Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М., страница 14

Частью теплоты, идущей на нагревание реагирующих веществ от температуры Та до Т„, ввиду близости их значений обычно пренебрегают, полагая, что вся теплота реакции идет на нагревание исходной горючей смеси. При этом в выражении (2?) производная г(Т(с(( относится к границе зоны реакции. Если для упрощения рассмотреть изменение Т, характеризуемое не касательной в точке В, а секущей линией ! — П, т.

е. принять с(Т(М = (҄— Т„)(6, то, считая в выражении (26) Тв = Т„получим нормальную скорость распространения пламени и„= а,'6 (а = = М(срр„) — коэффициент температуропроводности исходной смеси ). Вместе с тем и„= 6,/т (т — впемя течения химической реакции). Величина 6„< 6, 6х =Ф(ш)6, где Ф (ш) — функция, определяемая скоростью химической реакции. Тогда и„=т Ф(ш) ъ''от . (28) Это выражение позволяег выявить принципиальную зависимость скорости нормального распространения поверхности фронтз пламени от основных параметров смеси.

Считая известным влияние параметров на скорость химической реакции, рассмотрим выражение т' а?т, = и„. Принимаем г, — — р/ш, (29) где ы~ — среднее значение скорости объемной реакции в зоне горения кг!(ма с). Характер влияния параметров смеси ясен из выражений; а =- ) ~(сяр) ж р ' и ю,= р"е-винт>. Таким образом, т' а(т„и ИРО '"" — ' е — еч2яг) Дальнейшая конкретизация возможна лишь при известных порядке химической реакции а, константе скорости реакции й, функции Ф (гс) и энергии активации Е. Влияние этих величин можно опре- 54 У гО гУ Оде,% сс см/с нс,с~,гс ООО ФОО О ы=г О фу г гру ы Рис.

!4. Изменение скорости и„газовоздушных смесей в зависимости от температу- ры Т и коэффициента а избытка воздуха: à — т=гаа К; г — Г=ета К; З вЂ” Г=-атЗК; С вЂ” т=ата К; — -смеси СНИ вЂ” — — — смеси Н, Рис. !б. Зависимость нормальной скорости и„распространении пламени бензино- и газовоздушных смесей ат коэффициента а избытка воздуха в смеси: г — нн г — ееизии; з — с,нн 4 — со; з — сн, делить суммарно по результатам большого числа экспериментов. Для ориентировочных расчетов можно принять и„= р-ага и и„ж Т'. Зависимость нормальной скорости распространения поверхности фронта пламени от параметров горючей смеси.

Согласно результатам экспериментальных исследований нормальная скорость распространения поверхности фронта пламени ии зависит от свойств компонентов горючей смеси, их соотношения (рис. 14), температуры, давления смеси и др. Известно, что максимальную скорость (ии),„ имеют не стехнометрические смеси (а„ = 1), а смеси с некоторым избытком горючего (се„ ( !). Для бензина или керосина в смеси с воздухом (ип),х имеет место при се„ = 0,93 †: 0,96 (рис. 15).

Однако максимальное тепловыделение и максимальную температуру горения дают стехиометрические смеси. С повышением температуры исходной свежей смеси скорость ии увеличивается, при атом несколько расши* ряются пределы горения по а. Для многих топливовоздушных смесей с увеличением давления р величина ин уменьшается. Однако при р ( 0,1 МПа зависимость может быть и обратной, например, для смесей СО с воздухом. Если окислителем является кислород, то величина ии для большинства смесей практически не зависит от давления. Массовая скорость распространения фронта пламени пт = рии неизменно увеличивается с ростом давления.

Значительное снижение величины и„ происходит в присутствии примесей. Наибольший интерес представляет случай балластировкн воздуха продуктами сгорания топлива, особенно при многократном сжигании топлива в одном потоке воздуха по мере его движения по каналу, когда количество воздуха достаточно для осуществления химической реакции, например в ГТД при наличии камер сгорания промежуточного подогрева газов или форсажной. Дополнительная камера сгорания используется для промежуточного между ступенями турбины подогрева газов, в ней процес..

горения топлива происходит бб Рис. !6. Схема логораиия смеси СО с воздухом аа фроитом пла меии: 1 — поверхность фронта пламени толщиной 6 в=а ~ г,'! за счет оставшегося не использованным в основной камере сгорания воздуха (кислорода). Прп этом коне! „'а~ 1~~'~ ~, 'центрация О. уменьшается, понижая и„, а темпера— — тура потока, как правило, возрастает, повышзя и . а. ",. ~ в г Таким образом, очевидно определяющее влияние температуры, вплоть до величины близкой к температуре самовоспламенения смесь. Догорание за фронтом пламени. Полного выгора- ния смеси в самом пламени (на толщине 6 = 6„+ 6„) не происходит, хотя здесь реагирует основная масса горючих веществ.

Для полного выгорзния смеси всегда требуется некоторая зона догорания шириной 1 . Таким образом, процесс горения, начинающийся нз внутренней границе поверхности фронта пламени толщиной 6, заканчивается не в толщине фронта пламени, а нз длине значительно большей: бол = 6 + 1л. Общая длина факела 1ф, например над газовой горелкой, иногда существенно превышает длину зоны горения 1„, вкгночач за фронтоьт зону догорания длиной 1д (рнс. 16). Для центральной струйки (1ф)и = = 1„+ 1, причем 1„) 6. Рассмотрим в качестве примера догоранпе смеси СО в воздухе при изменении внешнего давления.

