Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Уравнение (5.18) можно использовать для определения диаметра жаровой трубы, необходимого для эффективного сжигания топлива с заданным массовым расходом при заданной величине суммарных потерь полного давления. Из практических соображений длину зоны горения рекомендуется делать на 50 г)а больше диаметра жаровой трубы !10]. Интересно отметить, что формула (5.18) очень похожа на выражение (5.17), полученное при учете лишь скоростей сме.шения.
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ, ЛИМИТИРУЕМЫЕ СКОРОСТЬЮ ИСПАРЕНИЯ Рассмотрим теперь случай, когда скорости смешения и химических реакций настолько велики, что лимитировать процесс гсрения начинает скорость испарения топлива. Если в объеме воздуха )г содержится и капель топлива с начальным диаметром П, то средняя скорость испарения топлива описывается уравнением тг — — 1,33пГ) ~~ — ) !и (1 + В) (1 + 0,25 Ке~Д, (5.19) где  — параметр массообмена. Число Рейнольдса в (5.19) определяется не по средней скорости основного потока (/, а по пульсационной скорости и', т. е. 1(е = и'О/ч,.
Использование числа Ке в такой форме объясняется тем, что, как показывает опыт, большая часть капель очень быстро принимает скорость окружающего воздуха. После этого они подвержены воздействию только пульсационной составляющей скорости. Отношение топливо/воздух в зоне горения равно п (л!6) !г'р (5.20) 'срг 185 Полнота сгорания топлива откуда следует, что и= — — — и.
6 !зг !'с 7)з с (5. 21) Подставляя л из уравнения (5.21) в (5.19), получим гпр =8 Р' ( — 1 — з мс!п(1+ В)(1+ 0,25!те"). Предполагается, что топливо мгновенно смешивается с окружающим воздухом и сгорает по мере его испарения. Отсюда 7,0 7,О (5.22) 0,8 0,8 0,6 0,4 0,6 рОг, 0,2 0,2 о г 0 1 2 3 4 5 т р,мс 4 6 8 С„,мс 70 72 Рис. 5.!О. Влияние среднего размера капель топлива на полноту сгорания, л имитируемую скоростью испарения по уравнению (5.21).
Дизельное топлизо, и'=О. Рис. 5.9. Влияние времени пребывания на полноту сгорания, лимитируемую скоростью испарения по уравнению (5.24). Ге=газо К. Озз — — ОО мкм, и'=О ! — бензин; т †керос; 3 в дизельное топлизо; З вЂ легк котельное топливо. следует, что полноту сгорания топлива можно представить отношением массы топлива, испарившегося в первичной зоне, к массе топлива, поданного в камеру: пзр(пр Подставляя птг из (5.22) в уравнение (5.23), получим Чсс — '" Вз 8 ((ггс )„!п (1 + В) (! + 0,25 Неебб) (пр (5.24). р 7)з Уравнение (5.24) можно использовать для вычисления или обобщения данных о коэффициентах полноты сгорания топлива в тех случаях, когда заведомо известно, что суммарная скорость процесса лимитируется испарением топлива.
Из уравнения (5.24) следует, что полнота сгорания топлива повышается с увеличением летучести топлива, интенсивности турбулентности, 186 Глава 5 объема зоны горения и давления газа (через зсеп) и понижается с увеличением массового расхода воздуха и среднего размера капель. Формально величина т)„может быть больше единицы; это означает лишь, что испарение топлива более не лимитирует эффективность горения и т)„= 1. На рис. 5.9 представлены рассчитанные по (5.24) значения т)„в зависимости от времени пребывания (ар для бензина, керосина, дизельного топлива и для легкого котельного топлива.
