Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 35
Текст из файла (страница 35)
щен кривой на рис. 5,6 очень —.— стехиоиетрическая первичная зона: †:богатая первичная зона; — — — бедная Круто ПОДНИМавтСЯ ВВЕрк И ПО. первичная зона. степенно становится более пологой при полноте сгорания топлива, близкой к 80 $ . При бедной смеси в первичной зоне нижняя часть кривой смещена вправо относительно кривой для стехиометрической смеси в сторону ббльших значений О, а наклон ее менее крут.
Переход ее к более пологому участку происходит при более высоком (около 85 % ) уровне полноты сгорания топлива, что объясняется меньшими потерями тепла нз-за диссоциация. Нижняя часть кривой для богатой смеси расположена ближе к началу координат, и крутизна ее вследствие относительно низкой скорости распространения пламени также не очень велика. Поскольку в этом случае существенная доля тепла выделяется в промежуточной зоне, то менее четко разделяются на кривой участки, соответствующие первичной н промежуточной зонам; кривая монотонно, без видимого перелома поднимается по мере увеличения О. Возможность достижения при больших значениях 0 100 о1оной полноты сгорания топлива частично зависит от длины !2з 180 Глава % жаровой трубы, но в большей степени — от количества воздуха, расходуемого на завесу для охлаждения ее стенок.
Несгорев1пее или частично сгоревшее топливо может быть увлечено этими пристеночными потоками воздуха, перенесено вдоль жаровой трубы к ее выходу и вынесено из камеры сгорания. Поскольку температура охлаждающего воздуха невелика, незначительны также и скорости химических реакций; следовательно, мала также вероятность дальнейшего протекания реакции и в несгоревшей смеси, увлеченной потоком охлаждающего воздуха.
Таким образом, можно сказать, что чем меньше количество воздуха, используемого для охлаждения стенок камеры, особенно в первичной зоне, тем больше вероятность достижения 100 78-ной полноты сгорания топлива. «Реанторнаяа модель По другому упроп1еиному методу количественного описания процесса горения в камере сгорания газотурбинного двигателя первичная зона горения уподобляется реактору с идеальным смешением, в котором топливо и воздух, поступающие с некоторой постоянной массовой скоростью, мгновенно смешиваются со всеми другими газообразными компонентами, находящимися в этой зоне. Продукты сгорания вытекают из этой зоны также с постоянной массовой скоростью.
Их состав и температура идентичны составу и температуре смеси внутри зоны. Возможность применения простой теории скорости реакции к реальным устройствам горения рассматривалась в работах 14 — 6]. Это приближение основывается на предположении, что суммарная скорость горения лимитируется скоростью одной из реакций. Исследования кинетики процесса горения показывают, что справедливость этого предположения далеко не доказана. Оправданием служит только большая простота этой теории и возможность тем не менее удовлетворительно объяснять результаты экспериментальных исследований. Основной недостаток моделирования первичной зоны реактором идеального смешения заключается в том, что скорость тепловыделения зависит от температуры среды внутри реактора.
Очевидно, что это серьезно затрудняет расчетное определение полноты сгорания, поскольку для определения температуры среды (газов) в реакторе необходимо заранее знать величину коэффициента полноты сгорания топлива. В работе ~6], однако, удалось представить суммарные скорости тепловыделения для стехиометрических смесей в зависимости от температуры входящего воздуха. В дальнейшем было установлено, что это приближение справедливо также и для других значений отношения топливо/воздух [2]. На рис.
5.7 показано, как изменяется максимальная скорость тепловыделения при различных температу- 787 Полнота сгорания топлива рах входящего воздуха. Из этого рисунка следует, что зависимость скорости тепловыделения от температуры можно учесть, если в выражение для скорости реакции включить множитель ехр(Тз(Ь), в котором величина Ь изменяется в зависимости от коэффициента избытка топлива 7р так, как показано на рис. 5.8. 2 о. 'Е 400 800 200 700 0 О,О 0,6 0,8 7,0 Долл сгоревшего молдова 0 ОЬ О,б 0,8 7,0 грвз Рис.
8.7. Зависимость доли сгоревшего топлива для стехиометрической смеси от параметра нагрузки (21. Рис. 8.8. Зависимость температурной постоянной Ь от козффипиента избытка топлива гр в первичной зоне 121. Таким образом, уравнение (2.14), например, может быть пред- ставлено в виде — ", осехрЯ (5,8) либо в более удобной форме Рзз7', ехР(Тз9) 1 А Р' ЗР, ехр (Т (Ь) '7 или 77,=) гр, '. ] при п=! 75. А (5.9) (5.10) (В опытах Лонгвелла и Вейсса [7] с реактором идеального смешения было определено п = 1,8, что находится в хорошем согласии с величиной и = 1,75, полученной в результате анализа экспериментальных данных о полноте сгорания топлива в камерах газотурбинных двигателей ]2] ). Уравнение (5.10) представляет особый интерес, так как показывает, что теория, основанная на лимитирующей скорости 1ат Глава 5 элементарной реакции, приводит к оообщающему параметру, очень похожему на параметр О, который выводится из теории, построенной по скорости распространения пламени [сы.
