Вибрационное горение Раушенбах Б.В. (1014147), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Соловьев указывает, что при эксплуатации высокопапряженных камер сгорания возникали вибрации, сопровождавшиеся сильным шумом и значительными колебаниями давления. Описываемые ниже опыты были поставлены упомянутым автором. На рис. 105 дано схематическое изображение одной из камер сгорания, на которой были поставлены описанные ниже опыты. Камера сгорания представляет собою вертикально расположенный цилиндр диаметром 2 .н, с поворотом на 90' в нижней части. С точки зрения ') С о л о в ь е в В, В., К вопросу внбрацнонного горения в нысоконапряженных топочных камерах. Инженерно-фнзнческпй журнал, тй 1, 1050 г. 460 ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ САМОВОЗВУЖДЕНИЯ игл.
Х акустики такую камеру сгорания можно считать трубой с одним закрытым (вверху) и одним открытым (внизу) концом, причем длину такой трубы надо будет считать по ломаной оси АВС. Если оценить таким образом длину трубы, то она равна 12,5 м. В верхней части каи меры сгорания расположена горелка, состоящая из двух патрубков. Внутренний патрубок, снабжедный на выходе лопатками, служит для подачи угольной пыли и первичного воздуха.
На рис. 105 подача воздуха и пыли показана стрелкой и,. Наружный патрубок, служащий для подачи вторичного воздуха, тоже снабжен лопатками. На рис. 105 вторичному воздуху соответствует стрелка цм Кроме этого, необходимый для сгорания воздух подается по периферии, тангенциально, через ,~р соответствующим образом поставленные сопла (из на рис. 105).
Взаимодействие всех этих устройств прирвс. 1С5. Схенатиче- водит к закручиванию факела, сносное изображение ка- собствующему лучшему сгоранию. меры сгоРания. Хотя, как видно из описания, в верхней части камеры сгорания имеется ряд отверстий, в первом приближении этот конец можно считать «закрытым», так как суммарная площадь этих отверстий и общий характер их загромождения делает их на порядок менее эффективными, чем отверстие в сечении С в нижней части камеры сгорания.
Что касается нижнего конца камеры, то существенным является то обстоятельство, что слева от сечения С расположен большой объем, который значительно превышает объем камеры сгорания; это и позволяет считать сечение С открытым концом трубы, сообщающимся с беспредельным пространством. Сравнительно малое отношение длины трубы А. к ее / «.
диаметру «(( — = 6,25 ~ указывает на то, что камера 462 Частник слт чли слмовозвхждвиия ! я, х пока процесса горения, вычислим эпюру стоячей волны давления в такой трубе. По уравнениям (4.13) и (4.14), обозначив А„=Р„ найдем Р=Рс —, ~ехр( — д —,+,с~4)+ехр( — м „ге%)] Здесь уже положено р=гот.
Переход от размерных переменных к безразмерным осуществляется обычным оРРвгвв ввР. ввг в 7 вт у х,меп~р Ряс. $07. Сравнение теоретической кривой (сплошная линия) н опытных точен распределения аинлнтуд коле- баний но длине камеры сгорання. образом, по формулам (4.8). Если произвести соответствующий расчет, причем амплитуду колебаний давления у закрытого конца взять из эксперимента, и из эксперимента же заимствовать частоту колебаний, то можно сравнить теоретическую и наблюденную конфигурации эпюры давления.
Такое сравнение дано на рис. 107. Как видно из графика, экспериментальные точки хорошо ложатся на теоретическую кривую. Обращает на себя внимание лишь некоторое несоответствие между теоретическим краевым условием у открытого конца (бр=О) и ходом кривой. Это объясняется тем, что реальная колебательная колввлн!и! В пы.!кгголы!ых 'Гоокзх 403 система безусловно излучала акустическую энергию из открытого конца (а следовательно, но могла иметь узла давления) и, кроме того, уже упоминавшимся в конце 30 «эффектом открытого конца». Если добавить для учета этого эффекта к длине трубы у ее открытого конца величину порядка 0,3 диаметра, то на рнс. г07 это даст точку А.
Тогда продолжение расчетной кривой, определенной по замеренной частоте и амплитуде колебаний давления у закрытого конца, показанное на графике штрихами, пройдет совсем близко от точки А . Следовательно, не только величина частоты колебаний, но таки!е существование и конфигурация стоячей волны давления подтвер)кдает, что наблюденное явление имеет акустическую природу. При анализе описываемого процесса кадо учесть, что горение происходит у закрытого конца, т. е.