Таблица бХ Некоторые свойства ряда топлив Параметр массообмена. стех Плотность, кг/и' Тоалнао 692 775 900 6,10 3,75 2,80 Бензин (аР4) Керосин (зе1 А) Дизельное топливо (РР-2) Легкое котельное топливо Мазут 930 2,50 1,50 970 Необходимые для расчетов свойства этих топлив приведены в табл. 5.1. Из рис. 5.9 следует, например, что при температуре газа 2300 К и заутеровском среднем диаметре капли бзз = =- 60 мкм для испарения распыленного бензина в неподвижной воздушной среде требуется менее 2 мс. Влияние диаметра капель на т)„показано на рис. 5.!О. Данные, приведенные на этом рисунке, наглядно демонстрируют важность хорошего распыливания топлива. Соответствующие данные для движущихся сред показаны на рис.
5.11, который иллюстрирует положительное влияние турбулентности на уменьшение времени испарения топлива. Влияние турбулентности становится особенно заметным при увеличении давления. Это следует из сравнения рис. 5.11, а, б и в, на которых представлены результаты расчетов, проведенных по уравнению (5.24) для трех различных значений давления. Рис. 5.11,а показывает, например, что при нормальном атмосферном давлении н величине пульсационной скорости 5 м/с время, необходимое для испарения распыленного топлива, при заутеровском среднем диаметре капель 17зз = 60 мкм составляет приблизительно 2 мс. Увеличение давления в 30 раз приводит к уменьшению этого времени до 1 мс (см.
рис. 5.!1,в). Некоторый практический интерес представляет определение критического среднего размера капли В„р, выше которого испарение становится лимитирующей стадией процесса. Это не- 1ат Полнота сгорания топлива трудно сделать, полагая в (5.24) т1„= 1 и Кео 1: В„~ = ~8 ( — ) р„' !и (! + В) 1„р1з Зависимость В„р от времени пребывания показана на рнс. 5.12 для бензина, керосина, дизельного топлива и легкого котельного топлива. Графики на этом рисунке, рассчитанные 1,0 С 0,5 2 1„, мс 1,0 Г 0,5 1,,мс 1О С 0,5 2 1,р, мс Рнс.
5.11. Влияние турбулентности иа полноту сгорания, лимитируемую скоростью испарения, для трех значений давления. Топливо — кероскк, Р бб мкм. — ° — и'=б м/с; — и' !О м1с; — — — и'=!б м1с. при значениях )т„срг и В, соответствующих температуре 2300 К, показывают, что средний критический диаметр капли, начиная с которого испарение начинает лимитировать процесс горения, возрастает с увеличением располагаемого времени пребывания. Эти графики показывают также, что на величину начального диаметра капли существенно влияет вид топлива, его плотность рг и параметр массообмена В, Например, при времени пребы- 1ВВ Глава а 60 Чсп Ррьтть 1и (1+ Во) (5.26) Ч ь р В 1и(1+Вь) Это соотношение имеет важное практическое значение, так как позволяет независимо от типа камеры или режима ее работы опенивать влияние, которое может оказать на коэффициент полноты сгорания замена, например, авиационного керосина каким-либо другим топливом.
Соотношение (5.26) может быть использовано и в более общем случае, а именно для сравнения вания 2 мс для керосина (В = 3,75) и легкого котельного топлива (В = 2,5) В„р составляет 53 и 43 мкм соответственно. Отсюда следует, что одинаковые характеристики испарения этих топлив можно обеспечить, если качество распыливания легкого котельного топлива на 20о7а выше, чем керосина. В действительности качество распыливания легкого котельного топлива в той же камере вследствие Во большей его вязкости будет, конечно, ниже, чем керосина. Если предположить, что для З 4 4 всех топлив может быть полу- чено одно и то же значение Ф Ват, то для испарения менее „40 летучих топлив потребуется 1ч большее время.
