Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 39
Текст из файла (страница 39)
В целом результаты различных испытаний показывают, что подача в зону горения равных количеств воды и топлива эквивалентна уменьшению давления газа в камере наполовину. СТАБИЛИЗАТОРЫ ПЛАМЕНИ В ВИДЕ ПЛОХО ОБТЕКАЕМЫХ ТЕЛ Среди всех устройств, применяемых для стабилизации пламени в потоке газа, плохо обтекаемые тела, несомненно, имеют наибольшее значение. Подавляющее большинство имеющихся экспериментальных данных по устойчивости горения получено со стабилизаторами в виде таких тел. Основные области практического применения подобных стабилизаторов — это форсажные камеры турбореактивных двигателей и камеры сгорания прямо- точных двигателей. В связи с этим указанные стабилизаторы пламени заслуживают подроб- г ного обсуждения. Механизм стабилизации пламени Поле течения в окрестности стабилизатора, выполненного в виде плохо обтекаемого тела, р Рис. 6.6. Структура течения ва стаби- показано на рис.
6.6. Слева на ливатором в вике плохо обтекаемого стабилизатор набегает одно- тела. рпдиая ГОРЮЧая СМЕСЬ. На 4 — слоя смещения; у — наононтуры полноты сгорания топлива; 3 — распространяющееся кромках стабилизатора проис- пламя; 4 — цпрнуляцнонная попа. ходит отрыв потока, а далее формируется след за стабилизатором. В ближнем следе поддерживается циркуляционное течение; так как скорость в ближнем следе значительно меньше, чем в основном потоке, то между ними формируется слой смешения со сдвигом скорости, в 202 Глава 6 котором тепло- и массообмен осуществляются посредством турбулентной диффузии.
Втекающая в слой смешения свежая горючая смесь поджигается горячими продуктами сгорания, которые вовлекаются сюда из зоны циркуляции [6]. Горящая смесь сносится вниз по потоку в пределах слоя смешения, в свою очередь поджигая соседние порции свежей смеси. Когда полностью сгоревшие газы покидают слой смешения, некоторая часть их циркуляционным течением возвращается в ближний след к стабилизатору и обеспечивает тем самым существование постоянного источника поджигания поступающей свежей смеси. Исследования без горения В работе [7] получены интересные фотоснимки поля течения в окрестности стабилизатора с горением и без него.
Шлирен-кинокадры, снятые в условиях, близких к условиям срыва пламени, показывают, что в области следа устанавливается вихревая дорожка, подобная наблюдаемой без горения. Однако в опытах работы [8] вихреобразования в следе за стабилизатором не наблюдалось ни при устойчивом горении, нн в условиях, близких к погасанию пламени. Было сделано предположение, что в опытах без горения примыкающие к стабилизатору вихри зоны циркуляции настолько велики и протяженны по сравнению с размерами стабилизатора, что они становятся неустойчивыми. В противоположность этому при горении присоединенные вихри зоны циркуляции по протяженности в направлении потока не более чем вдвое превышают диаметр (или характерный размер) стабилизатора и, следовательно, остаются в пределах стабилизирующего воздействия плохо обтекаемого тела.
Имеется и много других публикаций об исследованиях без горения поля течения в окрестностях стабилизатора [1,9 — 14]. В результате этих исследований были определены поля давления н скорости, частота вихреобразовання, коэффициент сопротивления, а также влияние формы плохо обтекаемого тела и степени загромождения им потока на размеры цнркуляционной зоны. В работе [14] для внзуалллзацни течения стабилизатор устанавливался в потоке масла. Типичные фотоснимки, полученные для стабилизатора в форме желоба с острым углом прн вершине 30', для подобного же стабилизатора, но со скругленной вершиной, а также для струйного стабилизатора показаны на рис. 6.7.
Время пребывания Процесс турбулентного обмена в ближнем следе за стабилизатором исследовался в работах [15, 16]. Результаты этих исследований показывают, что турбулентный обмен определяется Рис 6.7. Фотоснимки визуализт(рованного течения в ближнем следе за стабилизаторами различного типа 1141.. о — Ч.образный стабнзазатор с утлом арн везшнне 30', В„б,з(, М 023; б — 30 -нмй Ч-образный стабншгзатор со сару(ленной вершиной.
В =0.2з, М=0.23: а — газоланамнчег сана (струйный) стабилизатор. В 0,)9 (в отсутствие струй), М 0,2Х 204 Глава Ф формой циркуляционной зоны и временем пребывания в ней газа. Установлено, что среднее время пребывания, которое характеризует скорость переноса тепла и массы из циркуляционной зоны в слой смешения, обратно пропорционально скорости основного потока. В присутствии пламени процессы обмена протекают в несколько (от 2 до 8) раз менее интенсивно, чем без горения; соответственно увеличивается среднее время пребывания.
Кроме того, время пребывания, по-,видимому, не зависит от величины к, но уменьшается при увеличении интенсивности турбулентности в основном потоке. Стабилизаторы, наиболее сильно отклоняющие поток, создают зоны циркуляции с наибольшим временем пребывания и обеспечивают наиболее широкие пределы устойчивого горения. Влияние степени загромождения потока стабилизатором где В,— геометрическая степень загромождения, Ва — аэроди- намическая степень загромождения, е — константа для стабили- затора данной формы.
