Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Как удается заставить топливо гореть в воздушном потоке, движущемся с такой огромной скоростью?
Впервые эта проблема, имеющая важнейшее значение не для одних только прямоточных двигателей, была подвергнута изучению нашим отечественным ученым — физиком В. А. Михельсоном в конце прошлого века. С тех пор ученые и конструкторы нашей страны раскрыли много загадок, относящихся к сгоранию топлива в потоке, что позволило создать ряд удачных конструкций высокоскоростных камер сгорания, в частности для турбореактивных двигателей. Чтобы понять, как удается решить эту задачу, представим себе камеру сгорания прямоточного двигателя. Из топливных форсунок вытекает под давлением топливо, которым в прямоточных двигателях обычно является бензин. Смешиваясь с воздухом, бензин образует горючую смесь, которая и должна гореть.
Вспомните, как вы поджигаете газовую горелку. Открывая кран, перекрывающий доступ газа к горелке, вы подносите к ней зажженную спичку — газ вспыхивает, образуя светящийся факел пламени. Спичка давно погасла, но газ продолжает гореть. В спокойном воздухе факел совершенно недвижим. Но эта неподвижность обманчива — внутри факела происходят сложные процессы, развивающиеся с большой скоростью. Раскаленные, светящиеся продукты сгорания улетучиваются, поднимаясь кверху, а их место занимают новые порции свежего газа. Они снова смешиваются с воздухом, подогреваются, воспламеняются и сгорают, чтобы так же улетучиться из факела, как и продукты сгорания предыдущих порций.
Значит, неподвижность факела — это не покой, а результат особого равновесия в ходе процесса. Вот так же, например, иногда не меняется уровень воды в водопроводной раковине, хотя из крана хлещет вода: так бывает в тех случаях, когда приток воды в раковину равен количеству воды, которая успевает вытечь из нее. Если мы несколько прикроем водопроводный кран, то уровень воды в раковине понизится, а затем снова наступит равновесие. То же произойдет и в случае, если мы, наоборот, откроем кран сильнее. Только на этот раз новый равновесный уровень воды в раковине будет более высоким.
Попробуем проделать такой же опыт с факелом. Уменьшим подачу свежего газа. Тотчас же светящийся конус пламени уменьшится. Почему? Очевидно, установилось новое равновесие аналогично тому, как это происходит при изменении уровня воды в раковине. Точно так же новое равновесие установится, если мы увеличим подачу газа — факел станет большим.
Возвратимся снова к раковине. Если мы чрезмерно откроем водопроводный кран, то уровень воды в раковине поднимется настолько, что вода начнет переливаться через край. Это будет пределом возможного смещения равновесия в одну сторону, в сторону повышения уровня. Другого предела мы достигнем в том случае, если прикроем кран настолько, что вода будет литься из него тонкой струйкой, так что в раковине воды вовсе не будет, она будет сразу выливаться из нее.
Явления в горящем факеле, конечно, гораздо сложнее, чем в нашем примере с водопроводной раковиной. Не так просто понять, какие факторы обусловливают равновесие факела, и установить пределы, ограничивающие это равновесие. Опыт показывает, что такие пределы существуют. Если сильно подуть на горящий факел или, например, сильно повысить давление и, следовательно, скорость выходящего газа, то факел оторвется от горелки и погаснет.
Оказывается, главное условие того, чтобы факел был устойчивым и непрерывно горел, — это непрерывное поджигание новых порций газа, выходящих из горелки. Эти порции воспламеняются уже горящими частицами газа. Горение распространяется от горящей смеси к свежей с определенной скоростью — она так и называется скоростью сгорания. Легко видеть, что если скорость, с которой горящая смесь уносится от горелки, станет очень большой, то горение просто не успеет распространиться, факел оторвется от горелки и затем погаснет. Чем больше скорость сгорания, тем больше и та предельная скорость подачи газа, при которой факел еще сохраняет устойчивость.
Явления, происходящие в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, еще сложней, чем в факеле газовой горелки, так как в камеру поступает не газообразное, а жидкое топливо. Значит, до сгорания его необходимо распылить, т. е. образовать облако мельчайших капелек, перемешать эти капельки равномерно с воздухом, а затем испарить. Эти процессы подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию сильно усложняют картину явлений, происходящих в камере сгорания двигателя.
Однако главным и здесь остается поджигание новых порций топлива. В отличие от пламени газовой горелки факел в камере сгорания прямоточного двигателя обдувается стремительным потоком воздуха. Скорость этого воздушного потока во много раз превышает скорость, с которой распространяется по потоку сгорание. Вследствие этого пламя не может удержаться в камере, оно срывается и уносится потоком; двигатель перестает работать, «глохнет».
