RU2485402C1 - Gas dynamic igniter - Google Patents
Gas dynamic igniter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2485402C1 RU2485402C1 RU2011147930/06A RU2011147930A RU2485402C1 RU 2485402 C1 RU2485402 C1 RU 2485402C1 RU 2011147930/06 A RU2011147930/06 A RU 2011147930/06A RU 2011147930 A RU2011147930 A RU 2011147930A RU 2485402 C1 RU2485402 C1 RU 2485402C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- cavity
- emitter
- gas
- piston
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к акустической теплотехнике и может быть использовано в авиационных и ракетных двигателях, стендовых газоструйных устройствах и при стендовых испытаниях двигателей для создания вспомогательного факела и воспламенения в потоке газообразных несамовоспламеняющихся топливных смесей, состоящих из окислителя и горючего. Кроме того, воспламенитель может найти применение в устройствах аналогичных ЖРД малых тяг многоразового использования и для резки материалов или напыления покрытий.The invention relates to acoustic heat engineering and can be used in aircraft and rocket engines, bench gas-jet devices and bench tests of engines to create an auxiliary torch and ignite in a stream of gaseous non-self-igniting fuel mixtures consisting of an oxidizer and fuel. In addition, the igniter can find application in devices similar to small liquid propellant rocket engines of multiple use and for cutting materials or spraying coatings.
Основной проблемой, возникающей при создании систем многоразового воспламенения для различных энергетических установок, авиационных и ракетных двигателей, работающих на несамовоспламеняющихся газообразных компонентах, является обеспечение быстродействия и высокой надежности их работы.The main problem that arises when creating reusable ignition systems for various power plants, aircraft and rocket engines operating on non-combustible gaseous components is the speed and high reliability of their operation.
Широко распространенные в настоящее время электрические воспламенители искрового типа, например свечи зажигания, в ряде случаев оказываются ненадежным из-за отказов и, кроме того, требуют внешнего источника электроэнергии.Spark type electric igniters, such as spark plugs, which are widespread at present, are in some cases unreliable due to failures and, in addition, require an external source of electricity.
Поэтому в воспламенителях топливных смесей нашли применение устройства, в которых используется эффект газодинамического нагрева при пульсациях давления в газе, заключенном в различных полузакрытых полостях или каналах.Therefore, in ignitors of fuel mixtures, devices have been used that use the effect of gas-dynamic heating with pressure pulsations in a gas enclosed in various half-closed cavities or channels.
Известен газодинамический способ нагрева газа, который реализован в устройстве для воспламенения двухфазной топливной смеси, например, керосин + воздух, спирт + воздух (А.Н.Антонов, В.М.Купцов, В.В.Комаров. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. М.: «Машиностроение» 1990, стр.223-225). Устройство воспламенения содержит соединительную камеру, в которой на некотором расстоянии друг от друга жестко закреплены сопло и резонатор. В камере выполнены выпускные отверстия, через которые отводится газ, поступающий из сопла. В этом устройстве нагрев газа осуществляется за счет диссипации энергии ударных волн в газе в пристеночных областях канала резонатора. Генерация ударных волн в газе, заполняющем полость резонатора, вызывается нестационарной волновой структурой потока, состоящей из системы скачков уплотнения и волн разрежения, образующихся при натекании нерасчетной сверхзвуковой струи, истекающей из сопла во входное отверстие полости резонатора. Воспламенение топливной смеси осуществляется от разогреваемого заглушенного конца канала резонатора, соприкасающегося с топливом. Недостатком этого устройства является то, что воспламенение топливной смеси происходит от ее соприкосновения с разогреваемым заглушенным концом резонатора, что из-за наличия отвода тепла в стенки канала требует более длительного времени нагрева и приводит к увеличению времени задержки и ухудшению надежности воспламенения. Кроме того, недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования геометрических размеров резонатора, а также расстояния между излучателем и резонатором, определяющих интенсивность газодинамического нагрева топливных смесей до температур их воспламенения.There is a known gas-dynamic method of heating gas, which is implemented in a device for igniting a two-phase fuel mixture, for example, kerosene + air, alcohol + air (A.N. Antonov, V.M. Kuptsov, V.V. Komarov. Pressure pulsations during jet and separated currents. M.: "Mechanical Engineering" 1990, p. 223-225). The ignition device comprises a connecting chamber in which a nozzle and a resonator are rigidly fixed at a certain distance from each other. In the chamber there are exhaust openings through which the gas coming from the nozzle is discharged. In this device, the gas is heated by dissipation of the energy of the shock waves in the gas in the wall regions of the resonator channel. The generation of shock waves in a gas filling the cavity of the resonator is caused by the non-stationary wave structure of the flow, which consists of a system of shock waves and rarefaction waves generated by the flow of an off-design supersonic jet flowing from the nozzle into the inlet of the cavity of the resonator. The ignition of the fuel mixture is carried out from the warmed-up muffled end of the resonator channel in contact with the fuel. The disadvantage of this device is that the ignition of the fuel mixture comes from its contact with the warmed-up muffled end of the resonator, which, due to the presence of heat removal to the channel walls, requires a longer heating time and leads to an increase in the delay time and a decrease in the reliability of ignition. In addition, the disadvantage of this device is the inability to control the geometric dimensions of the resonator, as well as the distance between the emitter and the resonator, which determine the intensity of gas-dynamic heating of fuel mixtures to their ignition temperatures.
