Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Изменение величины ш с давлением может быть проиллюстрировано кривой на рис. 2.19, представляющей й при Т, = 1000 К. Наклон этой кривой, соответствующий величине — ш, уменьшается с ростом давления, отражая тем самым уменьшение влияния кинетики реакций на процесс самовоспламенения ПРОСКОК ПЛАМЕНИ Явление проскока пламени свойственно всем устройствам горения, использующим топливо, перемешанное с воздухом.
Меха- 85 Элементы теории тореиия низм проскока в бунзеновских горелках детально исследован в работах [44 — 46). Для камер сгорания проскок пламени можно определить как быструю химическую реакцию, происходящую в зоне впрыска и сопровождающуюся значительным выделением тепла, что вызывает распространение пламени от основной зоны горения вверх против потока. Различают два типа проскока пламени: 1) проскок, происходящий в свободном потоке, и 2) проскок, происходящий в низкоскоростной части потока, — в пограничном слое вдоль поверхности стабилизатора, различных стоек, опор или тяг и вдоль стенок смесительного устройства камеры. Механизм проскока может включать как гомогенные, так и гетерогенные реакции 139]. Наиболее очевидный механизм проскока в свободном потоке связан с возникновением возвратных течений в общем потоке газа через камеру. Эти течения могут быть результатом срыва потока в компрессоре двигателя, значительных возмущений потока, вызванных попаданием в двигатель посторонних предметов, а также результатом вибрационного горения.
Проскок может также возникнуть и при отсутствии возвратных течений, если скорость распространения турбулентного пламени в смесительном устройстве превысит местное значение скорости газа. При использовании бедных смесей в зоне горения происходит снижение скорости распространения пламени, а остальные факторы, связанные с улучшением характеристик термодннамического цикла перспективных двигателей, такие, как высокие температуры и давления, высокие уровни турбулентности, протекание в газе предпламенных реакций из-за больших времен пребывания в высокотемпературных зонах, вызывают увеличение скорости распространения турбулентного пламени. Следовательно, скорость пламени может оказаться достаточно большой, чтобы это вызвало необходимость повышения скоростей в зоне впрыска и испарения до неприемлемо высокого уровня ради того, чтобы избежать нежелательных возмущений процессов горения.
К параметрам, влияющим на проскок пламени в пограничном слое через заторможенную трением часть потока, относятся температура стенки, структура пограничного слоя, его толщина, уровень турбулентности и распределение температуры газа по толщине пограничного слоя. СТЕХИОМЕТРИЯ Для того чтобы углеводородное топливо сгорело полностью (т. е. превратилось в двуокись углерода и водяной пар), требуется значительное количество воздуха. Так как в горении принимает участие только кислород, составляющий в воздухе 23 % 86 Глава 2 по массе (21 414 по объему), стехиометрическое отношение воздух/топливо может быть вычислено по уравнению реакции. Например, один моль гептана СГНы требует для полного сгорания 11 молей кислорода: СТНм + 11Ов = 7СОв + 8НвО Подставляя соответствующие атомные массы (С = 12, Н = 1, О = 16), получаем 100 г+ 382 г = 808 г+ 144 г.
Таким образом, для полного сгорания 1 г топлива необходимо 3,52 г кислорода, или 3,52 100/23=15,3 г воздуха. Отсюда следует, что для СГН„стехиометрическое отношение воздух/топливо равно 15,3. Нередко эту величину выражают в обратной форме, т. е. как стехиометрическое отношение топливо/воздух к. Для С7Ны стехиометрическое отношение топливо/воздух хстех равно 1/15,3 = 0,06535. Для керосина СыНы эта величина составляет 0,0676. Стехиометрические смеси по определению содержат достаточно воздуха для завершения горения, так что в хорошо организованном процессе при к„,„выделяется вся скрытая в топливе теплота сгорания. Если топливо сжигается при меньших значениях к, смесь считается бедной. Горение при к ) к«»«» характеризуется дефицитом кислорода, поэтому горение не завершается, и частично сгоревшее топливо, преимущественно в виде окиси углерода и несгоревших углеводородов, покидает зону горения.
При сравнении характеристик горения различных топлив иногда удобно выражать состав смеси через коэффициент избытка топлива ф, равный к/я» х. Таким образом, для всех топлив гр =1 означает стехиометрическую смесь; значения ф ( 1 соответствуют бедным смесям, а значения ~р ) 1 — богатым. АДИАБАТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЛАМЕНИ Температура пламени является, вероятно, наиболее важной характеристикой горения, поскольку она определяющим образом влияет на скорость химической реакции. Термин «температура пламени» может означать как измеренную величину, так и вычисленную. В последнем случае это обычно адиабатическая температура пламени, т. е. температура, которой пламя достигло бы, если бы вся энергия, высвобождаемая в химической реакции превращения свежей смеси в продукты сгорания, полностью расходовалась на нагрев этих продуктов.
