Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 16
Текст из файла (страница 16)
шириной 1 с пульсационными скоростями +ю' и — ю' (рис. 23, г, позиция А), В случае отсутствия пульсационной скорости (ю' ==- О) поверхность возникающего фронта пламени могла быть сплошной плоской Б (рис. 23, г). При случайном разрыве ее, например на участке 2 — 3, она восстановится снова за счет действия нормальных скоростей распространения и„по стрелкам Д, которые встретятся в точке О.
Фронт пламени распространится относительно невоспламененной смеси, движущейся со скоростью ш,р, также со скоростью и„. Неподвижный наблюдатель зарегистрирует видимую скорость распространения пламени п=ш,р+и„. В рассматриваемом потоке фронт пламени В (рис. 23, г) плоским не будет. Его распространение ускорится за счет прямых пульсаций (+ш') и будет идти со скоростью и,. = и„+ ю', На участках ! — 2 и 3 — 4 сохранятся плоские части поверхности фронта (!' — 2' и 3" — 4'), а между ними за счет движения плоских участков фронта относительно невоспламененной смеси со скоростью и„+ 2в' появятся косые поверхности 2' — О и 3' — О, наклоненные к оси на угол гх.
В зависимости от значений и„и щ' положение точки О (значение угла м) будет определяться построением К на позиции В. Так, гйп я == и„!(и„+ 2и'). Значение Б„= 0,51!з1п я. Считая, что и,!и„определяется отношением площадей поверхности турбулентного искривленного и нормального плоского пламени [Б„(5,„= = (0,55, + 25„)!5,1, получили и,,!и„=. ' " " = (и„+ + ю')!и„, откуда и, = и„+ ю'.
Этот вывод существенно уточняет положения, основанные на учете перемещения фронта пламени относительно невоспламененной смеси только за счет пульсационной скорости. Случай крупномасштабной турбулентности, когда и'1и, > 1, более интересен с практической точки зрения, так как в топливо- сжигающих устройствах создаются сильно турбулизированные потони с заметной индивидуальностью реагирующей смеси Л Г. При этом и, можно найти, определив время горения в потоке с развитой турбулентностью тм какого-то характерного объема. Пусть при развитой турбулентности первоначальная эффективная скорость распространения пламени по объему ЛГ с характер- 63 ным размером 1„также определяется суммой им, =- и„+ а'.
В конце горения смеси ЛГ, когда поверхность оставшегося небольшого объема не будет деформироваться даже очень малыми пульсациями, горение будет идти с нормальной скоростью им — — и«. Масштаб пульсаций, влияющих на поверхность горящей смеси ЛГ, очевидно, пропорционален ее размеру. Для учета локальной структуры турбулентности и обеспечения устойчивости пламени предположим, что текущее значение им изменяется линейно от им, до им„при уменьшении текущего размера 1м от 1, до нуля: и„=- >«» ~ 1ми>'11» Время горения объема смеси ЛГ найдем по уравнению его сгорания — Лм = им Нт. Подсгавляя им и интегрируя, получим время распространения пламени по элементарному объему ЛГ 1о ~ ап>«1м .1- 1о т = —,)п «О Полное время горения смеси ЛГ (до значения 1м = 0) гм (1»ш))п(1 1 а 1' В полученном уравнении не учитывается увеличение и» при уменьшении (сгорании) объема ЛГ в связи с ростом температуры смеси, что особенно важно при малых размерах системы и небольших значениях и„.
Учесть это можно, например, принимая и» вЂ”вЂ” — и«, + Л (1 — 1М110), где Л = и„, — и„,, и„, и и«« — нормальная скорость распространения пламени соответственно в начальный и конечный моменты времени горения смеси элементарного объема. Исследования показывают, что скорость и„ пропорциональна квадрату температуры смеси Т„ т. е.
и„, = и„„ (Т»«1Т,)», причем температура Т,„ будет близка к температуре конца процесса горения. Тогда им = и„, + Л (1 — 1м11,) + и>'1м11, =-- ц,, -(- Л + (ю' — Л) х >с 1м11, = и„, + (ш' — Л) Ы1,. Время распространения пламени по объему ЛГ го "а + т=,' !п Ф вЂ” и«, (а>' — а) 1м1>а а полное время горения и„„ Среднее время существования пульсаций при ш' ) и„меньше времени распространения пламени по объему со скоростью и„. Следовательно, некоторые поверхности фронта пламени, распространяющиеся по отдельным «быстрым» объемам ЛГ, вместе с ними со- 64 нерп!аист несколько и!рот!с!цени!), пре к,се че» перейдут сш следующие «пере,!оные» элементарные объемы смеси.
!1оэтому кроме ии скорость турбулентного распространения пламени и, должна определяться еще турбулентной диффузией отдельны: ! участков фронта, их средним квадратическим перемещением за время горения в условиях турбулентности т. Согласно трактовке уравнения Тейлора это перемещение определяется выражением (см)! '-'=)с 2йп'т, тогда скорость перемещения (ус)",'т = и = ! 21ю','т Так как помимо диффузионного механизма остается и механизм распространения пламени за счет пи, действительная скорость турбулентного распространения поверхности фронта пламени и, = сси и = ии — ! 2(ш' с.
