Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 63
Текст из файла (страница 63)
В начале зоны горения на определенном отрезке ее длины располагается зона обратных токов. Через боковые отверстия по длине зоны горения рассредоточенно подаются следующие порции первичного воздуха вместе с некоторым количеством охлаждающего. Вторичный воздух в основном поступает в отверстия смесителя. Зона реакции формируется в потоке воздуха, выходящего из фронтового устройства, внутри границ раздела между отдельными потоками воздуха, например, идущего от фронта и через боковые отверстия и потоком первичной горючей смеси, подготовляемой в воздушном потоке около зоны обратных токов, заполненной горячими продуктами сгорания.
На установившемся режиме в условиях автомодельности течения топливо и кислород поступают в зону реакции в основном за счет турбулентных пульсаций. Так же регулярно продукты сгорания отводятся от этой зоны, участвуя в общем сложном течении. Внутри границ области турбулентного смешения, в том числе с участием боковых струй воздуха, происходит дробление объемов горючего и воздуха на элементарные массы, теряющие свою индивид;ельшюгь вследствие молекулярной диффузии.
Этот процесс нарастает но мере движения каждого элементарного объема. В результате внутри границ раздела образуется горючая смесь (скорее всего стехиометрического состава), которая реагирует на определенном протяжении пути, определяемом, с одной стороны, скоростями химического превращения и диффузии, а с другой — скоростью движения потока смеси. Отдельные части зоны реакции формируются в циркуляционных зонах за воздушными струями в виде обособленных горящих объемов, сносимых первичным потоком со струй втекающего воздуха. Температура факела пламени в зоне горения камеры при определенном коэффициенте избытка воздуха определяется коэффициентом полноты сгорания топлива и отводом тепло~ы к стенкам жаровой трубы.
Очевидно, что температура стенки в свсю очередь зависит от температурного уровня факела. Следовательно, в общем случае необходимо провести совместный анализ процессов смешения, горения и теплообмена. Если камеры сгорания, работающие на жидком топливе, как правило, осуществляют рабочий процесс в диффузионной области, то камеры газообразного топлива можно разбить на два типа: !) кипематические — с предварительным смешением горючего газа и воздуха; 2) диффузионные — с подачей стрчй газа в воздушные потоки зоны горения. 2вз Последние получили значительно большее распространение, В камерах сгорания, работающих по кинетической схеме, положение максимума кривой т1,, = )' (а„) связано с качеством предварительного смешения газа и воздуха.
Величина»,, помимо этого зависит от перемешивания в самой зоне горения камеры. В диффузионных камерах сгорания все определяется смешением в самой камере. Механизм смешения в камере сгорания формируется рядом факторов. Наряду с молекулярным и турбулентным перемешиванием существенное значение имеет н конвективное, управляемое конструктивными элементами горелки и самой камеры. Без специальной организации перемешивапия потоков качественное смешение за счет только молекулярной и турбулентной диффузии при малой длине камер сгорания невозможно. Принципиально структура потоков в камере при горении топлива и без горения не меняется, однако интенсивность течения и размеры, например, зоны обратных токов при горении обычно уменьшаются вследствие расширения при нагревании основного потока газов.
Этому же способствует некоторое увеличение давления в приосевой зоне при горении. В результате положительный эффект автотурбулизации, улучшающий процесс перемешивания, снижается. В общем случае процессы перемешивания при горении по сравнению с холодным течением в камере могут ухудшиться. В связи с этим увеличивается значение специально организованного конвективного перемешивания, от которого зависит общая аэродинамика камеры. Последнее, в свою очередь, определяет действительное подобие распределения концентрации и температуры в геометрически подобных конструкциях, рассчитанных по методам приближенного моделирования в условиях интенсивных течений при больших значениях критерия ке.
Очевидно, что полное математическое описание действительного рабочего процесса в камере вряд ли может быть найдено, — возможно лишь определение существа явления в самых простых и общих формах. В настоящее время, по-видимому, можно считать, что система основных дифференциальных уравнений (159) — (161) и (165), выражающих фундаментальные законы физики: сохранения материи, энергии и импульса, при течении химических реакций, определяемых конкретными кинетическими зависимостями, может дать следующий ряд критериев подобия: Ке = Ыеш; М и п или Мп = (беш (где п — показатель политропы); Ка = Ыеш; Рг, и Рг„= — Ыегп; дс;l(р."р0) = Ыеш.
Другие зависимости можно свести к соотношениям: т„/т„= = Ыеш — отношение времени испарения (для жидких топлив) ко времени пребывания смеси в зоне реакции; т,lт„= Ыеш — отношение времени турбулентного смешения ко времени пребывания; ч,lт„— отношение времени течения химических реакций ко времени пребывания. Для стационарного процесса критерий гомохронности отпадает.
