Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В последнем случае ее можно уменьшить, добавив к газу, вытекающему из горелки, некоторое количество воздуха (окислителя) нли увеличив турбулентность потока даже без изменения скорости истечения. Согласно результатам экспериментов, проводимых в камерах сгорания, длина пламени в них изменяется примерно обратно пропорционально коэффициенту а избытка воздуха в исходной смеси. Например, при увеличении отношения расходов топлива к воздуху в 2 раза длина пламени возрастет примерно во столько же раз. Стабилизация поверхности фронта пламени. Удерживать фронт пламени в определенной зоне канала, обеспечивая устойчивое горение смеси, движущейся со скоростью, превышающей скорость распространения пламени, возможно только при выполнении условия непрерывного воспламенения смеси.
Если постоянный искусственный источник зажигания отсутствует, то для обеспечения стационарного фронта пламени в потоке должна существовать зона, в которой тем или иным образом достигнуто равенство направленных навстречу скоростей движения смеси и распространения фронта пламени. Эта зона будет служить источником зажигания, от нее будет создаваться поверхность всего фронта пламени. Рис. 34. Изт1енеиис высоты пламени й в зависимости от скорости истечения смеси м ири различных режимах горения: 1 — лаиииариь|а; 11 — псрсаохиыи, 111 разлить В ту рбулсити на: 1 — обитая аисота плаисии; 2 — ар*ипил турбулситиости 86 Рис.
35. Схема мехаиизхм стабилизации иоасрхиосзи фраата пламени Схема механизма стабилизации поверхности фронта пламени при горении однородных стехиометрическнх горючих смесей, вытекающих из горелки в неподвижный воздух. показана на рис. 35. Внутри трубы скорость ии смеси уменьшается от осп к сгенке. В сечениях за горелкой у стехнометрпческой или обедненной смеси величина и,, будет уменыпаться и к периферии пограничного слоя вследствие перемешпвания с холодным воздухом. В обогащенной смеси по мере ее смешения с воздухом на шцрине пограничного слоя до стехиометрических концентраций скорость и, будет возрастать, а затем начнет снижаться. В действительности горение смеси прекращается не на внешней границе пограничного слоя при иа = О, а несколько раньше (штриховые части кривых и„и и,).
В сечении 1)' — 1)' эпюры скоростей ии и и, касаются в точках 1 по окружности. Аналогичное касание эпюр скоростей в точках 4 будет и в сечении Г1 — 'и'1. В сечении )х — $' имеем ш =- ии нли ~оси = и„в двух точках 2 и 3; между этими точками скорость течения ш ( и, (и,). Такое же соотношение скоростей сохраняется во всех сечениях между сечениями 1à — 1)х и )'1 — И вЂ” это зона проскока Рие. Зб Огзразоваиие иоиерхиоети фраата илачеии к аа газовой горелкой | а пламени. Зона проскока пламени ограничена поверхностью 1 — 2 — 4 — 3 — 1 равных скоростейй ив (и „) и ьр (гц и). На рис. 35 эпюры и„п и, условно направлены в одну сторону со скоростью потока ш.
После зажигания смеси в любой точке зоны проскока пламени, гле ии (и,) ) ш, фронт пламени переместится навстречу дврг>кущейся смеси со скоростью ии — ю, а затем установится стационарное горение смеси, причем начальными точками поверхности пламени, а в дальнейшем точками зажигания у,,—.~ . ,', д будут точки 1, расположенные на расстоя- à — — нни !., от устья горелки.
Стационарный - '- — -1 фронт пламени можно получить также, поджигая смесь ниже сечения !)г — !у, так как сносимое потоком пламя подойдет к точкам 1. Случайные нарушения рассмотренной схемы механизма стабилизации приводят к колебаниям или смещению зоны проскока пламени, а следовательно, к смещению всего фронта пламени. При исчезновении зоны проскока пламени поверхность фронта будет снесена потоком. Рассмотрим механизм образования всей поверхности пламени от сечения 1)г — 1)г, в котором находятся передние точки 1 поверхности пламени (рис. Зб).
В неподвижной горючей смеси после ее зажигания, например в точках 1, пламя распространяется сферически к оси горелки (штриховые дуги окружностей). При этом фронты пламени (сферы) смыкаются в точке А. Очевидно, что по мере приближения сферических фронтов пламени к точке А их скорость будет увеличиваться вследствие более интенсивного прогрева центрального объема и возрастания скорости пи. В движущейся горючей смеси сферы пламени сносятся потоком вверх и они могут сомкнуться на осп в точке Б. При равномерном поле скорости ш по сечению горелки и ии =- сопз'г фронт пламени будет представлять собой правильный коичс.
В действительности поле скорости ш неравномерное и величина и„ больше у вершины конуса (в результате интенсивного прогрева) и меньше у основания (за счет влияния холодной стенки), поэтому конус пламени будет закруглен. Рассмотренный механизм стабилизаппи поверхности фронта пламени в пограничном слое в чистом виде можно использовать в основном при рассмотрении процесса горения в небольших газовых горелках при малых форсировках процесса. В камерах сгорания ГТЛ с сильно турбулнзированным режимом течения при значительных форсировках раоочих объемов нужны более мощные источники зажигания (стабилизапии).
