Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Нсустои швое горение: и — пост~свили подвил тоипивс; а — срыв пи~гол! х Х 71 гарксчего В потоке няжс форсунок О ' ' 77 дс2 б паля концентраций топлива по сечен) нняч будут периадичегки меняться, что может вызвать колебательный характер у ' 'сы;„;:, ! л. горация, связпяный с колебаниями 3" ! ' масс газа в камере. д ' а р 3. Прн периодических колебаниях расхода воздуха, поступжощего в зону горения, здесь может возникнуть колебание каэффнпиепта а, избытка воздуха. Частота колебания будет совпадать с частотой колебаний масс газа в камере, т.
е. колебания будут иметь акустическую частоту. Так, если в сечении Π†Π(рнс. (29. а) находится коллектор с форсупкачн, а скорость течения воздуха вследствие акустических колебаний потока меняется, то в этом месте попеременна образуется то богатая, то бедная гор~оная смесь. При движении ее к зоне горения 6 со средней скоростью шд появится волна вози;ущения длиной Х = = штт' (т' — период акустических колебаний). Если в начальном сечении зоны горения (! †!) скорость течения не изменялась, то период колебаний системы здесь будет равен т' = л!шы т. е.
колебания с акустической частотой величины мг в смеси перед зоной горения обусловят колебания процесса горения. 4. При периодических вихреобразавапнях в каналах ка ~еры сгорания впав~ажно совпадение их частоты с частотой акустических колебаний газовых масс. Тогда, попадая в зону горения, вихри систематически возмущают и выделение теплоты и поверхность фронта пламени. Схема процесса такого рода показана на рнс. )29, б. Выступающая деталь, стойка, заусенец и т. д. порождают серию вихрей, поступающих в зону горения 6 (верхняя часть рнс )29, б). Йа нижней половине показана схема устранения этого явления с помощью спрнмля~ощей сетки С. Срыв вихрей возможен и с кромок стабилизаторов камеры сгорания.
Хаотиче. ское вихреобразование здесь при возмущении колебаний газовых масс может перестраиваться, переходя в периодическое с частотой акустичесних нолебаний. Исключить вихреобразованне люжно, улу!шая аэродинамику входных каналов, устраняя объемы, дающие резкий диффузорный эффект, лишние выступающие части, плохообтекаемые тела. Все эти мероприятия способны сразорвать обратную связы, определяющую автоколебательный процесс. Предупреждение вибрационного горения облегчается тем обстоятельством, что для самовозбуждения нолебаний нужна не любая обратная связь, а лишь та, которая обеспечивает необходимые амплитуды и фазовые соотношения. Так, например, в рассмотренном примере (рис. )29, б), смещая топливный коллектор (сечение Π— О) по оси х, можно изменить фазы поступления различной смеси в зону б и тем самым устранить колебания процесса горения.
Возможно, например, воздействие на амплитуды 6!е и 6ю„ сводя их н достаточно малым величинам. Несмотря на неизменность механизма обратной связи, колебания устраняются. Некоторые исследования показывают наибольшую действенность такого способа, особенно тогда, когда существо механизма выяснить трудно. Применительно к схеме рис. !29, б этот способ можно реализовать, например, Рассредоточением зоны горения. Если создать зону горения не по схеме! — 7 —: П вЂ” Н, а разделить ее (например, двумя н более стабилизаторами), предположим, на две зоны с передними границами в двух сечениях на расстоянии О,бй, то характер гоГения изменится.
В хсомент, когда в первом сечении сгорает бедная смесь в зоне втоРого сечения находится и горит богатая смесгь и в результате схема горения приблизится к невозмущенному процессу. 5. При колебаниях масс газа давление, скорость и температура смеси также могут иметь периодические составляющие.