Как же все-таки в таких условиях удается поджигать топливо и обеспечивать тем самым устойчивое горение в прямоточном двигателе? Для этого используются разные методы, но все они преследуют одну и ту же цель — подвести раскаленные газы (продукты сгорания) к основанию факела с тем, чтобы они подожгли топливовоздушную смесь. В одном случае для этого топливо впрыскивается в камеру сгорания двигателя не по направлению воздушного потока, а против него; горящие газы меняют затем свое направление и омывают основание факела. По другому методу воздух, омывающий факел, закручивается штопором, образуя настоящий небольшой смерч; для этой цели он пропускается через особый завихритель, имеющий расположенные по спирали лопатки. В результате такого завихрения воздуха внутри воздушного вихря образуется область пониженного давления, в которую поступают раскаленные газы (продукты горения), меняя свое направление на обратное. Так создается постоянная зона обратного тока раскаленных газов, поджигающих топливо. Наконец, в третьем случае в камере сгорания устанавливаются специальные стабилизаторы пламени — экраны. Воздух, обтекающий эти экраны, которым придают обычно неудобообтекаемую форму, создает за ними застойные вихревые зоны, куда также проникают раскаленные продукты горения, поджигая факел.
На рис. 63 изображен прямоточный воздушно-реактивный двигатель, в котором использован один из описанных способов стабилизации пламени в камере сгорания. Горелки и стабилизирующие устройства располагаются обычно в передней части камеры, сразу за диффузором, образуя так называемое фронтовое устройство, или регистр. В дозвуковых прямоточных двигателях одно только это фронтовое устройство и можно видеть внутри двигателя, если заглянуть в него через торцовые отверстия. В сверхзвуковых двигателях, как указывалось выше, обычно имеется еще центральное тело.
Рис. 63. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель со стабилизатором пламени
Но почему же мы говорили выше о сгорании в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, как о сложной проблеме, которую еще нужно решить, если уже существуют прямоточные воздушно-реактивные двигатели с надежным, устойчивым сгоранием?
К сожалению, даже в этих существующих двигателях проблема сгорания решена далеко не до конца. В одних двигателях устойчивость сгорания достигнута ценой слишком больших потерь давления в камере сгорания, что приводит к значительному уменьшению тяги и увеличению расхода топлива. В некоторых двигателях сгорание устойчиво на одних режимах работы, но становится неудовлетворительным на других. Но самое главное заключается в том, что обеспечение сгорания в существующих двигателях осуществлялась и осуществляется даже до сих пор в основном чисто опытным путем, на ощупь, путем длительных испытаний с сопутствующими им переделками камеры сгорания. Вследствие этого доводка прямоточных двигателей, для испытания которых требуются весьма сложные, громоздкие и дорого стоящие установки, затягивается иной раз на годы. Кроме тою, когда конструкторы приступают к созданию нового двигателя, то им из-за отсутствия ясных представлений о процессах, происходящих в камере сгорания, приходится идти все тем же экспериментальным путем. Единственные указания им дает опыт прошлого, но этот опыт, конечно, всегда оказывается недостаточным, когда речь идет о создании нового двигателя, рассчитанного на иные требования и иные условия работы. Так теория, которая должна освещать путь практике, в этом случае пока еще отстает от нее.
Наибольшие трудности, связанные со сгоранием в прямоточном двигателе, возникают как раз тогда, когда двигатель предназначается для полета с большими скоростями, намного превышающими скорость звука, и на очень больших высотах, что и характерно для использования прямоточного двигателя. Когда растет скорость полета, то обычно увеличивается и скорость воздушного потока в камере сгорания, а вместе с ней растут и трудности стабилизации горения. Большие неприятности часто создают мощные пульсации и колебания воздушного потока в камере сгорания, из-за чего пламя начинает сильно вибрировать. При этом не только резко снижается тяга и увеличивается расход топлива, но сам двигатель может легко выйти из строя. Еще хуже обстоит дело со сгоранием при увеличении высоты полета. А ведь полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, возможен только на весьма больших высотах, где воздух крайне разрежен и, следовательно, не оказывает такого большого сопротивления летящему самолету, как на малых высотах. Вблизи земли это сопротивление так велико, что полет со скоростью, в 2—3 раза превышающей скорость звука, становится практически невозможным. Невозможен он еще и потому, что при полете с такими большими скоростями в плотной атмосфере оболочка самолета может сильно разогреться: на больших высотах в разреженном воздухе этого не происходит. Но именно разреженность воздуха создает особые, пока еще до конца не преодоленные трудности в работе камеры сгорания прямоточного, да и других воздушно-реактивных двигателей. Оказывается, что при увеличении высоты полета в работе камеры сгорания двигателя, вполне