Известен газодинамический способ нагрева газа (Авт. свидет. СССР №354235) ударными волнами в глухом канале, выходящем скошенным открытым концом на боковую или лобовую поверхность тела, обтекаемую внешним потоком. Возбуждение ударных волн в газе, заполняющем полость канала, вызывается зоной отрыва, образующейся при обтекании внешним потоком скошенного открытого конца канала. При этом амплитуда пульсаций и, следовательно, величина газодинамического нагрева в полостях со скошенным входом существенно зависят от углов скоса канала и атаки набегающего потока. Недостатком этого способа является низкая надежность воспламенения топливной смеси, так как отсутствует возможность управления температурой нагрева газа в полости при изменении параметров внешнего потока.There is a known gas-dynamic method of heating gas (Auth. Witness USSR No. 354235) by shock waves in a blind channel extending with a beveled open end to the side or frontal surface of the body streamlined by an external stream. The excitation of shock waves in the gas filling the cavity of the channel is caused by the separation zone formed when the oblique open end of the channel flows around the external stream. In this case, the amplitude of the pulsations and, consequently, the magnitude of gas-dynamic heating in cavities with a beveled entrance substantially depend on the angles of the bevel of the channel and the attack of the incoming flow. The disadvantage of this method is the low reliability of ignition of the fuel mixture, since it is not possible to control the temperature of heating the gas in the cavity when changing the parameters of the external flow.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является устройство газодинамического воспламенения (патент RU №2319076 C2, F23Q 13/00, 13.05.2005). Газодинамический воспламенитель содержит полый корпус, стержневой газоструйный излучатель с осесимметричным кольцевым соплом, резонатор с цилиндрической полостью, соединительную камеру с выходным отверстием и систему подвода окислителя и горючего. В излучателе стержень размещен по оси сопла и закреплен на одной из стенок корпуса. Резонатор расположен соосно с поперечным зазором напротив выхода сопла излучателя.The closest analogue to the same purpose as the claimed technical solution is a gas-dynamic ignition device (patent RU No. 2319076 C2,
Изобретение обеспечивает объемный нагрев газа в заданной зоне и воспламенение несамовоспламеняющихся газообразных топлив в различных устройствах для сжигания, включая тепловые двигатели.The invention provides volumetric heating of gas in a given zone and ignition of non-combustible gaseous fuels in various combustion devices, including heat engines.
Недостатком этого устройства является возрастание времени задержки воспламенения вследствие использования предварительного нагрева горючего. Другим недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования геометрических размеров концентратора, излучателя Гартмана, резонансной трубки, а также расстояния между ними. В такой конструкции при изменении режимных параметров струи, истекающей из сопла излучателя Гартмана, может снижаться генерируемая акустическая мощность, это приведет к уменьшению амплитуды акустических колебаний в резонансной трубке и, следовательно, интенсивности газодинамического нагрева топливной смеси, что ведет к возрастанию времени задержки воспламенения.The disadvantage of this device is the increase in the ignition delay time due to the use of fuel preheating. Another disadvantage of this device is the inability to adjust the geometric dimensions of the concentrator, Hartmann emitter, resonant tube, as well as the distance between them. In this design, when the operating parameters of the jet flowing from the nozzle of the Hartmann emitter change, the generated acoustic power can decrease, this will lead to a decrease in the amplitude of acoustic vibrations in the resonance tube and, consequently, in the intensity of gas-dynamic heating of the fuel mixture, which leads to an increase in the ignition delay time.
В основу предлагаемого изобретения для газодинамического воспламенения топливных смесей положено решение следующих задач:The basis of the invention for gas-dynamic ignition of fuel mixtures is the solution of the following problems:
- увеличение генерируемой в газодинамическом воспламенителе акустической энергии;- increase in acoustic energy generated in a gas dynamic igniter;
- расширение диапазона частот и амплитуд колебаний столба газообразной топливной смеси в полости резонатора;- expanding the range of frequencies and amplitudes of oscillations of the column of the gaseous fuel mixture in the cavity of the resonator;
- сокращение времени задержки воспламенения топливной смеси;- reduction of the ignition delay time of the fuel mixture;
- повышение надежности воспламенения топливной смеси;- improving the reliability of ignition of the fuel mixture;
- расширение номенклатуры газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом.- expansion of the range of gaseous components ignited by a gas-dynamic method.
Поставленные задачи решаются тем, что газодинамический воспламенитель содержит полый корпус, стержневой газоструйный излучатель с осесимметричным кольцевым соплом, резонатор с цилиндрической полостью, соединительную камеру с выходным отверстием и систему подвода топлива в воспламенитель. В излучателе стержень размещен по оси сопла и закреплен на одной из стенок корпуса. Резонатор установлен на стержне. Причем вход цилиндрической полости резонатора расположен с поперечным зазором соосно напротив выхода сопла излучателя. Полость корпуса осуществлена в виде соединительной камеры излучателя и резонатора.The tasks are solved in that the gas-dynamic igniter contains a hollow body, a rod gas-jet emitter with an axisymmetric annular nozzle, a resonator with a cylindrical cavity, a connecting chamber with an outlet and a fuel supply system to the igniter. In the emitter, the rod is placed along the axis of the nozzle and is mounted on one of the walls of the housing. The resonator is mounted on the rod. Moreover, the input of the cylindrical cavity of the resonator is located with a transverse gap coaxially opposite the output of the radiator nozzle. The body cavity is made in the form of a connecting chamber of the emitter and resonator.