Известно, что скорость нормального Распространения фронта пламени и„ зависит от р и 7', а турбулентная скорость распространения и, и от щ. Колебания скорости распространения пламени непосредственно влияют на устойчивость процесса горения. 6. Прн колебаниях газового столба и соответственно поверхности фронта пламени сам фронт пламени имеет значительные ускорения. очень сильна влияющие на 2Н важнейшие характеристики процесса горения. Кроче того, поверхность пламени можно рассматривать как поверхность раздела сред различной плотности (холодная горючая смесь и горячие продукты сгорания), способную образовывать гравитационные волны.
Зги волны бывают устойчивыми, если ускореш|е действует в сторону более плопюй среды н неустойчпвычн прп действии в сторону менее плотной среды. Неустойчивость данной поверхности раздела сред приводит к интенсивному волнообразовашпо в системс. В зоне горения )скорение элементов поверхности фронта пламени периодически меняется по напранлешпо, сказываясь на голожении н площади поверхности фронта пламени, что, естественно, может привестц к периодическим возмущениям действующей скорости распространения поверхности фронта пламени в системе акустических колебаний масс газа 7. Прн наличии >юточипка зажигания (форкзчера, дежурная горелка и др.) процесс воспламенения горючей смеси может периодически прерываться, если средняя скорость потока вместе с колебательной ее составляющей, вызваннои, например акустическими явлениями, будет превышать критическую скорость срыва пламени.
Когда скорость потока превысит это значение, фронт пламени оторвется от источника и прн восстановлении умерепнов скорости теченвя создастся новая поверхность пламени. Повысить устойчивость процесса горения в таком глучае можно повышением мощности источника зажигания. Рассмотренные примеры нс исчерпывают псе возможнь;е случаи появления обратных связеи, способных при наличии исто шиков энергии приводить к автоколебательным процессам, определяющим неустойчивость горения в камерах сгорания ГТЛ.
Отдельные примеры и рекомендации по устранению неустойчивости горения можно дополнить некоторыми общими, чаще всего качественными, основанными на результатах практики. Низкочастотная неустойчивость процесса горения свойственна установкам, работаюгцим с низким давлением подачи топлива и небольшим давлением в камере сгорания. При увеличении давления в камере низкочастотная устойчивость системы повышается, но параллельно развиваются колебания повышенной н высокой частоты, чему способствует, например, уменьшение времени запаздывания. Отмечено, что частота колебаний в отдельных трактах, обычно соответствует частоте колебаний давления в камере.
Частота колебаний увеличивается с ростом эффективной длины установки (камера сгорания), однако не при любых режимах и параметрах работы. В области высоних частот при определенном составе смеси с ростом длины камеры сгорания устойчивость повышается, а частота колебаний понижается, Такие несколько противоречивые данные, конечно, могут быть следствием и недостаточной изученности данного явления.
Объяснить это можно, как отмечают большинство исследователей, влиянием состава смеси, вида топлива и элементов конструкпин (например, горелочного устройства) на форму и характер колебаний. При различных длинах канала, особенно малых, зоны вибрационного горения (высокочастотные колебания) могут иметь разрывы, чередуясь с зонами устойчивого горения.
В каналах большой длины отдельные зоны могут сливаться в одну зону неустойчивого горения, состоящую из участков колебаний различной частоты. Следует отметить такое явление: впрыскивание воды в поток воздуха перед камерой сгорания повышает устойчивость процесса. Устойчивость повышается также при более интенсивном вводе боковых струй воздуха и значительной перфорации (большом числе отверстий и выштамповок, особенно продольных) по длине жаровой трубы.
Здесь наряду с эффектом рассеяния имеет место значительная неодноролность полей температуры и скорости, что дифференцирует течение процесса в отдельных объемах системы газового потока. Пульсационные режимы с низкими частотами (единицы и десятки герц), но со значительными амплитудами колебаний, приводят к колебаниям потока, длины и яркости факела вплоть до срыва пламени, сопровождаются звуками низкого тока, могут вызвать колебания установки н мощности ! ТЛ и даже разрушение конструкцкн.