На практике тепло из пламени теряется излучением и конвекцией, так что адиабатическая температура достигается сравнительно редко. Тем не менее она играет важную роль в определении полноты сгорания топлива и в тепловых расчетах. В высокотемператур- 87 Элементы теорни торення ных (выше -1800 К) пламенах происходящая в значительных масштабах диссоциация продуктов сгорания поглощает много тепла. Можно было бы ожидать, что сгорание стехиометрической или бедной смеси при низких температурах даст только СОт и НтО, но при высоких температурах эти вещества сами по себе нестабильны и частично превращаются в более простые молекулы, атомы и радикалы: СО, Н„О, Н, ОН.
Энергия, заключенная в продуктах днссоциации, значительна, и это приводит к существенному снижению максимальной температуры пламени. Явление диссоциации заметно усложняет вычисления температуры пламени. Так, чтобы 'вычислить уменьшение температуры из-за днссоциации, надо знать действительную температуру пламени, но она как раз и определяется величиной указанного уменьшения. Поэтому приходится решать большое число балансных уравнений, что делает вычисления громоздкими; однако они легко программируются для ЭВМ. факторы, влияющие иа адиабатическую температуру пламени Наиболее важными факторами, влияющими на адиабатическую температуру пламени, являются величина отношения топливо/воздух, начальная температура, давление и степень загрязнения воздуха на входе продуктами сгорания. Отношение топливо/воздух.
Изменение величины адиабатического подогрева газа в пламени при изменении величины х показано на рис. 2.20 — 2.22. Расслоение кривых, относящихся к разным давлениям, в области составов, близких к стехиометрии, происходит главным образом из-за влияния диссоциации прн высоких температурах. Кроме того, диссоциация вызывает небольшое смещение максимума температуры в сторону богатых смесей; для углеводородов типичным следует считать положение максимума при ~р = 1,10.
Начальная температура. Повышение начальной температуры воздуха приводит к повышению температуры пламени. Но, как видно из рис. 2.23, соответствующий прирост температуры пламени составляет только половину прироста начальной темпера'туры [47]. Рис. 2.23 иллюстрирует связь между температурой пламени и начальной температурой для стехиометрической смеси. В рассматриваемых условиях диссоциация продуктов сгорания является существенной. Меньшее по сравнению с начальной температурой повышение температуры пламени объясняется тем, что часть энергии топлива остается в продуктах диссоциации, главным образом в СО и Нт.
Давление. Зависимость температуры пламени от давления и от начальной температуры важна в инженерном плане, вв Глава ? поскольку испытания камер сгорания часто проводятся при параметрах, отличающихся от натурных. Давление в испытаниях может быть как ниже, так и выше моделируемого, а темпера- 2000 1500 - /ооо < 500 а оо/ 0,02 005 оо. ооб ооб аоу ооа ш Рис.
2.20. Зависимость адиабатического подогрева газа в пламени от вели. чины отношения топливогвоздух. Топливо ЗР4, низшая таплотворная способность 45.55 Мдж/кг. 20 5ОО о оо/ . ооз ооз доо ооб аоб оау ооа Х Рис. 2,21. Зависимость адиабатического подогрева газа в пламени от величины отношения топливо/воздух. Топливо ЛРВ, низшая твплотворная способность 43,05 Мдж/кг.
тура воздуха на входе в камеру также может быть ниже,' чем в натурном двигателе. Влияние давления на температуру пламени показано на рис. 2.24. С ростом давления при неизменной начальной температуре происходит повышение температуры пламени. Эту зави- Элементы теории горения симость можно объяснить, анализируя уравнения диссоциации Н20 и С02.' 1 Сов ~ ~СО + — Оо 2 ! но — н,+ — о, 2 Нло и=и — На+ ОН 1 2 и т. п.
Во всех случаях при диссоцнации происходит увеличение суммарного количества молей продуктов реакции. Физика тер- 200 маа ~ 1000 Баа 0 001 002 005 004 005 006 007 006 ж Рис. 2.22. Зависимость адиабатического подогрева газа в пламени от величины отношения топливо/воздух. топливо огв2, ииажаа теплотвориая способиоств 42,55 мдж/кг. Рис. 2,24. Влияние давления на температуру пламени стехиометрическоа смеси 1471 Рис. 2.23. Зависимость температуры пламени стехиометрической смеси от температуры на входе в камеру 1471.
Топливо Лее А, Р 2,5 Мпа. модннамического равновесия такова, что повышение давления вызывает сдвиг реакции в сторону меньшего. числа молей, т. е ВО Е 260 о 260 Я 2400 Я ~~ 2200 400 600 600 1000 ал ° „Вааа сг 2600 о 2600 с1 и ф 2400 ~ 22аа 0,1 ОД 1,0 1,6 2,0 2,6 Давление, МПа 90 Глава 2 уменьшает степень диссоциации. Увеличение содержания СОг и Н,О в продуктах сгорания означает меньшие потери тепла на диссоциацню и, следовательно, более высокую температуру пламени. Балластирование воздуха продуктами сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