Согласно изобретению излучатель и резонатор выполнены в форме трубчатых цилиндрических элементов с глухими днищами с одного конца и открытыми с другого конца. Причем излучатель жестко закреплен в корпусе через трубчатый элемент, а внутри элемента снабжен поперечной кольцевой стенкой. Открытый конец излучателя выполнен в виде сверхзвукового сопла. Резонатор установлен в корпусе с кольцевым уплотнением подвижно через трубчатый элемент. Кроме того, трубчатый элемент резонатора жестко закреплен по оси глухим днищем на одном конце стержня излучателя. При этом стержень подвижно расположен в поперечной кольцевой стенке с кольцевым уплотнением трубчатого элемента излучателя. Наружная поверхность стержня и внутренняя поверхность полости резонатора выполнены ступенчатыми. На меньшем диаметре стержня внутри наибольшего диаметра полости резонатора установлен свободно кольцевой поршень с уплотнениями и образованием полости переменного объема между поршнем и глухим днищем резонатора и полости переменного объема резонатора. За поперечной кольцевой стенкой излучателя стержень снабжен поршнем с кольцевым уплотнением по наружному диаметру. Поршень установлен с образованием одной полости переменного объема между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поршнем и другой полости переменного объема между поршнем и днищем излучателя с размещенной между днищем и поршнем пружиной сжатия. Система подвода топлива в воспламенитель содержит коллекторы подачи окислителя и горючего с регулирующими клапанами на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой и кольцевым соплом излучателя. Излучатель содержит коллектор подачи первого управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поджатым пружиной поршнем. Резонатор содержит коллектор подачи второго управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между свободным поршнем и днищем трубчатого элемента резонатора. Выходное отверстие соединительной камеры расположено напротив поперечного зазора между выходом сопла излучателя и входом цилиндрической полости резонатора.According to the invention, the emitter and resonator are made in the form of tubular cylindrical elements with blind bottoms at one end and open at the other end. Moreover, the emitter is rigidly fixed in the housing through a tubular element, and inside the element is equipped with a transverse annular wall. The open end of the emitter is made in the form of a supersonic nozzle. The resonator is mounted in a housing with an annular seal movably through a tubular element. In addition, the tubular element of the resonator is rigidly axially fixed with a blind bottom at one end of the emitter rod. In this case, the rod is movably located in the transverse annular wall with an annular seal of the tubular element of the emitter. The outer surface of the rod and the inner surface of the cavity of the resonator are made stepwise. A ring piston with seals and the formation of a cavity of variable volume between the piston and the blind bottom of the cavity and the cavity of a variable volume of the resonator is freely mounted on the smaller diameter of the rod inside the largest diameter of the cavity of the resonator. Behind the transverse annular wall of the emitter, the rod is equipped with a piston with an annular seal along the outer diameter. The piston is installed with the formation of one cavity of variable volume between the inner annular wall of the emitter and the piston and another cavity of variable volume between the piston and the bottom of the emitter with a compression spring placed between the bottom and the piston. The fuel supply system to the igniter contains oxidizer and fuel supply manifolds with control valves at the entrance to the cavity between the inner annular wall and the annular nozzle of the emitter. The emitter contains a manifold for supplying the first control gas with a control valve at the entrance to the cavity between the inner annular wall of the emitter and the piston pressed by the spring. The resonator comprises a second control gas supply manifold with a control valve at the entrance to the cavity between the free piston and the bottom of the tubular element of the resonator. The outlet of the connecting chamber is located opposite the transverse gap between the outlet of the nozzle of the emitter and the inlet of the cylindrical cavity of the resonator.
В таком газодинамическом воспламенителе:In such a gas dynamic igniter:
- выполнение излучателя и резонатора в форме трубчатых цилиндрических элементов с глухими днищами с одного конца и открытыми с другого конца обеспечивает истечение из сопла излучателя в соединительную камеру газообразной топливной смеси в виде недорасширенной сверхзвуковой струи, генерирующей периодическое движение ударных волн в полости резонатора, которое приводит к нагреву до температуры воспламенения выбранной пары компонентов топлива при сокращении времени задержки воспламенения топливной смеси;- the implementation of the emitter and the resonator in the form of tubular cylindrical elements with blind bottoms at one end and open at the other end ensures the outflow of the gaseous fuel mixture from the emitter nozzle into the connecting chamber in the form of an underexpanded supersonic jet generating periodic movement of shock waves in the cavity of the resonator, which leads to heating to the ignition temperature of the selected pair of fuel components while reducing the ignition delay time of the fuel mixture;
- закрепление излучателя жестко в корпусе через трубчатый элемент и снабжение элемента внутри поперечной кольцевой стенкой обеспечивает возможность перемещения стержня и жестко связанного с ним подвижного трубчатого элемента резонатора, что позволяет регулировать зазор между выходом сопла излучателя и входной кромкой цилиндрической полости подвижного трубчатого элемента резонатора. Это приводит к повышению генерируемой в газодинамическом воспламенителе акустической энергии, увеличению нагрева и сокращению времени задержки воспламенения топливной смеси;- fixing the emitter rigidly in the housing through the tubular element and supplying the element inside the transverse annular wall makes it possible to move the rod and the movable tubular resonator element rigidly connected to it, which allows you to adjust the gap between the output of the emitter nozzle and the input edge of the cylindrical cavity of the movable tubular resonator element. This leads to an increase in the acoustic energy generated in the gas-dynamic igniter, an increase in heating and a reduction in the ignition delay time of the fuel mixture;
