Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели

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

удовлетворительно работавшего у земли и на меньших высотах, наступают перебои. Пламя начинает пульсировать, а затем срывается и гаснет. Это объясняется тем, что скорость сгорания топлива при увеличении высоты полета резко уменьшается, так как уменьшаются давление и температура воздуха в камере сгорания двигателя. Мало того, при значительном увеличении высоты полета топливовоздушную смесь в камере сгорания вообще не удается воспламенить.