уравнение [5.7)]. Сравнение модели по скорости распространения пламени с «реакторнои» моделью Нет ничего удивительного в том, что оба этих приближения приводят к аналогичным обобщающим параметрам, так как в обоих случаях использовались одни и те же зависимосги от температуры и давления.
Во многих практически важных случаях, например при обобщении экспериментальных значений коэффициентов полноты сгорания в некоторой конкретной камере сгорания или геометрически подобных камерах, оба этих параметра по существу равноценны. Различие между ними появляется при сравнении камер сгорания, существенно различающихся по конструкции. В модели по скорости распространения пламени подчеркивается важность площади поперечного сечения зоны горения в отличие от модели по скорости реакции, в которой важную роль играет объем.
Это является важным достоинством, поскольку создает уверенность, что любая новая камера сгорания, при конструировании которой использовался параметр О, не только удовлетворит требованиям по полноте сгорания топлива, но и будет иметь необходимый диапазон устойчивой работы. Другая благоприятная особенность параметра О заключается в том, что он учитывает потери полного давления в жаровой трубе.
Несмотря на то что влияние фактора ЬР (О,, учитывающего потери полного давления, недостаточно изучено экспериментально, недавно было установлено, что уменьшение перепада давления в жаровой трубе отрицательно сказывается на полноте сгорания топлива. Моделирование по скорости распространения пламени предпочтительнее также и с теоретической точки зрения, так как приводит к результатам, в полной мере согласующимся с критериями моделирования, предложенными в работах [8, 9].
Малоразмерная модель может быть использована для определения характеристик полноразмерной камеры сгорания в том случае, когда топливо, отношение топливо/воздух, скорость и температура в них одинаковы, а давление газа обратно пропорционально линейному размеру [9]. Такой вид моделирования, который оказался весьма успешным при разработке форсажных и прямоточных камер сгорания, обычно принято называть РО-моделированием.
По существу, этот критерий моделирования утверждает, что в геометрически подобных камерах сгорания характеристики процессов горения будут одинаковы, если произведения Р,0. для них равны. Полнота сгорания топлива 183 Подставляя в уравнение (5.7) выражение тй, = рзА„(7„ имеем г [ (Рз)зх)ктз Тз ехр (Тз)Ь) ~ Чс г Отсюда при постоянных температуре и скорости получаем Ча ) (~ ЗОх) (5.12) Уравнение (5.12) свидетельствует о том, что изменение размера камеры сгорания не оказывает влияния на величину полноты сгорания топлива, если произведение давления газа на характерный линейный размер остается постоянным. Это находится в полном согласии с критерием Р)'.)-моделирования.
Однако если такую же подстановку птя = рзАз(/з сделать в уравнении (5.10), то получим выражение Ч =1(рол57.,), (5.13) которое заметно отличается от критерия РО-моделирования. ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ, ЛИМИТИРУЕМЫЕ СКОРОСТЬЮ СМЕШЕНИЯ Т05 р (5.17) Если скорости испарения и химических реакций бесконечно велики, то из уравнения (5.1) следует '= ( Массовая скорость смешения тя ~ Мвссовый расход воздуха тя Скорость смешения турбулентной воздушной струи с окружающей газообразной средой определяется произведением турбулентной вязкости, плошади смешения и градиента плотности. Если принять, что турбулентная вязкость пропорциональна произведению пути смешения 1 и пульсационной скорости в воздушной струе и', то окажется, что лтр оо 1(7;15 (рД) илн тя сл р(Т;15. (5.15) 11одставляя в (5.15) выражение (Т; .0(схРь/р)05, получим р гз;аР к ол Т0.5 ~ Р 3" (5.16) В тех случаях, когда процесс сгорания топлива лимитируется смешением, коэффициент полноты сгорания зависит от величины отношения массовой скорости смешения к расходу воздуха.
Тогда в предположении Р оо А„из уравнения (5.16) следует 184 Глава Э Важным примером устройства, в котором процесс горения лимитируется скоростью смешения (а при некоторых условиях также и скоростью испарения), является камера сгорания стационарного газотурбинного двигателя. Такого рода камерам не приходится работать при давлениях ниже атмосферного, поэтому как параметр О, так и основные размеры, определенные по этому параметру, не имеют практического смысла.
Ввиду этого иногда используют полуэмпирическое соотношение, предложенное в работе [1О): :.': ='("'.")ь' .Здесь С вЂ” величина, зависящая от нескольких переменных, к которым относятся вид топлива, тонкость распыливания, угол факела распыленного топлива, отношение топливо/воздух и тип камеры сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