- выполнение открытого конца излучателя в виде сверхзвукового сопла обеспечивает возможность формирования нестационарной волновой структуры сверхзвуковой струи, истекающей из сопла излучателя, что позволяет увеличить диапазон частот и амплитуд колебаний столба газообразной топливной смеси в полости резонатора и генерацию акустической энергии в газодинамическом воспламенителе;- the implementation of the open end of the emitter in the form of a supersonic nozzle provides the possibility of forming an unsteady wave structure of a supersonic jet flowing out of the nozzle of the emitter, which allows to increase the frequency range and amplitude of oscillations of a column of a gaseous fuel mixture in the cavity of the cavity and the generation of acoustic energy in a gas-dynamic igniter;
- установка резонатора в корпусе с кольцевым уплотнением подвижно посредством трубчатого элемента, где трубчатый элемент резонатора жестко закреплен по оси глухим днищем с одним концом стержня излучателя, при этом стержень подвижно расположен в поперечной кольцевой стенке с кольцевым уплотнением трубчатого элемента излучателя, позволяет регулировать зазор между выходом сопла и входной кромкой цилиндрической полости подвижного трубчатого элемента резонатора, приводит к увеличению генерируемой в воспламенителе акустической энергии, увеличению нагрева и повышению надежности воспламенения топливной смеси;- installing the resonator in a housing with an annular seal movably by means of a tubular element, where the tubular element of the resonator is rigidly axially fixed with a blind bottom with one end of the emitter rod, while the rod is movably located in a transverse annular wall with an annular seal of the tubular element of the emitter, allows you to adjust the gap between the output nozzle and the input edge of the cylindrical cavity of the movable tubular element of the resonator, leads to an increase in the acoustic energy generated in the igniter, increase heating and increase the reliability of ignition of the fuel mixture;
- выполнение наружной поверхности стержня и внутренней поверхности трубчатого элемента резонатора ступенчатыми, где на меньшем диаметре стержня внутри наибольшего диаметра полости резонатора установлен свободно кольцевой поршень с уплотнениями и образованием полости переменного объема между поршнем и глухим днищем трубчатого элемента резонатора и полости переменного объема резонатора, позволяет уменьшить практически до нуля глубину полости трубчатого элемента резонатора после воспламенения топливной смеси и началом продувки окислителем. Это приводит к прекращению генерации в этой полости колебаний газового столба топливной смеси и уменьшению нагрева конструкции газодинамического воспламенителя, повышению надежности последующего воспламенения топливной смеси;- the execution of the outer surface of the rod and the inner surface of the tubular element of the resonator is stepped, where a freely annular piston with seals and the formation of a cavity of variable volume between the piston and the blank bottom of the tubular element of the resonator and the cavity of a variable volume of the resonator is installed on a smaller diameter of the rod inside the largest diameter of the cavity of the cavity, allows to reduce almost to zero, the depth of the cavity of the tubular element of the resonator after ignition of the fuel mixture and the start of purging the oki a spreader. This leads to a cessation of the generation of oscillations of the gas column of the fuel mixture in this cavity and a decrease in the heating of the gas-dynamic igniter structure, an increase in the reliability of the subsequent ignition of the fuel mixture;
- снабжение стержня поршнем с кольцевым уплотнением по наружному диаметру, где поршень установлен с образованием одной полости переменного объема между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поршнем и другой полости переменного объема между поршнем и днищем излучателя с размещенной между днищем и поршнем пружиной сжатия, позволяет устранить перетекание газов между разделяемыми поршнем полостями, что расширяет номенклатуру газообразных компонентов, используемых в воспламенителе;- supplying the rod with a piston with an O-ring in outer diameter, where the piston is mounted with the formation of one cavity of variable volume between the inner annular wall of the emitter and the piston and another cavity of variable volume between the piston and the bottom of the radiator with a compression spring located between the bottom and the piston, eliminates the flow of gases between the cavities shared by the piston, which expands the range of gaseous components used in the ignitor;
- наличие в системе подвода топлива в воспламенитель коллекторов подачи окислителя и горючего с регулирующими клапанами на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой и кольцевым соплом излучателя гарантирует подготовку топливной смеси с различными заданными режимными параметрами, обеспечивающими возможность формирования в соединительной камере между выходом сопла излучателя и расположенным с поперечным зазором напротив входа цилиндрической полости резонатором течения газа в виде нерасчетной недорасширенной сверхзвуковой струи для расширенной номенклатуры газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом;- the presence in the fuel supply system of the ignitor of the oxidizer and fuel supply manifolds with control valves at the inlet of the cavity between the inner annular wall and the annular nozzle of the emitter ensures the preparation of the fuel mixture with various specified operating parameters, which allows the formation of a radiator in the connecting chamber between the outlet of the nozzle and the with a transverse gap opposite the inlet of the cylindrical cavity by the resonator of the gas flow in the form of an off-design underexpanded supersonic a jet for an extended range of gaseous components, combustible gas-dynamic method;
