Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Скорость газа в ЗОТ с увеличением скорости потока возрастает, причем более интенсивно при отсутствии горения. Как уже отмечалось, прп гсреньп ЗОТ в основном заполнена продуктами сгорания, поступшощими пз пзе в прямой поток зоны циркуляции, а затем вследствие интенсивного турбулентного обмена— в основной прямой поток. Это приводит к заметному подогреву основного потока на границе с зоной рецпркуляции.
В свою очередь, из прямого основного потока в процессе турбулентного перемешпвания в прямое течение зоны циркуляции около стабилизатора поступает горячая смесь, а на удалении от него — продукты сгорания. На рис. 39 дана картина течения на режимах, достаточно близких к режиму бедного срыва, когда а .= 0,9ссша,.
В этих условиях процесс горения в основном потоке идет на значительном удалении от стабилизатора. При обогащении смеси топливом фронт горения приближается к кромке стабилизатора благодаря повышению температуры газов в ЗОТ и интенсификации процесса подогрева смеси. Значительное обеднение смеси приводит к резкому понижению температуры газа в зоне обратных токов, и может наступтпь момент, 'гу 75 Рис. 39. Исследование характеристик уголкового стабилизатора: ! — поило; 2 — граница «дра струи; 3 — стабилизатор (а = 60, 6 =- зо млп; 4 — основной прямой поток бснзпио-воздушной смеси, а = 1,5.
1,6; 5 — граница зоны рсциркулации; 5 — првммс течения зоны рациркулкции: 7 — границы линий тока: 3 — граница Зот; 3— обратные те!сини зоны рсциркулкцпи; !О п !! — течение баз горенки, ш соотвстствспно 34,5 з!М !3 — !7 — тгчснис прп гаранин, го соответственно ЗО; 51, 74,3; 105; 1ЗО; 170 мгс ф' е. когда полученной от ЗОТ теплоты будет недостаточно для воспламе. ненни смеси. Тогда горение в основном потоке смеси прекратится, хотя в пря.ипг потоке зоны циркуляции опо еще може~ существовать. Лальнейшее даже небольшое ооедненпс смеси уже приведет к полному сргяву фронта пламени.
С увеличением размеров стабилизатора улучшаются условия стабилизации. Зависимость эта несколько отличается от прямой пропорциональной (условия стабилизации улучшаются несколько медленнее). Причинои улучшения стабилизации является определеппьш рост размеров ЗОТ при увеличении размеров стабплпзазоров, в результате возрастает скорость обратных течений и увеличивается количество теплоты, которое передается горючей смеси. По данным исследований, коэффициент а избытка воздуха и характеристики турбулентносги существенного влияния па размеры ЗОТ не оказывают. Интенсивность турбулентности в зоне обратных токов при холодных продуктах и горении примерно одинаковая и почти не зависит от турбулентности наоегающего п<нока. Однако рост начальной турбулентности, так же как и скорости набегающего потока, приводит к ухудшению срывных характеристик стабилизатора.
В закрытых потоках (каналах, трубах и камерах сгорания) процесс стабилизации примерно такой же, что и при горении в свободной струе, Оказывается, что скорость распространения турбулентного фронта пламени примерно прямо пропорциональна пульсацпонной составляющей скорости потока и почти пе зависггт от средней частоты турбулентных пульсаций, а следовательно, от масштаба турбулентностй. С увеличением угла раскрытия стабилизатора р возрастает интенсивность турбулентности, что ведет к «раскрытию» фронта пламени, в результате чего ускоряется процесс выгорания смеси.
Увеличение начальной турбулентности потока также приводит здесь к большему раскрытию фронта пламени и более интенсивному тепло- выделению по длине камеры сгорания. Лля снижения потерь давления и ускорения раскрытие фронта распространения пламени в поперечном направлении целесообразно использовать не один стабилизатор больших размеров, а несколько рассредоточенных по длине камеры (эшелонированных) стабилизаторов 1 — 3 (рис. 40).
Такая расстановка стабилизаторов позволяет факелу более полно занять поперечное сечение канала при меньшей его длине, при этом снижается коэффициент загромож- 6. дения сечения, а следовательно и потери давления. Е Варьируя величинами 1., и, Ь, г и углом конусности (в, можно за- метно уменьшить длину зоны гоч х рения и снизить потери давления.
Каждый стабилизатор системы, естественно, влияет на поток за Рис. 40 Схеага рассредоточенного (ашелонироваиного1 сгаоиаизагора Рг!с, 11, С,.", и ииисиеиии поверии!.с!и фропги спиисии при рос!с с!.орос!и погоии горо,си о!есп >!р> Гнм стабн1л,>зато!)Нм. Так, нап))1м!е)). передние г))анпцы ф))онта нла)!енн отдельных стабилизаторов вместо положения 4 в общей системе зай)!) т поло;кение >. Это объясняется в частности изменением конфузорностн )счс!шя при конкретных значениях й и и.