Поэтому наряду с механизмом пограничного слоя рассматривается термическая яя рециркуляцпи газов. Оиа заключается в том, что к коршо факела до точки стабилизации от конечной части зоны горения возвращается часть раскаленных продуктов сгорания, передающих теплоту горючей смеси и обеспечивающих ее зажигание. Термическая рецнркуляция основана на аэродинамической рециркуляции (рпс, 37): за плохообтекаемыми телами образуется зона обратного течения части потока. Стабилизация пламени с использованием плохообтекаемых тел позволяет обеспечить в камерах сгорания устойчивый процесс горения в потоке, движущемся с большой скоростью (200 м7с и более). На задних кромках плохообтекаемых тел появляется срыв потока, а за ними — область пониженного статического давления в приосевой части обьема, куда из периферийных участков зоны горения устремляются продукты сгорания, которые у выходных кромок плохообтекаемого тела эжектируются струями, обтекающими его.
Продукты сгорания перемешиваются с холодной смесью, подогревают ее, зажигают и обеспечивают эффективное горение. В качестве плохообтекаемых тел используются пластины, стержни, конусы, уголковые (хг-образные) профили и др. На рис. 37, а представлена схема потока, обтекающего конус, за которым возникает зона Л циркуляционного течения Е Благодаря разрежению в прносевой части за конусом часть 6' основного прямого потока отклоняется в зону обратных токов В (рис.
37, 6). На рис. 37, и показана эпюра осевой скорости для сечения, проходящего через зону обратных токов В. Размеры цнркуляционной зоны Л и зоны обратных токов В зависят от скорости потока и определяющего размера плохообтекаемого тела, которым для конуса б)дет диаметр его основания г(. В потоке за телом, например от сечения 0 — и до )†(, на внешней поверхности зоны обратных токов В также создается пограничный слой, который приближенно можно рассматривать как плоскопараллельный пограничный слой свободной струи.
На линиях тока в зоне большого градиента скоростей прямого течения всегда сугцествует скорость Пз = Пе ДЛЯ СМЕСИ ДаННОГО СОСтаВа. ЕСЛИ ЭтО РаВЕНСтВО СКОРОСтЕй достигается в точках а пространства В, то от них начнется косой фронт пламени В, наклон и протяженность которого будут зависеть от состава смеси, скорости потока н размера тела.
1 "з 'а е7 рис. 37. Схема ссабиаизации алексии за коиусом ма Рнс, ЗЬ 3; висимос и скорости гготока снеси пропав-пропилелы с воздухом, при которой протходв г срыв фронта пламени, от,гггалгсгра о' основания конического стабилизатора и коэффициента ол избытка воздуха: à — и .-. и лллл; 2 — И = 6,7 мм; 3 — И = 11 мм; 4 — б = 13 мм, допаяннтеяылня турвузнзацня потока По результатам эксперимента для данного плохообтекаемого тела и определенного состава горючей смеси механизм стабилизации действует лишь до определенных пределов, например по скорости набегающего потока. На рис. 38 показаны характерные зависимости скорости ш потока смеси пропан-пропилена с воздухом, при которой происходит срыв фронта пламени, от диаметра с(, основания конического стабилизатора и коэффициента а избытка воздуха.
Аналогичный аффект стабилизации фронта пламени, начиная от точек А, можно получить, закручивая поток на входе в зону горения (жаровую трубу) камеры сгорания лопаточным завихрителем. За лопатками в расширяющемся канале закрученный поток устремляется к периферии, образуя вблизи оси из-за пониженного здесь давления ЗОТ. В камерах сгорания ГТД в зону горения вводятся обычно раздельно потоки воздуха и топлива, что значительно усложняет весь процесс. Однако если перед лопаточным завихрителем или сразу за ним в воздушный поток подать топливо и одновременно осуществить зажигание (можно в зоне проскока пламени), то возникшая у внешней границы зоны реакция горения образующейся здесь же смеси в дальнейшем постоянно будет служить источником зажигания новых порций подтекающей смеси с распространением фронта пламени на весь поток. Топливо в зону горения камеры сгорания подается форсунками.
Полый конус топлива должен, выходя из сопла форсунки, войти в поток воздуха около внешней границы ЗОТ, Большой градиент скоростей способствует интенсивному перемешиванию топлива с воздухом, а соответствующие условия обеспечивают стабилизацию возникшего после зажигания факела. Важные результаты получены при анализе экспериментальных исследований стабилизации пламени в условиях, близких к рабочим в камерах сгорания ГТД, Рассмотрим схему течения за хг-образным (уголковым) стабилизатором 3 в ядре свободной турбулентной струи, вытекающей из сопла 1 (рис.
39). Линия б ограничивает зону циркуляции, вне которой течет основной прямой поток со скоростью ш, Границы линии тока 7 ограничивают струйки равных расходов прямого течения зоны циркуляции. Границей между линиями б и 9 (обратного течения) служит линия 8 нулевых скоростей (граница ЗОТ). В зоне циркуляции 5 расход газа, движущегося в прямом направлении, равен расходу газа обратного течения в ЗОТ.
Положение границы ЗОТ течения без горения и при горении различное и зависит от скорости потока смеси, ее состава, характеристик турбулентности, формы и характерного размера (т стабилизатора, угла ~) и др. На рпс. 39 показано изменение положения границы ЗОТ в хо- 90 лодном потоке воздуха и при гореп111 бснзино-воздушной смеси с сс =- 1,50.1,6 в завис1гиости от скорости течения. Прп отсутствии горения (лупппг 10 и 11) размеры зош! ! братных токов существенно меньше и мало меняются прп изме!'гнпп сгоростп потока. Прн ГОРЕНИИ (СПЛОПЗНЫЕ ЛИНПП 12 — !7) С рОСтОМ СКОргетн Ш дЛИНа и ширина ЗОТ заметно увеличивается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