- наличие в излучателе коллектора подачи первого управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между внутренней кольцевой стенкой излучателя и поджатым пружиной поршнем позволяет регулировать величину поперечного зазора между выходом сопла излучателя и входом цилиндрической полости резонатора для обеспечения максимальной генерации акустической энергии в газодинамическом воспламенителе;- the presence in the emitter of the collector of the supply of the first control gas with a control valve at the entrance to the cavity between the inner annular wall of the emitter and the spring pressed by the piston allows you to adjust the transverse clearance between the output of the emitter nozzle and the inlet of the cylindrical cavity of the resonator to ensure maximum generation of acoustic energy in the gas-dynamic igniter;
- наличие в резонаторе коллектора подачи второго управляющего газа с регулирующим клапаном на входе в полость между свободным поршнем и днищем трубчатого элемента резонатора позволяет уменьшить практически до нуля глубину полости резонатора после воспламенения топливной смеси и началом продувки окислителем полости соединительной камеры, что приводит к прекращению генерации в этой полости колебаний столба газовой смеси. Это повышает надежность последующего воспламенения топливной смеси;- the presence in the resonator of the supply manifold of the second control gas with a control valve at the entrance to the cavity between the free piston and the bottom of the tubular element of the resonator allows the cavity depth to be reduced to almost zero after ignition of the fuel mixture and the start of purging by the oxidizer of the cavity of the connecting chamber, which leads to the cessation of generation in this cavity oscillations of the column of the gas mixture. This increases the reliability of the subsequent ignition of the fuel mixture;
- расположение выходного отверстия соединительной камеры напротив поперечного зазора между выходом сопла излучателя и входом цилиндрической полости резонатора обеспечивает наилучшие условия проникновения факела в проточный тракт основной топливной смеси, что обеспечивает сокращение времени задержки и повышает надежность воспламенения топливной смеси.- the location of the outlet of the connecting chamber opposite the transverse gap between the output of the emitter nozzle and the inlet of the cylindrical cavity of the resonator provides the best conditions for the flame to penetrate into the flow path of the main fuel mixture, which reduces the delay time and increases the reliability of ignition of the fuel mixture.
Существенные признаки изобретения могут иметь дополнение. Выходное отверстие может сообщать соединительную камеру воспламенителя, например, с проточным трактом основной топливной смеси.The essential features of the invention may be supplemented. The outlet may communicate with the igniter connecting chamber, for example, to the flow path of the main fuel mixture.
Такое техническое решение обеспечивает надежное зажигание основной топливной смеси в проточном тракте от факела воспламенителя.This technical solution provides reliable ignition of the main fuel mixture in the flow path from the igniter flame.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:Thus, the objectives of the invention are solved:
- увеличена генерируемая в газодинамическом воспламенителе акустическая энергия;- increased acoustic energy generated in a gas-dynamic igniter;
- расширен диапазона частот и возросли амплитуды колебаний столба газообразной топливной смеси в полости резонатора;- expanded the frequency range and increased the amplitude of the oscillations of the column of the gaseous fuel mixture in the cavity of the resonator;
- сокращено время задержки воспламенения топливной смеси;- reduced ignition delay time of the fuel mixture;
- повышена надежность воспламенения топливной смеси;- increased reliability of ignition of the fuel mixture;
- расширена номенклатура газообразных компонентов, воспламеняемых газодинамическим способом.- expanded the range of gaseous components ignited by a gas-dynamic method.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием газодинамического воспламенителя и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-2, где:The present invention is illustrated by the following detailed description of a gas-dynamic igniter and its operation with reference to the illustrations presented in figures 1-2, where:
на фиг.1 изображен продольный разрез газодинамического воспламенителя;figure 1 shows a longitudinal section of a gas-dynamic igniter;
на фиг.2 - зависимость отношения температуры в полости резонатора к температуре в камере излучателя от отношения величины зазора между выходом сопла излучателя и входом в цилиндрическую полость резонатора к диаметру критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем, при различных значениях отношения глубины полости резонатора к диаметру критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем (относительное значение глубины полости).figure 2 - dependence of the ratio of the temperature in the cavity of the resonator to the temperature in the chamber of the emitter on the ratio of the gap between the output of the nozzle of the emitter and the entrance to the cylindrical cavity of the resonator to the diameter of the critical section of the supersonic nozzle of the emitter, cluttered in the section with a rod, for different values of the ratio of the depth of the cavity of the resonator to the diameter of the critical section of the supersonic nozzle of the emitter cluttered in the section by the rod (relative value of the depth of the cavity).