При р ) ) 0,1 МПа на расстоянии нескольких долей миллиметрз от начальной поверхности фронта пламени смесь выгорает в среднем на 80— 90 % . Наибольшая температура наблюдается в зоне догорания, а не на поверхности пламени. Турбулентное горение Распространение пламени в турбулентном потоке. Процесс распространения пламени в движущемся турбулентном потоке имеет большой практический интерес, поскольку именно такое говение характерно для топливосжигзющих устройств. Разработка вопросов теории турбулентного распространения поверхности фронта пламени и методов решения практических задач во многом определяется трудамн отечественных ученых В.

А. Михельсона, Д. А. Франк-Каменецкого, К. Н. 1Целкина, Е. С, 1Детинкова, А. В. Талантовз, А С. Соколика и др. Простейшим примером турбулентного горения может служить пламя газовой горелки при турбулентном истечении однородной топливовоздушной смеси (рпс. 1?). При турбулентном распространении пламени так же, как и при ламинарном, тепло-массобмен осуществляется теплопроводиостью и диффузиеи. Существенное отличие заключается в том, что перенос теплоты и вещества при турбулентном режиме движения осуществляется за счет не только молекулярного, но и молярного обмена, имеющего определяющее значение.

Перемешивание элементарных объемов при пульсационном движении газа резко интенсифицируст отдельные стадии процесса и течение его в целом йз Рис, г?. Схеага гааиенн газовой горении ири гурбуаеигном исгеисиии оаиоро.дой смеси Струино-факельный способ сжигания, особенно газообразного топлива (обычно предварительно не перемешанного с воздухом) довольно часто используется на практике. Как уже отмечалось, в ламинарном потоке контуры факела пламени гладкие, четко очерчены н толщина (ширина) поверхности пламени 6 мала. Условно показывая ламинарный фронт пламени одной линией получим схему, аналогичную рпс.

16 (сплошной внутренний конус). В случае развитой зоны догорания над ннм будет еще один конус (наружный сплошной). В турбулентном потоке фронт пламени (см. рис. 17) размыт пульсациями и имеет толщину 6„, значительно большую толщины ламинарного фронта 6. Длина факела 1Ф, определяемая по оси горелки, складывается из длины 1„ зоны горения (пламени), и длины воны догорания 1 . От поверхности воспламенения 1 (передней границы фронта) до поверхности П (конца зоны горения), т. е. на толщине турбулентного фронта пламени 6, обычно не происходит полного выгорания смеси.

Зона догорания длиной 1дограничена поверхностью П1. На левой стороне рис. 17 эти поверхности 1, П, /11 — условно заменены осредненными гладкими линиями. Здесь расстояние 1'а'посоответствующей линии тока есть местная толщина фронта б„а а'2' — длина 1„. Как правило, 1в — — 1, + + бг + 1д, однако при некоторых условиях 1„= О и 1ф -- — — 1,, =- =: 1„+6,. В случае лампнарного распространения фронта пламени, считая 6 = О, получим 1„= 1„и 1Ф вЂ”вЂ” 1„+ 1д, з при отсутствии догорания 1ф = 1„ = 1,. В турбулентном факеле пренебречь величиной 6, нельзя, так как она бывает соизмерима с характерными размерами системы, Длину 1ф факела удобно определять расстоянием по нормали к поверхности илн плоскости фронта пламени, при прямолинейных линиях тока, перпендикулярных к поверхности пламени оба определения 1Ф совпадают.

Сумма отдельных пульсаций в каждый момент по-разному искривляет поверхность турбулентного фронта распространения пламени, увеличивая ее площадь и количество вещества, вступающего в реакцию в единицу времени на этой поверхности. Соответственно турбулентное горение характеризуется скоростью и, распространения пламени, значительно превышающей скорость и„нормального распространения пламени. Элемент фронта пламени при турбулентном его распространении можно рассматривать, осредняя элементарные искривления на определенной длине, превышающей размер единичных выступов и неровностей.

В этом случае по аналогии с иа скорость распространения фронта пламени в турбулентном потоке иа является скоростью движения этого элемента. Очевидно, что одновременно и, характерп- 57 //г, тс)а Рис. !8. Зависимости скорости ис отсо' при различных Ис .' 1 — и, = 40 см,'с, 2 — и„= 80 см/с, 3 и„= 20 см/с 76 ит, м/с 75 О р,/5//а ру 1 75 сс б) 1 йау й/ о,/у а) Рис. !9. Зависимости скорости ит воздуха: 1 — м = 80 м/с; 2 — м = 20 м/с! 3 88 от давления р (сх = 1,8) и коэффициента а избытка — сс =- 115 и/с; 4 —.

сс = 75 м/с; 5 — сс 31 м/с зует объем вступивших в реакцию веществ Ю за единицу времени на единице поверхности фронта пламени. По результатам эксперимента (в том чис- ле в закрытом канале) скорость распростра- "', 20 пения пламени в турбулентном потоке определяется скоростью и„ горючей смеси, ее составом, пульсационной скоростью потока и/, температурой смеси, ее давлением и др. На рис. !8 представлена зависимость и, от ш' и им для газовоздушной смеси, по составу близкой к стехиометрическому, при атмосферном давлении и температуре смеси Т, = 293 К, На рис. (9 приведены зависимости и, от давления р и сс при разных скоростях потока и/. Возникновение турбулентности в потоке можно ускорять искусственно установкой сеток, стержневых решеток, завихрителей и т.