НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.453/.457

МГТУ им. Н.Э. Баумана

voron@mx.bmstu.ru

korolev100-rd@mail.ru

arefyev@rambler.ru

Разработка неэлектрических систем многоразового воспламенения является одной из ключевых задач повышения надежности запуска генераторов высокоэнтальпийных потоков устройств авиационно-космической техники. Использование для этих целей эффекта существенного повышения температуры рабочего тела в неконсервативной акустической системе является основным предметом настоящей работы.

Применение газодинамической системы воспламенения позволяет реализовать прогрессивную технологию «автозапуска», при которой конструктивные элементы зажигания подвергаются кратковременным тепловым нагрузкам исключительно в процессе запуска или повторного воспламенения в случае срыва пламени. При стационарном режиме функционирования генератора высокоэнтальпийных потоков, газодинамическая система воспламенения (ГСВ) не испытывает критических теплопрочностных воздействий. Предлагаемая система воспламенения улучшает технологичность операций и позволяет повысить надежность запуска генераторов высокоэнтальпийных потоков.

Возможной областью применения газодинамической системы воспламенения являются тепловые двигатели авиационной и космической техники, технологические системы высотных стендов, имитирующие высокоскоростные условия полета летательного аппарата, энергоустановки различного назначения.

В задачи работы входит исследование возможности применения газодинамической системы воспламенения для запуска генератора высокоэнтальпийных потоков, а также разработка модельного экспериментального образца для проведения автономных испытаний.

Принципиальная схема ГСВ представлена на рис.1 и состоит из вспомогательного сверхзвукового сопла 1, резонатора 2, форсуночной головки 3, камеры сгорания (КС) ГСВ 4, генератора высокоэнтальпийных струй 5 и форсуночной головки 6. Для управления работой двигателя используются электромагнитные клапаны окислителя 7 (ЭК1) и горючего 8 (ЭК2), 9 (ЭК3).

Рис. 1. Принципиальная схема применения ГСВ в составе генератора высокоэнтальпийных потоков

Газодинамическое воспламенение основано на подаче через вспомогательное сопло подготовленной смеси при значениях коэффициента избытка окислителя (α_г=2...4) для реализации температуры продуктов сгорания в области резонатора в диапазоне 1800...2200 К, что необходимо для надежного воспламенения топливной смеси в КС ГСВ при допустимом тепловом состоянии конструкции системы зажигания. Рабочий режим в КС ГСВ при оптимальном соотношении компонентов обеспечивается подачей дополнительного горючего через форсуночную головку. Истекающие из сопла продукты сгорания позволяют произвести инициацию рабочего процесса в генераторе высокоэнтальпийных струй, что приводит к запуску стенда. После запуска подача горючего через вспомогательное сопло может быть прекращена. При таком способе запуска давление в КС непосредственно после воспламенения возрастает, в результате чего газодинамические пульсации и нагрев прекращаются, что предохраняет стенки резонатора от прогара.

Принцип действия рассматриваемой ГСВ заключается в том, что при надлежащем профилировании газодинамического тракта, истекающая из сопла 1 топливная смесь может быть нагрета в резонаторе 2 до температуры воспламенения. В результате возникающего циклического процесса высокотемпературные продукты сгорания попадают в камеру сгорания и двигатель начинает работать.

Рассмотрим более подробно процессы, происходящие в резонаторе. Схематично газодинамический тракт ГСВ представлен на рис. 2. Температура нагрева газа в застойной зоне А резонатора 1 зависит от целого ряда факторов: от скорости истечения струи из сопла 2, расстояния между срезом сопла и входом в резонатор L, длины резонатора S, угла раскрытия сопла γ, угла сужения конфузора β и др.

Рис. 2. Схема ГСВ

Моделирование процесса локального прогрева рабочего тела в резонаторе проводилось путем интегрирования полной осредненной по Рейнольдсу для турбулентных течений системы уравнений Навье-Стокса для идеального вязкого газа с использованием модели турбулентности k‑ε [1, 2]. Решение искалось в двухмерной нестационарной постановке для упрощенной геометрии газодинамического тракта камеры сгорания двигателя.

Интегрирование системы уравнений проводилось с использованием метода конечных объемов в нестационарной постановке с шагом по времени 25 нс. В качестве граничных условий задавались параметры газа на входе в сопло ГСВ. Для выполнения вычислений использовался пакет газодинамического моделирования Fluent.

Наиболее важным показателем ГСВ является осредненная по времени температура T_р в застойной зоне резонатора [3] (в области точки А, рис. 3). Расчеты продемонстрировали достаточно сильную зависимость T_р от размеров S и L. Для дальнейшего анализа использовались безразмерные параметры L/D₁ и S/D₁.

Рис. 3. Зависимость относительной температуры при различной длине резонатора:  1 ‑ S/D₁=10; 2 - S/D₁=13; 3 - S/D₁=16

Разработан и изготовлен опытный образец ГСВ (рис.4) для исследования влияния режимных и геометрических параметров на процесс запуска генератора высокоэнтальпийных потоков. Опытный образец ГСВ состоит из сверхзвукового сопла 1, резонатора 2, корпуса 3 и предназначен для испытаний в атмосферных условиях.

Рис. 4. Модельный вариант ГСВ

Заключение. В работе представлен вариант использования ГСВ для инициации рабочего процесса в генераторе высокоэнтальпийных потоков. Рассматриваемый метод воспламенения может быть применен при проведении высотных испытаний высокоскоростных летательных аппаратов.

Проведена расчетная оптимизация геометрических и режимных параметров ГСВ, основанная на численном моделировании нестационарных газодинамических процессов с помощью пакета Fluent.

Представлен модельный вариант ГСВ для дальнейших автономных экспериментальных исследований.

Литература

1.  User’s manual on website ‘Software products and services from ANSYS and Fluent’: www.fluent.com

2.  J. K. Eaton and J. P. Johnston. A Review of Research on Subsonic Turbulent Flow Reattachment, AIAA, 1980, Paper AIAA-80-1438.

3.  А.Н. Антонов, В.М. Купцов, В.В. Комаров. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях – М.: Машиностроение, 1990. – 272 с. – ISBN 5-217-00822-9.