Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Было сделано предположение, что причиной этого является вовлечение в ближний след за стабилизатором дополнительного количества свежей смеси, что увеличивает нагрузку на зону горения и уменьшает располагаемое для сгорания смеси время. Размер стабилизатора. Увеличение характерного размера стабилизатора повышает устойчивость горения благодаря увеличению времени пребывания реагентов в циркуляционной зоне. Экспериментальные данные о влиянии размера стабилизатора обычно представляют в виде зависимости величины 17ао(Р, от коэффициента избытка топлива ср (здесь О,— характерный размер стабилизатора).
Интересно отметить, что опубликованные значения 00 для турбулентных течений находятся в пределах от 0,75 13~ до 1,0 [2, 19, 281, т. е. в том же диапазоне, что и показатель степени пу при давлении в приведенной выше зависи- 213 Стабнпнзацня ппаменн мости Уво от Р. Это означает, что существует зависимость (уво (Р(7т)', и, как показано дальше, именно такое соотношение должно получиться для химической реакции второго порядка. Влияние размера стабилизатора на «бедный» предел устойчивого горения для гомогенных смесей представлено на рис.
6.17, а для гетерогенных — на рис. 6.18. Форма стабилизатора. Форма плохо обтекаемого тела-стабилизатора влияет на характеристики стабилизации пламени через 08 0,7 ,а 'Ъ05 0,5 0,4 0 50 100 150 200 2)ээ мк"1 Рис. 6.20. Влияние среднего (эаутеровского) диаметра панель топлива на «бедный» предел устойчиво(о горения (2Ц. 0=15 м)е, В„=оэ(. т„=500 к. Р=(00 «па. Π— мазут (В=1,5п ть — дизельное тоаливо (В=Э,В): С вЂ” нзоо«тан (В 5,1). форму и размер циркуляционной зоны. Это влияние демонстрируется на рис.
6.19, где представлены полученные в работе (29) области устойчивого горения для цилиндра, т(-образного желоба и пластины одного размера (в проекции на поперечное сечение трубы). Данные рис. 6.19 свидетельствуют о том, что характерным размером для стабилизации пламени следует считать не ширину стабилизатора, а максимальную ширину образующейся за ним циркуляционной зоны (для осесимметричных стабилизаторов — ее диаметр).
Позднее в работе (30) было показано, что области устойчивого горения, полученные для стабилизаторов разной формы, могут быть совмещены, если в обобщающий параметр ввести коэффициент гидравлического сопротивления стабилизатора. Качество распыливания топлива. Для конкретной практической камеры сгорания, функционирующей при заданных давлении, температуре, скорости и типе топлива, всегда существует некоторое критическое значение среднего размера капель топлива, ниже которого любое улучшение распыливання топлива 214 Глава 6 уже не влияет на «бедиый» предел устойчивого горения.
При значениях среднего заутеровского диаметра капель больше критического они не испаряются полностью в пределах циркуляционной зоны, поэтому для поддержания устойчивого горения необходимо подавать больше топлива. Это приводит к тому, что значения ~рве, вычисленные по общему расходу топлива, возрастают при увеличении среднего заутеоовского диаметра капель. Указанная зависимость демонстрируется на рис. 6.20, где показано также влияние летучести топлива на величину ~рвм При фиксированном среднем заутеровском диаметре капель топливо с наименьшей летучестью [летучесть характеризуется величиной В) дает наибольшие значения ~рве при «бедном» срыве пламени.
Выводы из экспериментальных данных Накопленный к настоящему времени обширный экспериментальный материал позволяет сделать ряд общих выводов о факторах, управляющих процессом стабилизации пламени. В общем скорость потока при срыве пламени увеличивается и пределы устойчивого горения по составу смеси расширяются: — при уменьшении скорости основного потока газа; — при увеличении начальной температуры газа; — при увеличении давления газа; — при уменьшении интенсивности турбулентности в основном потоке; — прн приближении величины ф к единице; — при увеличении размера стабилизатора; — при увеличении коэффициента гидравлического сопротивления стабилизатора; — при уменьшении загромождения сечения стабилизатором 1для стабилизатора данного размера).
В отношении характеристик жидкого топлива устойчивость горения повышается, кроме того, — при увеличении летучести топлива; — при улучшении распыливания топлива, т. е. при уменьшении среднего размера капель. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ Модель стабилизации пламени, основанная на представлении о характерных временах Одной из первых теорий механизма стабилизации пламени была предложенная в работе [6) модель, в которой использовалось представление о характерных временах. Основная идея этой модели заключалась в предположении, что срыв пламени Стабилизация лламанн 215 происходит тогда, когда время пребывания смеси в слое смешения становится недостаточным для воспламенения этой смеси горячими продуктами сгорания циркуляционной зоны.