24з Дш шшо«очзсготьых олебашш с меиьшими змплпгушми ха)за«зорим зв>ки высокит тонов (визг). оип могут приводить к тем же «сирию ьым последствиям Колебаиш~ давления заметно >вели швают средисе гидравлическое сопротивлеииа камеры. об>словлиьая даже перераспределе: ие пото«ов по отдельным каиалам. Зги колебашгя вместе с колоб: ш ячи скорости иар>чпзют тсчеиие в пристенных зоиах (деформируя ззградителы.ье потоки отлаждшощего воздуха) и ухудшают охл:о«дспие степок жа, свой тртбы.
Обы шо п( и вибрациоииых режимах горелая температура отскок пов пз естся ьа 100- 000 К Б >словиях высокочастотиых колебзиии итиболсе харакзерпь: случаи разгхше,шя ст вибраций отдельных частей и уз зов устаиовок: жаровых труб, . крапов п других деталей камер сг.
рация, а также лопаток турбины и двигателя целиком Наряду с иеирияп;ыми иослелствы ми высокочастотные колебания оказывают поло кительпое влаяиие иа длииу факела, при колеоаииях оиа несколько сокращается и пл,шя имеет более яркое сиечеиие (обесц1 е п.вается). Зто можно объяснить иитеисификацпей процессов тепло- и массообмеиа а зоне горения, вызванной колебаииями газовых масс. По-видимом>, такое явление может быть использовано для повышения зффсктивиости топливосжигающих устройств. Однако в камерах сгораиия пока неустойчивое гореипе приводит к ухудшеиию рабочего процесса, >сложиепию условий зксплуатации и сиижеиию надежности конструкции. Основные мероприятия, повышающие устойчивость горения пли исключающие режимы возникновения колебаний, следующие: !) повышение мощности источника воспламенения (дежурног.о факела, систе>.ы стабилизации пламени); 2) уменьшение коэффициента избытка воздуха в зоне горения; 3) улучшение аэродинамики проточной части входных каналов; 4) впрыскивание воды (водяного пара) в поток газа (воздуха); 5) повышение давления подачи топлива; 6) перфорация стенок жаровой трубы в зоне горения; 7) изменение длины жаровой трубы и всего канала до соплового аппарата турбины; 8) изменение распределения топлива в потоке в зоне горения; 9) постановка дополнительного антивибрационного экрана в зоне горения внутри жаровой трубы; )0) рассредоточение объема зоны горения, например, уетановкой эшелонированных стабилизаторов, применением микрофакельных устройств и др.
й 18. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Так как процесс горения — это совокупность явлений химической кинетики, аэродинамики, тепло- и массообмена и т, д., то создание методов расчета горения топлива в реальных условиях, а значит, и разработка рациональной конструкции камеры сгорания, возможны только прп комплексном изучении этих явлений. Количественные результаты могут быть получены на основе методов аналитического решения с описанием в конкретных условиях закономерностей процесса горения системой дифференциальных уравнений и решением этой системы в конечной, интегральной форме. Такая методика известна, но, к сожалению, вследствие недостаточной разработанности теории горения широкого использования не имеет, Таким методом удаегся пока анализировать то;(ько отдельные конкретные случаи 246 уравнение теплового обмена (16 0) !',1, =- б!ч (2.
ягас( 0) — б!ч (спрп0); уравнение движения вязкой жидкости гад!т = Š— р ' лгал р + чЛ'а -! (ч!3) ягаб йч и, (!6!) где ш, — скорость материального обмена единицы объема с окружающей средой; 11, — — скорость теплового обмена единицы объема; П; — коэффициент диффузии 1-го вещества; а; — концентрация ~'-го вещества; в — скорость потока; ). — коэффициент теплопроводности; 0 — температура; р — плотность среды; ч — коэффициент кинематической вязкости. Уравнение (!59) для данного элемента объема характеризует общее изменение числа молекул данного вещества за счет превращения, скорости течения и диффузии. Уравнение (!60) определяет суммарный поток теплоты, подводимый к объему извне за счет движения 247 и го прп некоторых условиях и )прощающих предпосылках.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