Газодинамический воспламенитель содержит (см. фиг.1) полый корпус 1, стержневой газоструйный излучатель 2 с осесимметричным кольцевым соплом 3, резонатор 4 с цилиндрической полостью 5, соединительную камеру 6 с выходным отверстием 7 и систему подвода топлива в воспламенитель. В излучателе 2 стержень 8 размещен по оси сопла 3 и закреплен на одной из стенок корпуса 1. Резонатор 4 установлен на стержне 8. Полость корпуса 1 осуществлена в виде соединительной камеры 6 излучателя 2 и резонатора 4.The gas-dynamic igniter contains (see FIG. 1) a
Излучатель 2 и резонатор 4 выполнены в форме трубчатых цилиндрических элементов 9 и 10 соответственно с глухими днищами 11 и 12 с одного конца и открытыми с другого конца каждого элемента. Причем излучатель 2 жестко закреплен в корпусе 1 через трубчатый элемент 9, а внутри элемент 9 снабжен поперечной кольцевой стенкой 13. Открытый конец излучателя 2 выполнен в виде сверхзвукового сопла 3 с диаметром критического сечения D. Резонатор 4 установлен в корпусе 1 с кольцевым уплотнением 14 подвижно через трубчатый элемент 10. Кроме того, трубчатый элемент 10 резонатора 4 жестко закреплен по оси на одном конце стержня 8 глухим днищем 12. При этом стержень 8 подвижно расположен в поперечной кольцевой стенке 13 с кольцевым уплотнением 15 трубчатого элемента 9 излучателя 2.The
Наружная поверхность стержня 8 и внутренняя поверхность трубчатого элемента 10 резонатора 4 выполнены ступенчатыми. На меньшем диаметре стержня 8 внутри наибольшего диаметра трубчатого элемента 10 резонатора 4 установлен свободно кольцевой поршень 18 с уплотнениями 16 и 17 и образованием полости 19 переменного объема между поршнем 18 и глухим днищем 12 резонатора 4 и полости 5 переменного объема резонатора 4.The outer surface of the
За поперечной кольцевой стенкой 13 излучателя 2 стержень 8 снабжен поршнем 20 с кольцевым уплотнением 21 по наружному диаметру. Поршень 20 установлен с образованием одной полости 22 переменного объема между внутренней кольцевой стенкой 13 излучателя 2 и поршнем 20 и другой полости 23 переменного объема между поршнем 20 и днищем 11 излучателя 2 с размещенной между днищем 11 и поршнем 20 пружиной 24 сжатия.Behind the transverse
Система подвода топлива в воспламенитель содержит коллекторы 25 и 26 соответственно подачи окислителя О и горючего Г с регулирующими клапанами 27 и 28 на входе в полость 29 между внутренней кольцевой стенкой 13 и кольцевым соплом 3 излучателя 2.The fuel supply system to the ignitor contains
Излучатель 2 содержит коллектор 30 подачи первого управляющего газа УГ 1 с регулирующим клапаном 31 на входе в полость 22 между внутренней кольцевой стенкой 13 излучателя 2 и поджатым пружиной 24 поршнем 20 на другом свободном конце стержня 8.The
Резонатор 4 содержит коллектор 32 подачи второго управляющего газа УГ 2 с регулирующим клапаном 33 на входе в полость 19 между свободным поршнем 18 и днищем 12 трубчатого элемента 10 резонатора 4.The
Выходное отверстие 7 соединительной камеры 6 расположено напротив поперечного зазора L между выходом сопла 3 излучателя 2 и входом цилиндрической полости 5 резонатора 4. Отверстие 7 сообщает соединительную камеру 6 с проточным трактом 34 основной топливной смеси.The
Приведенное описание газодинамического воспламенителя может быть дополнено пояснением используемых геометрических и термодинамических параметров, где:The above description of the gas-dynamic igniter can be supplemented by an explanation of the geometric and thermodynamic parameters used, where:
D - диаметр критического сечения сверхзвукового сопла 3 излучателя 2, загроможденного в сечении стержнем 8;D is the diameter of the critical section of the
L - зазор между выходом сопла 3 излучателя 2 и входом цилиндрической полости 5 резонатора 4;L is the gap between the output of the
L/D - отношение зазора между выходом сопла излучателя к диаметру критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем (относительное значение величины зазора);L / D is the ratio of the gap between the output of the emitter nozzle to the diameter of the critical section of the supersonic emitter nozzle cluttered in the section by the rod (relative value of the gap value);
S/D - отношение глубины 5 полости резонатора к диаметру D критического сечения сверхзвукового сопла излучателя, загроможденного в сечении стержнем (относительное значение глубины полости);S / D is the ratio of the
S - глубина полости 5 резонатора 4;S is the depth of the
Т0 - температура топливной смеси в полости 29 излучателя 2;T 0 - temperature of the fuel mixture in the
Тр - температура топливной смеси в полости 5 резонатора 4.T p - the temperature of the fuel mixture in the
Согласно результатам расчетов максимальные значения температур топливной смеси в резонаторе 4 могут быть достигнуты при значениях отношения глубины S полости 5 резонатора 4 к диаметру D критического сечения сверхзвукового сопла 3 при L/D≈2 в диапазоне S/D=12-14.According to the calculation results, the maximum temperatures of the fuel mixture in the
Газодинамический воспламенитель работает следующим образом.Gas-dynamic igniter operates as follows.