Для круговых конусов, например, уста- новленных вершиной против потока, в=4,4 (з(п — ) ', (6.2) Если стабилизатор расположен в трубе, как это обычно и делается, то появляется дополнительный параметр, определяющий характеристики стабилизации пламени, — степень загромождения сечения трубы стабилизатором. Этот параметр представляет собой отношение плошади проекции стабилизатора на поперечное сечение трубы'к плошади этого сечения. Все теории стабилизации пламени утверждают, что пределы устойчивого горения при увеличении характерного размера стабилизатора расширяются. Однако в закрытом потоке, в трубе, где стенки препятствуют свободному расширению потока при обтекании стабилизатора, осевая составляющая скорости вблизи него получается большей, чем в случае, когда тот же стабилизатор располагается в не ограниченном стенками потоке. Одним из следствий этой более высокой скорости является уменьшение ширины циркуляционной зоны.
Поэтому для стабилизатора данного размера любое увеличение степени загромождения закрытого потока, например уменьшением сечения трубы, уменьшает размер циркуляционной зоны и, тем самым, понижает устойчивость горения. Уравнение, связывающее величину отношения ширины циркуляционной зоны к ширине стабилизатора (в форме желоба) с коэффициентом сопротивления, было получено в работе (13): в„ в.) — ' =а (1 в„) (6.1) Стабнпнзапня пламени 205 т, т~, (6.3) где тг — расход топлива, подаваемого в циркуляционную зону; те — массовый расход воздуха, вовлекаемого в циркуляционную зону; тл — расход воздуха в основном потоке; те, — расход топлива, подаваемого в основной поток. Опыты, проведенные в широком диапазоне изменения скорости основного потока (I, температуры газа Т и степени загромождения В., позволили установить, что доля суммарного потока, вовлекаемая в ближний след, определяется соотношением лте П ~г 70,75 () о )0,5 (6.4)') Для конического стабилизатора с углом при вершине в 30' коэффициент пропорциональности в соотношении (6.4) равен 0,21.
Влияние турбулентности. Турбулентность играет важную роль в стабилизации пламени, обеспечивая перемешивание свежей смеси с горячими газами циркуляционной зоны. В работе [6] исследовалось влияние числа Рейнольдса на пределы устойчивого горения для пламен, стабилизированных с помощью цилиндрических стержней и дисков. Установлено, что ниже некоторого критического значения числа Рейнольдса (равного примерно 104) область течения, обеспечивающая стабилизацию пламени, существенно ламинарна; при более высоких значениях ') Согласно данным других работ, доля горючей смеси, вовлекаемой из основного потока в пиркулядионную зону за стабилизатором, т. е.
величина тсрйж не зависит ни от скорости потока, ни от его температуры, а определяется только геометрвческими параметрами и интенсивностью турбулентности в потоке смеси. Причиной несоответствия эмпирической формулы 16.4) этим данным может быть некорректность использованного в работе (171 метода определения те. †Пр.
ред. где 6 — угол при вершине конуса. Так, для конуса с углом при вершине 45', создающего геометрическое загромождение В. = =0,10, величина аэродинамического загромождения В, получается в соответствии с уравнениями (6.1) и (6.2) равной 0,135. Массообмен. В работе [17) оценивалась доля горючей смеси, вовлекаемой из основного потока в ближний след за стабилизатором. При этом была использована замеченная в экспериментах особенность, заключавшаяся в том, что «бедный» срыв пламени происходил при одном и том же значении х независимо от того, подавалось ли топливо (пропан) непосредственно в циркуляционную зону или же в основной поток воздуха выше стабилизатора. Таким образом, при погасании пламени на «бедном> пределе выполнялось следующее равенство: 206 Глава 6 Ке процесс горения определяется уже турбулентным смешением.
С точки зрения практики наиболее интересны результаты, соответствующие числам Реинольдса выше 10"'. Экспериментальные данные о стабилизации пламени плохо обтекаемыми телами С табилизируюшие свойства плохо обтекаемых тел изучались достаточно интенсивно, и к настоящему времени накоплен значительный объем экспериментальных данных. Основные результаты исследований обсуждаются и обобшаются виже. Род топлива. Для топлив типа керосина было установлено, что с уменьшением их удельной массы горение может поддерживаться в более бедных смесях. Поэтому углеводородные топлива парафинового ряда могут, вообще говоря, применяться при меньших величинах отношения топливо/воздух, чем топлива ароматического ряда.
Точно так же в случае легкого бензина можно получить значительно более высокие значения отношения воздух/топливо (1/и) на «бедном» пределе устойчивого горения, чем, например, при использовании газойля. Лучшие характеристики «бедного» срыва пламени для топлив с меньшей удельной массой обусловлены отчасти их меньшей вязкостью, что обеспечивает более мелкое распыливание, а отчасти большей летучестью. Более качественное распылпвание и более высокая летучесть способствуют увеличению скорости испарения топлива, что позволяет сжигать более бедные смеси. По тем же причинам высокая летучесть топлива может привести к тому, что при полете на больших высотах произойдет «богатый» срыв пламени из-за избыточного количества паров топлива в циркуляционной зоне [18[. Отношение топливо/воздух.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