Отмечено, что взаимо!ействпс двух турбулентных следов, один пз которых имеет больпше размеры масштаба н интенсивности турбулентности, приводит к росту этих характеристик во втором следе. Положения теории стабилизации фронта пламени. Характерное изменение ногер;ности фронта пламени с ростом скорости потока горючей смеси нри стабилизации пламени пластиной показано на рис. 4Е Прн умеренных скоростях и, потока конус пламени заметно расширяется )раскрывается) по ходу потока.
Рост скорости до величины ш, обусловливает заострение конуса пламени, увеличение длины выгораппя смеси. По мере приближения скорости течения к ее значению ши прн срыве появляется характерный пережим в конической поверхносги. Прн дальнейшем увеличении скорости до аз пережим смыкается, Это еще не полный срыв пламени, горение продолжается в очень ограниченной области непосредственно в рециркуляционной зоне за стабилизатором, однако поток смеси в целом уже ие зажигается н не выгорает. Объяснить это можно в основном сокращеннем временп контакта гор!очей смеси с газами зоны обратных токов. Интенсификация течения, в том числе в ЗОТ, приводит к интенсивному о~бору теплоты от образующегося у кромки стабилизатора пламени в зону обратных токов раньше, чем горение успеет распространиться на весь поток. При еще больших скоростях набегающего потока наступает и полный срыв фронта пламени.
Следует отметить. что пока еще не установлен единый подход к вопросам теории процесса стабилизации поверхности фронта пламени, Так, например, можно исходить из анализа соотношения между временем контакта элементарного объема свежей смеси с горячичи продуктами сгорания зоны обратных токов (время пребывания смеси тии) и времене ! т„горения данного объема. Если время контакта смссн с горячичн продуктами сгорания, обеспечивающими высокий тс>!Не!)Н) П)ный ) ровень реакции, меныие воеменн, неооходимого ,шя гонон!я !о устойчивость пропесса невозможна, произойдет !)З срыв илам!ени. Следовательно, должно выполняться условие т„!,т,, ) !, чтобы получить надежную стабилизацию пламени.
Из результатов экспер!гчеитальных исследований следуе~, что размеры зоны обратных токов за стабилизатором пропорциональны определяющему размеру д. Смесь в таком объеме будет миновать эту зону в различные отрезки времени в зависимости от скооости потока ьэ. Значит, величина т„„- д„то. Отождествляя время горения со временем течения химической реакции т, при нормальном рас !ространеиии фронта пламени, что конечно условно, получим т,. — а и,, (а — коэффициент молекулярной температуропроводностп). На границе срыва отноп!сппе т„„'т,.
г(,,„и„-'(ша) =.= М! == =: сонэ(, названное критерием Михельсона, должно быль порядка единицы. Де!!ствителш!ый процесс горения обычно достаточно достоверно описывается при рассмотренном подходе, особенно при умеренных числах )се и бедных смесях. Критерий стабилизации Михельсона можно представить следующим образом: Юш =- сонэ( а'и,'*, = !" (а). Это соотношение, определяемое составом смеси, удовлетворительно характеризует пределы стабилизации.
Рассмотренный подход касался в основном аэродинамики и кинетики процесса горения, и лишь косвенно отмечалось влияние теплового фактора. Однако срыв пламени можно непосредственно определять по нарушению теплового баланса процесса воспламенения смеси. Так называемый тепловой срыв действительно определяет характерные срывные границы работы стабилизаторов, особенно резко по мере уменьшения его определяющих размеров. В зависимости от вида топлива и концентрации его частиц в смеси с окислителем положение срывных пределов изменяется. Некоторые исследователи, основываясь на тепловой стороне явления, развивают следующие теоретические положения. Так, например, количество теплоты д!, необходимое для воспламенения потока горючей смеси, проходящей вдоль зоны обратных' токов, пропорционально скорости потока и, разности между температурой воспламенения Тв и исходной температурой холодной смеси Т„ толщине зоны подогрева 6„, плотности р и удельной теплоемкости с„ смеси, т.
е. 7, = шб„рср (Тв — Т,). Из теории нормального распространения поверхност!! фронта пламени величина 6„ = а,'и„ = = Х1(с„ри„), где Х вЂ” коэффициент теплопроводности смеси. Следовательйо, д, — (юХ'и„) (Тв — Т„). Количество теплоты !),, передаваемое холодной смеси из ЗОТ, определяется размерами зоны, разностью температур Т„ горячих продуктов сгорания ЗОТ и Т, холодной смеси и коэффициентом теплоотдачи а. Размеры ЗОТ, в свою очередь, зависят от характерного размера стабилизатора. Таким образом, д, аг( (҄— Т,). Можно пола~ать, что температура Т„продуктов сгорания, заполняющих ЗОТ, равна температуре горения смеси данного состава.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