Газообразные компоненты топлива, например: окислитель - N2O закись азота, горючее - водород H2 или окислитель - O2 кислород, горючее - водород Н2 или окислитель - O2 кислород, горючее - метан СН4, под давлением из баллонов (не показано) соответственно через коллекторы 25 и 26 с регулирующими клапанами 27 и 28 одновременно подают в полость 29 излучателя 2, где смешиваются. Из полости 29 образовавшаяся топливная смесь через сверхзвуковое сопло 3 вытекает со сверхзвуковой скоростью в полость соединительной камеры 6. В зазоре L камеры 6 между выходом сопла 3 и входом в полость 5 резонатора 4 формируется течение в виде нерасчетной недорасширенной сверхзвуковой струи. Под действием давления вытекающей из сверхзвукового сопла 3 струи поршень 18 сдвигается вдоль стержня 8 до упора в уступ трубчатого элемента 10. Причем возбуждение ударных волн в газе, находящемся в полости 5 резонатора 4, вызывается воздействием нестационарной волновой структуры сверхзвуковой струи, реализованной перед входным отверстием полости 5. Волновая структура состоит из системы колеблющихся скачков уплотнения и волн разрежения, формирующихся при нерасчетном истечении струи из сопла 3. В результате возвратно-поступательного периодического движения ударных волн в резонаторе 4 от открытого входа полости 5 к закрытому поршнем 18 выходу происходит диссипация кинетической энергии струи с интенсивным выделением тепла. При нарастании температуры смеси до значений температуры воспламенения выбранной пары компонентов топлива происходит их воспламенение. После воспламенения топливной смеси образовавшееся пламя последовательно поступает в полость соединительной камеры 6, а затем в виде факела пламени через выходное отверстие 7 истекает в проточный тракт 34, содержащий основную массу холодной топливной смеси и поджигает ее. После этого прекращают подачу горючего в камеру 29 излучателя 2 перекрытием клапана 28. Для предотвращения обратного выброса пламени в соединительную камеру 6 через выходное отверстие 7 из тракта 34 после выключения подачи горючего полости камеры 29 и соединительной камеры 6 продолжают продуваться регулируемым расходом окислителя. Окислитель поступает в полость 29 между внутренней кольцевой стенкой 13 и соплом 5 излучателя 2 через открытый клапан 27 при закрытом клапане 28 подачи горючего, а затем через сверхзвуковое сопло 3 вытекает в полость соединительной камеры 6, из которой через выходное отверстие 7 поступает в тракт 34 и сгорает вместе с основной массой топлива.Gaseous components of the fuel, for example: oxidizing agent - N 2 O nitrous oxide, fuel - hydrogen H 2 or oxidizing agent - O 2 oxygen, fuel - hydrogen N 2 or oxidizing agent - O 2 oxygen, fuel - methane CH 4 , under pressure from cylinders (not shown), respectively, through the
Истекающая при этих режимах из сверхзвукового сопла 3 струя окислителя может генерировать в полости 5 резонатора 4 пульсации давления, при которых происходит газодинамический нагрев находящегося в полости 5 резонатора 4 окислителя. Для предотвращения такого нагрева на режимах продувки через коллектор 32 и открытый клапан 33 (магистраль УГ 2 на фиг.1) в полость 19 резонатора подают управляющий газ. Управляющий газ под избыточным давлением действует на поршень 18 и поршень 18 смещается в сторону открытого конца цилиндрической полости 5 резонатора 4 до упора в уступ стержня 8. В результате этого объем полости 5 уменьшается практически до нуля, что приводит к прекращению генерации в этом объеме колебаний и отсутствию нагрева окислителя. При этом на режиме продувки окислителем осуществляется охлаждение конструкции газодинамического воспламенителя.The oxidizing jet flowing out from the
Для изменения зазора L между выходом сверхзвукового сопла 3 и входом полости 5 резонатора 4 через коллектор 30 и открытый клапан 31 (магистраль УГ 1 на фиг.1) в полость 22 подают управляющий газ. В этом случае поршень 20 сдвинется влево, сжимая пружину 24. Тогда посредством стержня 8 трубчатый элемент 10 резонатора 4 переместится в том же направлении. При этом зазор L между срезом сопла 3 и входной кромкой цилиндрической полости 5 уменьшится. При сбросе давления в полости 22 пружина 24 будет двигать поршень 20 и связанный с ним через стержень 8 трубчатый элемент 10 резонатора 4 в обратном направлении вправо. В результате зазор L между срезом сопла 3 и входной кромкой цилиндрической полости 5 увеличится.To change the gap L between the outlet of the
После прекращения подачи основной массы топливной смеси, окончания процессов горения и последующей продувки окислителем для устройств многоразового действия цикл нового включения и выключения газодинамического воспламенителя, приводящий к воспламенению основной массы топливной смеси, повторяется в указанной выше последовательности действий.After stopping the supply of the bulk of the fuel mixture, the end of the combustion processes and subsequent purging with the oxidizing agent for reusable devices, the cycle of the new on and off gas-dynamic igniter, leading to ignition of the bulk of the fuel mixture, is repeated in the above sequence of actions.
Согласно результатам расчетов время нагрева топливной смеси в воспламенителе до значений температуры воспламенения не превышает одной секунды. За такой промежуток времени металлическая конструкция не успевает прогреться до температур, при которых кольцевые уплотнения теряют свою работоспособность. Поэтому во время работы кольцевые уплотнения препятствуют перетеканию газов между разделяемыми ими полостями.According to the calculation results, the heating time of the fuel mixture in the ignitor to the ignition temperature does not exceed one second. For this period of time, the metal structure does not have time to warm up to temperatures at which the O-rings lose their performance. Therefore, during operation, O-rings prevent the flow of gases between the cavities they share.
