Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Срыв пламени происходит тогда, когда скорость распространения пламени по смеси оказывается меньше скорости газа во всех точках поля течения. Таким образом, в любом техническом устройстве с горением первостепенная задача при проектировании состоит в том, чтобы обеспечить, для надежной стабилизации пламени, максимум величины отношения скорости распространения пламени к скорости течения.
Это, по случайному совпадению, является также и ключевым требованием для о,оз достижения высокой полноты сгорания топлива. Для решен ия этой задачи обычно в го- 0,02 ловной части жаровой трубы камеры сгорания формируется Облагал зона с низкой скоростью течеусмодчиеого горения ния, в которой скорость распространения пламени существенно увеличена благодаря высокой интенсивности турбулентности, генерированной о 020 Оз 070 10 струями первичного воздуха, и Рослод еолдола,нгтс организуются циркуляция горячих продуктов горения и их смешение с воздухом и топливом, поступающими в указанную зону.
Характеристики стабильности горения в камере обычно представляют в форме границ стабилизации пламени, которые разделяют области устойчивого и неустойчивого горения. Традиционная область стабилизации пламени (или область устойчивого горения) изображается в координатах с величиной отношения расходов топлива и воздуха и по оси ординат и некоторым характеризующим степень форсированности (уровень нагрузки) параметром, таким, как скорость или массовый расход воздуха через камеру, по оси абсцисс. Область такого типа показана на рис. б.1.
Области стабилизации обеспечивают информацию двоякого рода. Во-первых, они позволяют для любой величины отношения расходов топливо/воздух определить значение скорости газа при срыве пламени с7но, т. е. скорости газа, при достижении которой происходит прекращение горения. Особое внимание уделяется определению максимума скорости при срыве, который обычно соответствует смеси, близкой по составу к стехиометрической.
Во-вторых, для данной степени форсированности камеры можно определить диапазон изменения и, внутри которого горение будет устойчивым. Стабилизации пламени 197 В целом при исследовании экспериментальных образцов стабилизирующих устройств, в которые топливо поступает уже перемешанным с воздухом, основное внимание уделяется скорости при срыве, а в камерах сгорания газотурбинных двигателей первостепенное значение придается диапазону устойчивого горения.
Определение характеристик стабилизации пламени Области стабилизации можно определять двумя способами: либо при фиксированном массовом расходе воздуха и устойчивом горении изменяют расход топлива до тех пор, пока не произойдет срыв пламени, либо при постоянном расходе топлива и устойчивом горении изменяют массовый расход воздуха вплоть до наступления срыва. В обоих случаях регистрируются значения массовых расходов воздуха и топлива, соответствующие моменту прекращения горения. На практике предпочтительнее первый способ, так как изменения расхода топлива влияют только на и 1т.
е. на величину по оси ординат), тогда как изменения в расходе воздуха меняют значения параметров и на оси абсцисс, и на оси ординат. Характеристики стабилизации пламени камеры сгорания авиационного ГТД определяют посредством проведения серии испытаний с достижением срыва пламени при постоянных заранее выбранных уровнях температуры и давления воздуха. После начала подачи топлива и воспламенения смеси расход топлива непрерывно уменьшают до погасания пламени.
После того как расходы топлива и воздуха, соответствующие «бедному» срыву пламени, зарегистрированы, горение в камере восстанавливают, а затем медленно увеличивают расход топлива до достижения «богатого» срыва пламени. Эта процедура повторяется при все увеличивающихся расходах воздуха до тех пор, пока не определится полный контур области устойчивого горения. Рис. 6.1 иллюстрирует особенности области устойчивого горения, полученной описанным способом.
Эта область ограничена «бедным» и «богатым» пределами, которые постепенно сближаются по мере увеличения расхода воздуха, пока не будет достигнут уровень расхода, выше которого пламя не удерживается ни при каких значениях х. Особый интерес в этой области представляют точки «богатого» и «бедного» срыва, полученные при массовом расходе воздуха, соответствующем расчетному значению скорости потока в камере сгорания. Полнота характеристик устойчивости обеспечивается проведением достаточного числа испытаний, чтобы можно было построить области устойчивого горения для разных значений давления.
Далее следует процедура прямого пересчета этих результатов испытаний в набор рабочих характеристик, демонстрирую- 198 Глава 6 щих диапазон полетных условий, в котором обеспечивается устойчивое горение. Опасность перегрева жаровой трубы и трубопроводов установки вынуждает ограничивать число «богатых» срывов пламени, которые определяются в испытаниях, особенно при высоких давлениях. К счастью, это не является серьезным недостатком, так как именно «бедный» предел устойчивого горения представляет первостепенный интерес. В авиационных двигателях, которые должны работать при резких изменениях режима, желательно иметь на «бедном» пределе величину 1/я порядка 300 (по массе) при давлениях, близких к атмосферному.
Метод впрыска воды Характеристики авиационного газотурбинного двигателя таковы, что при постоянной приведенной частоте вращения ротора массовый расход воздуха, поступающего в камеру сгорания, примерно пропорционален его давлению. Однако скорость химических реакций пропорциональна давлению в степени, которая может меняться от 1,25 до 2 (в зависимости от рода топлива, отношения топливо/воздух и особенностей процесса смесеобразования). Это означает, что по мере понижения давления расход горючих компонентов через камеру уменьшается не так быстро, как скорость химических реакций; в результате характеристики камеры сгорания ухудшаются.
