Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Если нагретое тело внесено в горючую смесь и температура стенки тела Т( не намного больше температуры холодной смеси То, при которой смесь практически не реагирует, то поле температур все же несколько изменится по сравнению с предыдущим случаем. В слоях смеси, непосредственно примыкающих к пластине вследствие некоторого подогрева, химическая реакция интенсифицируется и температура этих слоев увеличится(кривые 2). Выделившаяся в ходе реакции теплота будет характеризоваться площадью заштрихованных областей между кривыми 1 и 2. Площади этих областей увеличиваются с повышением температуры стенки Т„ накаленного тела.
Очевидно, при какой-то температуре Тст = Т„ по крайней мере вблизи стенки, температура смеси будет постоянна и равна Т,, Для данной горючей смеси значение Т„ = Т, будет критическим, определяющим условия зажигания и 4Т в частности температуру зажигания Т,. При этой температуре — = 0 (и — нор- ия маль к стенке). Очевидно, что даже при незначительном повышении Т,до Т~ температура смеси будет непрерывно повышаться от это~о значения, причем тем интенсивнее, чем выше Тот При Т,„ = Т, поток теплоты от тела к начавшей реагировать смеси отсутствует и температура смеси определяется совокупностью явлений тепло- и массообмена развивающейся химической реакции. Температура зажигания не равна температуре самовоспламенения.
Экспериментально установлено, что Т, ) Тв и разность между ними тем больше, чем меньше мощность источника зажигания (размеры нагретого тела), Это связано с резким уменьшением температуры при удалении от тела и некоторым снижением концентрации горючих веществ а, в слоях газа у стенки в период их разогрева (кривые 3 н 4).
Могут быть случаи реагирования смеси у стенки, но беэ распространения реакции на весь объем, это равносильно отсутствию зажигания. Если нагретое тело выполнено из материала, являющегося катализатором реакций горения, то зажигание ухудшается и при прочих равных условиях в этом случае нужна более высокая температура стенки. Объясняется это тем, что в начальный пе. риол прогрева пристенного слон смеси исходная концентрация а„горючей смеси у стенки снижается быстрее ~кривая 4) ввиду адсарбции смеси поверхностью, разложения и интенсивного реагирования молекул у стенки. Слой смеси, прилегающий к пластине, прогревается быстрее остальных частей объема, в нем ускоряется химическое реагирование и одновременно возникают конвективные токи.
Зажигание смеси становится возможным только тогда, когда время контакта пристенного слоя смеси с телом будет превышать период задержки зажигания. Конвективный теплообмеп проявляется существеннее в смесях, обладающих большей тепловой энергией, например стехиометрическпх. Поэтому в этих смесях температура зажигания будет выше. Ускорению прогрева достаточного для зажигания всей смеси и снижению Тз способствует увеличение площади поверхности высоконагретого тела и уменьшение от. носительной его скорости движения в смеси. Условия зажигания несколько ухуд.
шаютгя при увеличении турбулентности смеси. С повышением давления в смеси температура зажигания понижается. Электроискровое зажигание. Для восп.паменения топлива обычно используют электроискровое зажигание вследствие большего удобства и высокой надежности. По сравнению с воспламенением от высоконагретого тела процесс электроискрового зажигания более сложен и недостаточно изучен. При электроискровом разряде кроме увеличения температуры смеси происходит ее ионизация. С одной стороны, электрическая искра, проскакивающая между электродами свечи, рассматривается как небольшое накаленное (газообразное) тело, температура которого достигает 6000 — 20000 К. При этом, чем выше температура и больше размеры электроискрового канала, тем интенсивнее зажигание.
С другой стороны, электрическая искра вызывает ионизацию среды с образованием большого количества активных частиц, что увеличивает скорость реакции и улучшает зажигание. Для каждой смеси по концентрации горючих веществ, давлению и другим параметрам можно определить наименьшую мощность искры, при которой зажигание смеси еще возможно. С увеличением мощности искры (силы тока г') границы составов смесей, в которых происходит зажигание, можно расширить до некоторого предела.
При некоторой мощности искры эффект зажигания практически не зависит от дальнейшего ее увеличения, ее называют насыщающей. Именно такое значение мощности обеспечивает наиболее надежное зажигание, в минимальной степени зависящее от других факторов. й 6. ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ Процесс горения (распространения пламени) всегда связан с движением газа. В неподвижной смеси при возникновении процесса горения газ приходит в движение, например, вследствие изменения плотности.
При достаточно больших размерах системы горение со временем принимает турбулентный характер: даже в неподвижной смеси можно получить турбулентную форму распространения поверхности фронта пламени. Зажигание смеси в небольшой ее части должно обеспечить распространение горения по всему объему. В неподвижной смеси, заполняющей, например, горизонтально расположенную трубу, закрыгую а7 с одного конца, процесс распространения фронта пламени (реакций горения) имеет несколько форм. После поджигания у открытого конца обычно наблюдается медленное, равномерное распространение пламени по длине трубы со скоростью и„несколько метров в секунду, в зависимости от состава смеси, концентрации веществ, давления, температуры и др. Это ламинарное (нормальное) распространение фронта пламени.