Во время горения основной массы топлива в тракте 34 и продувки окислителем соединительной камеры 6 проводится контроль температуры конструкции воспламенителя. Для этого снаружи трубчатого элемента 10 резонатора 4 размещается термопара (не показано), по показаниям которой контролируется нагрев конструкции. При достижении предельно допустимых значений температур, при которых может происходить разрушение кольцевых уплотнений, следует прекратить подачу топлива в воспламенитель и основной массы топлива в тракт 34 для остановки процесса горения. При этом следует продолжить продувку окислителем соединительной камеры 6 для охлаждения конструкции газодинамического воспламенителя до установленного уровня.During the combustion of the bulk of the fuel in the
Такое воспламенение топливных смесей может обеспечивать быстрый и эффективный газодинамический нагрев газа в проточных трактах тепловых двигателей и может быть использовано для решения других задач.Such ignition of fuel mixtures can provide fast and efficient gas-dynamic heating of gas in the flow paths of heat engines and can be used to solve other problems.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011147930/06A RU2485402C1 (en) | 2011-11-25 | 2011-11-25 | Gas dynamic igniter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011147930/06A RU2485402C1 (en) | 2011-11-25 | 2011-11-25 | Gas dynamic igniter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011147930A RU2011147930A (en) | 2013-05-27 |
| RU2485402C1 true RU2485402C1 (en) | 2013-06-20 |
Family
ID=48786406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011147930/06A RU2485402C1 (en) | 2011-11-25 | 2011-11-25 | Gas dynamic igniter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2485402C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555601C1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И Баранова" | Gas dynamic ignitor of basic fuel mixture in flow channel |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2062404C1 (en) * | 1994-09-06 | 1996-06-20 | Константин Васильевич Лысенко | Thermoacoustical resonator of gas dynamic ignitor |
| RU2079055C1 (en) * | 1993-01-21 | 1997-05-10 | Научно-внедренческое предприятие "БКБ" | Gas igniter |
| RU2175743C2 (en) * | 1999-02-10 | 2001-11-10 | Государственное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения | Method and device for gas-dynamic ignition |
| US6966769B2 (en) * | 2004-04-05 | 2005-11-22 | The Boeing Company | Gaseous oxygen resonance igniter |
| RU2319076C2 (en) * | 2005-05-13 | 2008-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения (ФГУП НИИМаш) | Mode of gas dynamic ignition and an arrangement for its execution |
| RU2334916C1 (en) * | 2007-02-19 | 2008-09-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Gas-dynamic igniter |
| EP1998036A2 (en) * | 2007-06-01 | 2008-12-03 | Pratt & Whitney Rocketdyne Inc. | Resonance driven glow plug torch igniter and ignition method |
-
2011
- 2011-11-25 RU RU2011147930/06A patent/RU2485402C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2079055C1 (en) * | 1993-01-21 | 1997-05-10 | Научно-внедренческое предприятие "БКБ" | Gas igniter |
| RU2062404C1 (en) * | 1994-09-06 | 1996-06-20 | Константин Васильевич Лысенко | Thermoacoustical resonator of gas dynamic ignitor |
| RU2175743C2 (en) * | 1999-02-10 | 2001-11-10 | Государственное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения | Method and device for gas-dynamic ignition |
| US6966769B2 (en) * | 2004-04-05 | 2005-11-22 | The Boeing Company | Gaseous oxygen resonance igniter |
| RU2319076C2 (en) * | 2005-05-13 | 2008-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения (ФГУП НИИМаш) | Mode of gas dynamic ignition and an arrangement for its execution |
| RU2334916C1 (en) * | 2007-02-19 | 2008-09-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Gas-dynamic igniter |
| EP1998036A2 (en) * | 2007-06-01 | 2008-12-03 | Pratt & Whitney Rocketdyne Inc. | Resonance driven glow plug torch igniter and ignition method |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555601C1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И Баранова" | Gas dynamic ignitor of basic fuel mixture in flow channel |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011147930A (en) | 2013-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7637096B2 (en) | Pulse jet engine having pressure sensor means for controlling fuel delivery into a combustion chamber | |
| US9840963B2 (en) | Parallel prechamber ignition system | |
| GB2420615A (en) | Thermo acoustic pressure rise pulse combustor | |
| CN101852148A (en) | Oxygen/kerosene ignitor using pneumatic resonance ignition technology | |
| RU2485402C1 (en) | Gas dynamic igniter | |
| US3994232A (en) | Pneumatic match through use of a conical nozzle flare | |
| RU2084675C1 (en) | Chamber for puls detonation engine | |
| RU2684352C1 (en) | Adjustable pulsative gas dynamic detonation resonator output device for draw production | |
| RU2334916C1 (en) | Gas-dynamic igniter | |
| RU2555601C1 (en) | Gas dynamic ignitor of basic fuel mixture in flow channel | |
| RU2633976C1 (en) | Solid fuel gas generator | |
| RU52940U1 (en) | CAMERA OF THE PULSING DETONATION COMBUSTION ENGINE | |
| Wang et al. | Discovery of breathing phenomena in continuously rotating detonation | |
| RU2432483C1 (en) | Intermittent detonation engine | |
| RU2490491C1 (en) | Device for pulse ignition of combustible mixture | |
| RU2319076C2 (en) | Mode of gas dynamic ignition and an arrangement for its execution | |
| RU2296876C2 (en) | Method and device for producing thrust | |
| RU163847U1 (en) | Pulsating Air-Jet Engine | |
| CN103953459A (en) | Device with short-distance detonation and high-frequency detonation waves and control method thereof | |
| RU185450U1 (en) | COMBUSTION CAMERA OF A GAS TURBINE ENGINE WITH CONSTANT VOLUME OF COMBUSTION OF FUEL | |
| SU106500A1 (en) | Wave valveless pulsating jet engine | |
| RU16526U1 (en) | CAMERA OF A PULSING ENGINE OF DETONATION COMBUSTION | |
| RU2750245C1 (en) | Pulse combustion chamber for a space engine | |
| Bogdanov | Contemporary achievements in the field of acoustic ignition systems | |
| RU2553589C2 (en) | Method of functioning of supersonic pulsing detonation straight-jet engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210804 |