characterized in that as a metal fuel use powders of aluminum, boron, beryllium, magnesium, zirconium or lithium. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сжиженного горючего газа используют углеводороды CnH2n, CnH2n+2, CnH2n-2.3. The method according to p. 1, characterized in that the hydrocarbons C n H 2n , C n H 2n + 2 , C n H 2n-2 are used as liquefied combustible gas.
RU2016142937A 2016-10-31 2016-10-31 Method of working process organizing in direct-flow air jet engine RU2633730C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142937A RU2633730C1 (en) 2016-10-31 2016-10-31 Method of working process organizing in direct-flow air jet engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142937A RU2633730C1 (en) 2016-10-31 2016-10-31 Method of working process organizing in direct-flow air jet engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2633730C1 true RU2633730C1 (en) 2017-10-17

Family

ID=60129356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016142937A RU2633730C1 (en) 2016-10-31 2016-10-31 Method of working process organizing in direct-flow air jet engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2633730C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767583C1 (en) * 2021-04-02 2022-03-17 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Method for feeding a nanodispersed component of a fuel composition into the combustion chamber of a ramjet engine

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2043647A1 (en) * 1969-05-24 1971-02-19 Messerschmitt Boelkow Blohm
DE3644020A1 (en) * 1985-12-30 1987-07-02 Fleckenstein Inc L W GAS COMPRESSOR FOR JET ENGINES
RU102220U1 (en) * 2010-11-01 2011-02-20 Вадим Витальевич Креховецкий ROAD DESIGN
RU2439358C2 (en) * 2009-11-05 2012-01-10 Открытое акционерное общество "Корпорация "Тактическое ракетное вооружение" Air ramjet engine operating on powder metal fluid
RU2529035C1 (en) * 2013-03-25 2014-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel
RU2563641C2 (en) * 2014-01-17 2015-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Hybrid aerospace rocket ramjet

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2043647A1 (en) * 1969-05-24 1971-02-19 Messerschmitt Boelkow Blohm
DE3644020A1 (en) * 1985-12-30 1987-07-02 Fleckenstein Inc L W GAS COMPRESSOR FOR JET ENGINES
RU2439358C2 (en) * 2009-11-05 2012-01-10 Открытое акционерное общество "Корпорация "Тактическое ракетное вооружение" Air ramjet engine operating on powder metal fluid
RU102220U1 (en) * 2010-11-01 2011-02-20 Вадим Витальевич Креховецкий ROAD DESIGN
RU2529035C1 (en) * 2013-03-25 2014-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel
RU2563641C2 (en) * 2014-01-17 2015-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Hybrid aerospace rocket ramjet

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767583C1 (en) * 2021-04-02 2022-03-17 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Method for feeding a nanodispersed component of a fuel composition into the combustion chamber of a ramjet engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1951380B1 (en) Fuel injector
Ciezki et al. Status of gel propulsion in the year 2010 with a special view on the German activities
US20090266049A1 (en) Methods and systems for propelling a vehicle
US11408376B2 (en) Thrust augmentation of an additively manufactured hybrid rocket system using secondary oxidizer injection
Tian et al. Numerical and experimental investigation on the effects of aft mixing chamber diaphragm in hybrid rocket motor
US3122429A (en) Jet or rocket fuel
RU2633730C1 (en) Method of working process organizing in direct-flow air jet engine
Yang et al. Thermodynamic cycle analysis of ramjet engines using magnesium-based fuel
Komornik et al. Study of a hybrid gas generator for a ducted rocket
Tucker et al. Hydrocarbon fuel flash vaporization for pulsed detonation combustion
Natan et al. Advances in gel propulsion
Murugesan et al. Experimental investigation on aluminum-based water ramjet for propelling high-speed underwater vehicles
Hu et al. Experiment of water injecton for a metal/water reaction fuel ramjet
US3158992A (en) Propulsion process using phosphorus and metallic fuel
Gafni et al. Experimental investigation of an aluminized gel fuel ramjet combustor
RU2701249C1 (en) Method of dispersing flame retardant nanoparticles of boron
Salgansky et al. Thermodynamic Estimate of the Optimal Ratio of the Solid Propellant and Fuel in the Gas Generator of a High-Velocity Flying Vehicle
RU2767583C1 (en) Method for feeding a nanodispersed component of a fuel composition into the combustion chamber of a ramjet engine
Gany Accomplishments and challenges in solid fuel ramjets and scramjets
Assovskiy et al. Energetic water compositions as rocket propellants
Huang et al. Numerical and experimental investigation of a Mg/N2O powdered fuel rocket engine
US3147091A (en) Jet or rocket fuel
Mandal et al. A short review of challenges and prospects of boron-laden solid fuels for ramjet applications
US3004841A (en) Jet or rocket fuel
Jiang et al. Numerical Analysis on Nozzle Erosion in Hybrid Rocket Motors with Different Injection Parameters