Следовательно, только при испытаниях камеры сгорания на режиме с наименьшим давлением воздуха можно в полной мере выявить все ограничения в ее рабочих характеристиках. В камерах сгорания авиационных ГТД это наименьшее давление составляет несколько кПа. К сожалению, стоимость строительства и эксплуатации стендов для испытаний двигателей в высотных условиях чрезвычайно велика. Намного дешевле воздух, получаемый от вентилятора, и по этой причине в большей части огневых испытаний используется вентиляторный воздух.
Так как этот воздух находится при атмосферном давлении, то результаты испытаний полноразмерных систем обычно ограничиваются очень бедными или очень богатыми топливовоздушными смесями. Данное обстоятельство иллюстрируется характеристиками срыва пламени, приведенными на рнс. 6.2. Если же испытания удается выполнить в наиболее интересном диапазоне я, т.
е. вблизи стехиометрии, то либо скорости потока при этом очень высоки, либо размеры испытуемого устройства очень малы. Экстраполяция к реальным скоростям и размерам представляется несколько сомнительной процедурой. Экстраполировать результаты испытаний на другие размеры трудно, так как при экстраполяции такого рода необходимо учитывать эффекты, появляющиеся в результате изменения относительного размера (например, изменения степени загромождения канала или трубы стабилизирую- 199 Стабииизация пламени шим устройством).
Не менее трудно экстраполировать полученные данные на другие скорости, поскольку при больших скоростях эффекты сжимаемости могут изменить структуру течения в зоне горения и вблизи нее. Метод с использованием впрыска воды не имеет этих недостатков. Он позволяет испытывать полноразмерные системы в рабочем диапазоне скоростей и величин х. При испытаниях используется вентиляторный воздух, а низкие давления имитируются подачей воды в зону горения. Суть этого метода заключается в том, что, согласно теоретическим представлениям о 24 20 /2 д св эа ио но гзй 21а 24о 2то зоо ззо Скорость, м/с Рис.
6.2. Данные по срыву плалгени, иллюстрирующие трудность замыкания гранин устойчивого горения (2]. скорости суммарной реакции, снижение давления в зоне реакции эквивалентно уменьшению температуры в этой зоне, которое и обеспечивается впрыском воды (3, 4]. Одним из наиболее полезных приложений этого метода является получение данных по срыву пламени для различных вариантов стабилизаторов пламени. Исследуемый стабилизатор 'устанавливается в трубе, присоединенной к выходу из вентилятора.
Между вентилятором и стабилизатором имеются камера подогрева воздуха и коллекторы для впрыска топлива или смеси топлива с водой, осуществляемого равномерно по всему поперечному сечению трубы. Топливо и воду можно тщательно перемешать еще до поступления их в коллектор (хотя это в общем несущественно для метода). Такое предварительное смешение обеспечивается с помощью двухсопловой форсунки, в которой дежурный факел распыла образован топливом, а основной факел — водой (рис.
6.3). Процедура испытаний очень проста. Скорость и температура газового потока, набегаюшего на стабилизатор, поддерживаются на заданном уровне. Включается подача топлива и обеспечивается стабилизация пламени в циркуляционной зоне за стабилизатором. Постепенно во все возрастающем количестве к 200 Глава Ь топливу подмешивается вода до тех пор, пока не происходит срыв пламени. Эта процедура повторяется при различных значениях расхода топлива с тем, чтобы полностью определить область Воздух лро атлоорерм1 доелелцо устойчивого горения.
Типичная область такого рода показана на рис. 6.4, где по оси ординат отложена величина коэффициента избытка топлива ор в керосииовоздушной смеси, а по оси и 1,0 трао,з и=10 е= и 'Р= 1,2 й Ь 01 н с 1,2 ай 1 2 3 оп~ношеное нодо/поолово Рис. 6.5. Связь между отношением массовых расходов вода(топливо и отношением давлений газа для изооктанового топлива (л = 2), Тс = 773 К Я 1,0 03 0,0 0,4 0,0 03 ~Л Оаношелое еойо /оо~ннтео Рис. 6.4. Данные по срыву пламени, полученные методом впрыска воды 131 абсцисс — отношение массовых расходов воды и керосина.
Можно видеть, насколько легко и надежно при использовании впрыска воды определяется та часть границы срыва пламени, которая соответствует наибольшей устойчивости горения и представляет наибольший интерес в отношении рабочих характеристик. Рис. 6.3. Схема установки для опытов по стабилизации пламени с использо- ванием впрыска воды. ! †Равномерн впрыск спаси топлива с водой: Š†стабилизат пламени; Е-Лвуксапла- вап форсунка. 201 Стабилизация пламени Подобные кривые обеспечивают полезную информацию во всех случаях, когда сопоставляются уровни устойчивости горения для различных )У-образных стабилизаторов. Единственное используемое при этом допущение представляется вполне оправданным и заключается в том, что стабилизатор, требующий для достижения срыва пламени болыпего количества воды, создает и наибольшую устойчивость горения.
Ценность метода обусловлена, кроме того, и наличием соотношения (полученного из представлений о скорости суммарной реакции), связывающего долю воды в топливе с эквивалентным ей снижением давления газа. Это соотношение иллюстрируют приведенные на рнс. 6.5 результаты расчетов для октана [5[. Аналогичные кривые получены для керосина [3[.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