Подобие полей температуры и концентрации камер сгорания газообразного топлива выполняется для одинако- 256 вых (в образце и модели) топлив, его температуре Т„избытках первичного и общего воздуха и одинаковой температуре воздуха Т, на входе в камеру, т. е. Т, = Ыеш, и„= Ыеш, ах = Ыет и Т, = = Ыеш.
Для камер сгорания жидкого топлива критерий подобия полей температур и концентраций удобнее представить в 'виде Тс где д, — теплота, выделившаяся вследствие химической реакции на единицу разности концентраций; д„— теплота, расходуемая на испарение при уменьшении концентрации вещества на единицу.
Очевидно, что для сохранения неизменным этого критерия необходимо соответствие работы форсунок, например, равенство в модели и образце углов раскрытия топливного факела р, = Ыеш. Эксперименты подтверждают, что практически при моделировании камер сгорания можно не выдерживать постоянными все указанные вьппе критерии подобия. Действительно, числа М в камерах сгорания ГТД относительно невелики, следовательно, потоки газов можно рассматривать как движение несжимаемой жидкости и влиянием критерия М пренебречь.
Современные конструкции камер, как правило, работают в области автомодельности течений, когда числа Ке = (50 —:70) 10' и более, поэтому идентичность вынужденного движения и турбулентного перемешивания осуществляется при различных числах йе и критерия Ка. Для одинаковых рабочих тел (газов с одинаковыми атомными числами) в узкой области изменения рабочих параметров в камерах сгорания и в условиях автомодельности по Ре, практически можно не учитывать влияния критериев Рг„ Рг„ и п.
Естественно считать, что подобие полей физических констант определяется постоянством отношений ЬТ~Т = Ыеш (Т вЂ” температура в некоторой точке потока, а величина ЛТ = Т вЂ” Т,.) Для этого необходимо иметь одинаковый температурный уровень в камере и ее модели, что обусловливает равенство коэффициентов избытка воздуха в зоне горения а„ = Ыет и температуры воздуха на входе в камеру сгорания Т„= Ыет.
Можно считать, что при этом будут одинаковыми и условия подвода окисл «геля к топливу. Подобие условий перемешивания газов, выходящих из зоны горения и вторичного воздуха, а в конечном счете подобие полей температур газа на выходе из камеры сгорания будет определяться отношением абаз — - я„) = Ыеш, что при а„= Ыеш означает ах = Ыеш для натуры и модели. Процесс горения в камере сгорания ГТД в соответствии с современными представлениями теории горения может быть условно расчленен на отдельные стадии: испарение (для жидкого топлива), смешение компонентов и химическое реагирование. Перемешивание, 257 очевидно, можно считать гомогенным даже для жидкого топлива, имея в виду предварительное его испарение.
Как уже отмечалось, ограничивать процесс горения !и время т,.), определяя скорость выгорания топлива, будет наиболее медленная из этих стадий. Она зависит от конструкции и параметров камеры, ее элементов, вида топлива, условий его введения в зону горения, режимов работы, характера течения потоков и др.
В итоге условиями приближенного моделирования в простейщем случае можно считать следующие: 1) геометрическое подобие; 2) топливо, Т„а,., ах, Т„, а для камер сгорания жидкого топлива еще и !), должны быть одинаковыми, 3) т„!т„= !беш. Время горения топлива в камере т„= 7(т„, т„т,,). причем т,. < (т„+ т,, + т„), это объясняется тем, что отдельные стадии процесса протекают не последовательно, а с известным перекрытием.
В форсированных камерах сгорания химические реакции протекают практически мгновенно, так как в зоне горения специально для этого создаются высокие температурные условия, в соответствии с величиной а„; средние значения температуры здесь !970 — 2170 К. При таких температурах испарение не может ограничивать суммарный процесс и, если обеспечиваются условия переноса, процесс должен протекать интенсивно. Из изложенного очевидно определяющее значение процессов смешения в сумме явлений, протекающих в камерах сгорания, а следовательно, диффузионной схемы самого процесса горения. Л. А. Франк-Каменецким было предложено деление диффузионного горения на микродиффузионное и макродиффузионное. Микро- диффузионным предлагается считать процессы горения системы, в которой топливо и окислитель представляют собой смесь малых объемов, когда смешение осуществляется не на фиксированной границе, а во всем объеме.
Макродиффузионное горение имеет место тогда, когда процесс проходит на границе больших объемов или потоков. В обоих случаях смешение осуществляется посредством турбулентности. Причем при мелкомасштабной турбулентности — в основном за счет молекулярной диффузии, а при крупномасштабной — вследствие турбулентной диффузии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