В длинной трубе ламинарное распространение фронта пламени имеет место только на начальной части ее длины — примерно па 1!4 — 1)5 в зависимости от общей длины и диаметра трубы, концентрации и вида горючего, состояния смеси. Гладкая поверхность фронта пламени по форме напоминает несимметричный относительно оси мениск, выпуклый в сторону невоспламененной смеси. Влияние диаметра сказывается, но до некоторого его максимального значения.
При уменьшении диаметра до некоторого минимального («гасящий диаметр>) распространение пламени в трубе становится вообще невозможным. После первоначального равномерного распространенна пламени его гладкая поверхность постепенно становится зазубренной, характерной для турбулентного распространения фронта пламени и,. При этом пламя, разгоняясь, движется с колебаниями, одновременно резко увеличивая среднюю поступательную скорость до нескольких десятков и даже сотен метров в секунду.
Этот вид горения нестабилен. Некоторые сильные броски фронта пламени могут привесть к срыву пли (в определенных условиях) к детонационному распространению пламени (взрывной волне). Детонационное горение характеризуется стабильными, очень большими скоростями (до нескольких тысяч метров в секунду). Неустойчивое распространение пламени с отбросами назад связано с возникновением волн сжатия, их перемещением, накоплением и отражением от стенок, то ускоряющих, то замедляющих движение фронта пламени. В целом движение фронта пламени ускоряется, и скорость его движения достигает сотен метров в секунду. Колебания распространения фронта пламени возрастают с ростом его скорости.
Вибрации пламени появляются раньше отбросов и могут быть вызваны первоначальными слабыми колебаниями газа. Повышение реакционной способности и плотности смеси, рост длины и уменьшение диаметра трубы способствуют образованию детонационных волн. Следует отметить, что обнаружена большая чувствительно«ть колебаний фронта пламени к звуковым воздействиям, прп определенных условиях возможен резонанс колебаний. Колебательные движения передаютгя газу и пламени регулярно: в момент зажьгания, затем вследствие увеличения первоначальных сфер возникшего фронта при перемещении менее плотных горячих объемов продуктов сгорания в верхние части канала, в момент соприкосновения пламени со стенками и перестройки сферического фронта в менискообразный несимметричный фронт при омыванип поверхностью пламени шероховатостей стенки, в случае встречи Фронта с прямыми и отраженным звуковыми волнами и т. д.
48 В результате искривляется и увеличивается поверхность фронта пламени, происходит его турбулпзация, фронт пламени может стать источником возмущений. При наложении большого числа волн, распространяющихся в уже возмущенной среде, увеличивается амплитуда во фронте первоначальных колебаний и создается кумулпрованная звуковая волна.
При дальнейшем развитии процесса с бесконечно большим числом совмещенных волн обычно впереди фронта пламени возникает ударная волна сжатия 01асто создавая новый фронт), которая при встрече со старым фронтом не отбрасывает его назад, а дает начало детонационному горению. В детонациоином фронте воспламенение смеси вызывается ударно-адиабатным сжатием, В любом случае расппостранение пламени по длине трубы представляет собой перемещение определенной зоны, в которой после некоторых подготовительных процессов в основном осуществляются химические превращения.
Основной подготовительной стадией является процесс подогрева смеси. Слой определенной толщины, включающий зоны подготовки смесц к реагированию и химического превращения, называют поверхностью фронта пламени. Она, следовательно, служит границей раздела между невоспламененной смесью и продуктами сгорания. Поэтому скорость процесса сгорания можно характеризовать линейным перемещением фронта пламени в единицу времени. Ламинарное распространение фронта пламени после зажигания у открытого конца трубы происходит с малыми скоростями в условиях свободного расширения продуктов реакции (р = сопз1).
Очередной слой невоспламененной смеси подогревается от зоны химической реакции во фронте пламени в результате теплопроводности. При нормальном горении смеси в неподвижном объеме или в ламинарном потоке процессы обмена протекают только за счет движения молекул без обмена импульсами и массами между соседними струйками. Ламинарные течения осуществляются при числах Ке ( 2000 — 3000. Нормальная скорость распространения поверхности фронта пламени и„— перемещение элемента поверхности фронта пламени в единицу времени в с1орону невоспламененной смеси по нормали ь поверхности фронта в данном месте. Нормальная скорость является физико-химической константой данной смеси для определенных условий, Как показали результаты исследований, эта скорость в значительной мере определяет скорость распространения поверхности фронта пламени в турбулентном потоке и„имеющую место в камерах сгорания ГТД.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