в сечениях, где наблюдаются большие амплитуды колебаний давления и сравнительно малые колебания скорости течения. Если акустические колебания приводят, в результате действия некоторого механизма обратной связи, к колебаниям тепловыделения, то диаграмма границ устойчивости будет иметь характер, представленный в левой части рис. 28. Вектор Ъ', показанный на этой диаграмме, будет в рассматриваемом случае представлять колебательную составляющую тепловыделения (напомним, что на диаграммах изображенного типа вектор колебания давления направляется по осн х, а вектор колебания скорости по осн у). Если в системе существует механизм обратной связи, обусловливающий появление колебательной составляющей у тепловыделения, то, чтобы такое возмущение тепловыделения было способно возбудить акустические колебания, необходимо, чтобы относительная величина этого возмущения превосходила некоторую минимальную величину (окружность границы устойчивости не касается оси у) и, кроме того, была приблизительно в фазе с давлением (упомянутая окружность лежит в области положительных значений я симметрично относительно этой оси).
Первое из названных условий реализуется сравнительно легко; осуществление второго не так просто. Чтобы рассмотреть этот вопрос более подробно, обратимся 464 чАстнык случАи сАмовозвуждвния !гл. и к изучению возможного механизма обратной связи. Выше, в ~ 35, уже говорилось, что вследствие сравнительно малого напора, под которым подается первичный воздух с пылью и вторичный воздух, колебания давления в верхней части камеры сгорания могут вызывать периодические колебания в подаче горючего и воздуха.
Зто дает возможность реализоваться механизму обратной связи, имеющему в основе смесеобразование. Пыль подавалась в камеру сгорания первичным воздухом под давлением 200 †2 мм вод. ст., а остальной воздух — под давлением 100 †1 мм вод. Ст. Как видно из рис. 107, колебания давления у закрытого конца трубы (у горелки) имели порядок 125 Асм вод. ст. Следовательно, в моменты наибольшего повышения давления подача воздуха должна была почти полностью прекращаться, а подача пыли тормозиться заметным образом.
Если предположить, что сгорание топлива происходит мгновенно, сразу после попадания его в камеру сгорания, то повышению давления в камере будет соответствовать уменьшение теилоподвода. Следовательно, возбуждение колебаний оказывается невозможным. В описанной схеме явления не учтено чрезвычайно важное обстоятельство: поскольку топливо воспламеняется не мгновенно, фазовое соотношение между колебаниями давления и тепловыделения может измениться. Кроме того, возможен фазовый сдвиг между возмущением давления и подачей топлива вследствие отклонения колебаний подачи пыли от квазистационарной схемы, принятой в приведенном простейшем рассуждении. Задержка воспламенения смеси воздуха с пылью может быть связана с целым рядом факторов.
Во-первых, следует учесть, что для воспламенения угольную пыль следует подогреть до соответствующей температуры. Этот нагрев происходит как за счет излучения тепла зоной горения (т. е. с первого мгновения поступления пыли в камеру сгорания), так и за счет контакта с продуктами сгорания (это требует известного времени, так как зона интенсивного горения лежит на некотором удалении от горелки и пыль должна долетать до нее). Во-вторых, нагрев пыли сам по себе недостаточен, если пылинки не окружены воздухом, основные массы которого, как зто 5, 501 КОЛЕБАНИЯ В ПЫЛЕЪ'ГОЛЬНЫХ ТОПКАХ 465 видно из схематического чертежа камеры сгорания на рис.
105, поступают независимо от пыли. Следовательно, горению должен предшествовать процесс перемешнвания пыли с воздухом, который тоже требует известного времени. Данное здесь качественное описание процесса воспламенения пыли показывает, что задержка воспламенения является совершенно неизбежной и ее величина не может быть пренебрежимо малой. Это может, прп известных условиях, привести к совпадению фаз колебаний давления и тепловыделения, т.
е. к самовозбуждению системы. При обсуждении в конце гл. 1Х влияния «растянутости» зоны горения на вероятность самовозбуждения акустических колебаний было установлено, что чем более протяженна (в направлении оси трубы) зона горения, тем менее вероятно возбуждение колебаний. Следовательно, фактором, способствующим возникновению акустических колебаний, является сравнительно узная локализация зоны интенсивного горения: процесс сгорания должен происходить бурно в довольно узком фронте горения.
В рассматриваемом случае фактором, способствующим интенсивному тепловыделению вверху камеры сгорания, является, в частности, превышение напора, под которым подается пыль, по сравнению с напором, под которым подается остальной воздух. Тогда после прохождения давления через максимум первой в камеру сгорания устремляется пыль, она начинает подогреваться и газифицироваться и уже подготовленная для воспламенения смешивается с остальным воздухом. Это должно сопровождаться бурной реакцией в сравнительно узкой (по длине трубы) зоне.
Укорочение зоны интенсивного теплоподвода будет происходить также при использовании горючих, богатых «летучими» вЂ” газообразными веществами, выделяющимися при нагреве топлива и представляющими легко воспламеняющуюся часть топлива. Основная масса «летучих», а также мелкие фракции пыли должны сгорать в сравнительно короткой зоне, в малом отдалении от горелки. Поэтому использование быстро воспламеняющихся горючих также должно способствовать возможности возникновения вибрационного горения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