Известно, что, приняв за время горения т и полагая время смешения ти = ( сэ', приходим к зависимости и, -- ю'. Если считать т -- (,,'и„(время выгорания с сеси с!'й со скоростью пи без учета турбулентности), получим и, — ! пи!о' — 1 ю'. В условиях сильной турбулентности, принимая за время горения время полного сгорания смеси сх'и' по уравнению (30), получим и, =- пи + или, вводя условный постоянньш коэффици)/си (! ис',ии) ент А, п,,=п, (32) )С си (! с- сю', ии) С учетом сюправки на изменение ии при горении смеси сх'й, подсчитав время тм по выраженшо (31) и оставляя в качестве слагаемого и„, найдем сс си' (си' — а) ... ' (! — Х ии) пи=с!и А "1' сп (ии ', м')'и„, " ' 1х си(! и (ии — а) 'си,) (33) При ш' " ии можно приближенно змее~о (32) выразить сст = Апс' си ии а вместо (33) п,.—..
!и си' «„, Следует отметить, что временем горения принято считать период, который необходим для развития и завершения процесса горения смеси после пересечения ею передней границы фронта пламени. Это время определяет длину зоны горения, рассматриваемую как расстояние по линиям тока от осредненной начальной поверхности воспламенения до места окончания горения. В турбулентном потоке длина зоны горения должна определяться интегрированием уравнения движения горящей смеси Л., == цспс(т.
Величина шч - — это 3 с! викин со, .и. св скорость движения вторящей смеси опгосительно начальной границы фронта пламени. В общем случае величина шм меняется в течение времени пребывания смеси в зоне горения. Нахождение всех рассмотренных определяющих величин в общем виде для любого случая, конечно, затруднено. Пока имеются отдельные расчеты, выполненные для конкретных, упрощенных условий при определенных допущениях. Рассмотренные представления о механизме турбулентного горения основаны на ламинарпой или линейной (понерхностной) модели зоны турбулентного франта плаыени, Однако при очень сильно развитой турбулентности, как похазывают экспериментальные исследования, представление о поверхности фронта пламени становится условным. Появляются значительные объемы горящей сыеси, что позволило с успехом развивать объемное представление механизма турбулентного горения, основанные на том, ч ш в результате интенсивного турбулентного перемешивання химическое реагирование нс концентрируется на хаки х-то плоскостях, а распределяется по всему объему зоны турбулентного горения.
Подтверждаются и представления, развиваемые в л~аделн пульсирующего воспламенения. Здесь принимается, что в результате смешения свежей смеси и нродукгов реакции происходит воспламенение соответствующего количества исходной смеси на элементарном пути диффузии, определяемом масштабом турбулентности 1. В результате распространение турбулентного пламени определяется суммой воспламенений элементарных объемов, и скорость турбулентного горения оиазывается усредненной скоростью горения на отрезке Е и, = Етх (34) где тх — врел1я реакции при турбулентном смешении элементарных объемов смеси и продуктов сгорания, Естественно считать, что величина тх и определяет макрокннетические характеристики этого турбулентного пламени.
Предполагается, что турбулентность влияет на процесс горения через пульса. ционные скорости с масштабами, меньшими ширины зоны ламинарного пламени. Достаточно быстрое персмсшивание определяет воспламенение без больших градиентов концентрации и температуры в смеси исходных веществ и продуктов сгорания, при явном росте влияния активных центров в данной смеси. Влияние параметров исходной смеси на величину и, можно выяснить, если по аналогии с уравнением (29) принимать тх яе р/в.
Тогда тх — р ( т )ехр[Еэ()(Т)[, где по н Еа — аффективные значения соответственно порядка рсакпии н ее энергии актнвации. Следовательно, и„— р ехр [ — Еч'ЯТ)[. (аз ') р!сследоваиия показали, что с падением давления и телгпературы характеристики турбулентного горения ухудшаются: и, — уменьшается, а ширина зоны горения увеличивается.
Это обуслонлнвает увеличение размеров турбулентного факела. Из аналитических зависимостей видно, что и, и Е, зависят от ш' и и„.,величина и„для углеводородовоздушных смесей с понижением давления несколько возрастает. Таким образом, ухудшение характеристик турбулентного горения при уменьшении давления вызывается уменьшением ш". В потоке за плохообтекаел~ыми телами обычно гв (т где г« 1, гало,25. Так как и, зависит от ш' значительнее, чем от и„, то естественно уменьшение этой скорости с уменьшением давления в смеси. Расширение зоны горения (времени горения) со снижением давления связано с уменьшением ш' и ростом масштаба турбу. лептнасги 1. Влияние начальной температуры смеси на величину пг оказывается незначительным. Это можно объяснить тем, что с ростом Т 66 несмо1ря из увеличение п„(и, 7-), скорость .
»»еньшается, а влияние и)льсациониой скорости более сильное, чем и,. Заметное влияние 7' на ширину зоны горения определяется значительным глияниег на нее величины н„. Скорость распрос~ранения пламени и границы зоны горения в потоке. Используя процессы горения, очень важно знать форму и размергя факела горящего топлива. В камерах сгорания ГТД размеры зоны горения определяют форсировку и размеры всей конструкции. 7рорма и размеры факела зависят от аэродинамики потока в камере, сргапизацип подготовительных стадий горения (подогрев топлива, испарение, смешение с окислителем) и течения химических реакций. Положение поверхности фронта пламени можно определись визуальным наблюдением, фотографированием, химическим анализом газа в объеме, измерением температуры, ио характеру иоиизации газа и т. д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