Например, при Оат = 40 мкм время, необходи- 20 мое для испарения легкого котельного топлива, будет на 44 % больше, чем для керосина. 3 4 Автор не располагает экспепр ° ~~ риментальными данными, коРкс. 5.12. Влияние вила топлива и ТОРые пОзвОлили бы провеРить времени пребываггия на величину кри- справедливость уравнения тического среднего лиаметра капли. (5 24) 3то уравнение устанав- ливает зависимость полноты à †бенз: à †керос; а †дизельн то. олино; Š— легкое котельное топливо. СтораиИИ тоПЛИВа В КИМЕРЕ СГО- рания от ее размеров (через г,р), конструкции (и' и гьРс), режимов работы (ге„ср, и р,), характеристик распыливания (О) и вида топлива (р, н В).
Однако влияние видатоплива на полноту сгорания может бытьтакже установлено по значению отношения коэффициента полноты сгорания на альтернативном топливе а к коэффициенту полноты сгорания на эталонном топливе Ь, если, конечно, оба этих топлива сжигаются при одинаковых условиях в одной и той же камере. Из уравнения (5.24) при малых гсео сле- дует 189 Полнота сгорания тонннаа характеристик полноты сгорания топлива при работе на любых двух жидких топливах (если известно, что испарение является лимитирующей стадией процесса горения). Если полнота сгорания в интересующем нас случае достаточно высока, например больше 90 о(о, то более точную оценку дает не уравнение (5.26), а уравнение, полученное из (5.26): 100 1 Чсь рньпь (п (1 + Ва) и 1 Чсс Ррапр 1и (1 + Вь) о (5.27)') 90 ва ч97 96 95 9и О 20 иО 50 00 100 Отнисител*ная величина томности, / (5.28) Подставляя значение Озз из (5.28) в уравнения (5.26) и (5.27), получим соответственно т), ррах' )п(1+ В ) Р)с(гро)п(1 +Вь) 1 Ч ь Ррьиедьз (п(1+ В,) (5.29) (5.30) 1 — Ч, рн„рйз1п(1+ Вь) Возможность использования уравнения (5.30) для оценки влияния вида топлива на полноту сгорания убедительно демонстрируется графиками на рис.
5.13. Экспериментальные данные, приведенные на этом рисунке, были получены на камере сгорания Т63 111). Если в качестве эталонного топлива принять де(А и использовать значения величин В и рг, приведенные в ') Соотношение (5.27) ошибочно; ироме того, оно не может быгь получено из уравнения (5.26). Поэтому следует пользоваться уравнением (5.26). То же относится и уравнению (5.30). — Приап ред. При распыливании топлива центробежными форсунками средний диаметр капель зависит от поверхностного натяжения и вязкости топлива.
Поскольку обычные топлива мало отличаются друг от друга по поверхностному натяжению, то при оценке заутеровского среднего диаметра капли следует учитывать только вязкость топлива. Из уравнения (10.3!) ямеем Рис. 5.13. Прогнозирование с помощью уравнения (5.30) полноты сгорания различных топлив по данным испытаний на эталонаом топливе (эиспернментальные данные из работы 1111) . С вЂ” топливо зр4; д — топлива зег А; и — то плиао Ор-2; и — неФть; — — — эталонное то. плива; — расчеты по уравнению 15.ЗЗЬ 190 Глава 5 табл. 5.1, то коэффициенты полноты сгорания для других топлив могут быть легко определены из уравнения (5.30). Из-за отсутствия достаточно подробных данных о характеристиках распыливания не удалось учесть разницы в значениях средних диаметров капель для различных топлив.
Результаты расчетов приведены на рис. 5.13. Штриховой линией показано изменение коэффициентов полноты сгорания, значения которых были определены экспериментально при работе на эталонном топливе. Сплошными линиями представлены результаты расчетов по уравнению (5.30) для других топлив. Несомненно, что степень согласия между расчетными и экспериментальными данными весьма удовлетворительна. ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ, ЛИМИТИРУЕМЫЕ СКОРОСТЬЮ РЕАКЦИИ И ИСПАРЕНИЕМ В некоторых случаях, например при сжигании малолетучего топлива при низком давлении, скорость тепловыделения может ограничиваться одновременно как скоростью химической реакции, так и скоростью испарения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