Следовательно, критерием срыва пламени должно быть равенство времени задержки воспламенения и времени пребывания смеси в слое смешения, прилегающем к циркуляционной зоне. Если Ь— длина циркуляционной зоны, ()во — скорость основного потока вблизи слоя смешения в момент срыва пламени и т — время задержки воспламенения, то критический для устойчивости горения режим достигается при овот — = 1. Е (6.61 ареакторыаяа модель В ранней работе Лонгвелла и др, [32[ зона реакции за плохо обтекаемым телом-стабилизатором рассматривалась как гомо- генный химический реактор.
Сравнивая данные о скорости тепловыделения в зоне за стабилизатором с оценками этой же скорости в турбулентном фронте пламени, авторы работы [321 пришли к выводу, что для того, чтобы в указанной зоне выделялось наблюдаемое количество энергии, она должна представлять собой почти непрерывную волну турбулентного горения В этом критерии кинетика химических реакций представлена величиной т, а гидродинамические эффекты — величиной 1. В работе [31[ данная модель была трансформирована для турбулентных пламен в однородных смесях испаренного топлива с воздухом следующим образом. Время пребывания в слое смешения определялось как 1, из ЦУ, (6.61 где У вЂ” скорость течения в слое смешения, вычисляемая при температуре газа в этом слое. Задержка воспламенения определялась соотношением ехр (Е~ЕТ) (6.7'Т Ф где Š— энергия активации, Т вЂ” температура газа в слое смешения, <р — коэффициент избытка топлива.
Критерий срыва пламени по данной модели получался, следовательно, в виде 2. ехр (Е)РТ) (6.8Т е) В этом выражении скорость потока при срыве пламени не зависит от давления, что не согласуется с экспериментальными данными. г16 Гпааа 6 Хотя соответствующие доказательства не были достаточно строгими, в работе проводится точка зрения, что скорость перемешивания газа в реакционном объеме (в него включены слой смешения и циркуляцнонная зона) много больше скорости химических реакций. Позднее Лонгвелл и Вейс [27] экспериментально установили, что данные по устойчивости горения могут быть обобщены с помощью параметра химической нагрузки тз/КР", где тз представляет собой расход воздуха через реактор, г' — объем реактора, Р†давлен в реакторе ни — эффективный порядок реакции.
В работе [ЗЗ] для керосина было рекомендовано значение и = 2, тогда как Лонгвеллом для изооктана экспериментально было получено значение п = 1,8. Разница может быть отнесена на счет некоторых различий в механизме реакции, но более вероятно, что в опытах Лонгвелла смешение было недостаточно быстрым. Автором было предсказано [33], что обобщающим параметром в случае, когда процессы в реакторе лимитирует смешение, является п4/О'Р, а в случае, когда лимитирует химическая реакция, тл/О'Р', н, следовательно, эффективный показатель степени при давлении должен быть между 1 и 2 и тем ближе к 2, чем интенсивней смешение.
В работах [19, 34] различия в величине показателя степени при давлении пытались обосновать тем, что параметр химической нагрузки тз/О'Р' должен быть дополнен некоторой функцией числа йе. Это давало ,", (йе)" о 0,", (ВР) =сопз1, (6.9) откуда для данных Лонгвелла получалось Ь = 0,2 и шл и 1З2,8Рьа = сопз1 нли — = сопя(. У,вро,в (6.10) Другие теории стабилизации пламени рассмотрены в работах '[8, 35 — 39]. Все эти теории более или менее успешно объясняют наблюдаемое в экспериментах поведение пламен, стабилизированных с помощью плохо обтекаемого тела. В последние годы в работах с участием автора [20, 21, 40] теоретически и экспериментально исследовалось влияние факторов, определяющих стабилизацию пламени и срывные характеристики в случае плохо обтекаемых тел-стабилизаторов.
Дальнейшее обсуждение базируется преимущественно на результатах этих работ. «Бедныйа предел устойчивого горения При горении однородных топливовоздушных смесей срыв пламени происходит тогда, когда скорость выделения тепла в ближнем следе за стабилизатором становится недостаточной Стабилизация лламалл 21Т для того, чтобы нагреть поступающую сюда свежую смесь до температуры, необходимой для инициирования химических реакций. В случае гетерогенных смесей дополнительным фактором является время, требуемое для испарения топлива. Для распыленного топлива с низкой летучестью и с каплями большого размера это время относительно велико и часто становится главным фактором, лимитирующим суммарную скорость выделения тепла. При рассмотрении «бедного» предела устойчивого горения целесообразно вначале сделать это для однородных смесей, а затем выяснить, каким образом следует скорректировать полученные результаты, чтобы учесть испарение топлива.
Однородные смеси. Предложенная в работе [20) теоретическая модель основана на предположении, что пламя гаснет тогда, когда количество тепла, требующееся для воспламенения свежей смеси, поступающей в зону ближнего следа за стабилизатором, начинает превосходить то количество тепла, которое 'выделяется в этой зоне. Массовая скорость вовлечения свежей смеси в зону ближнего следа предполагается пропорциональной произведению плотности газа, площади поверхности указанной зоны и разности скоростей свежей смеси, обтекающей зону ближнего следа, и продуктов сгорания в прилегающих спутных слоях ближнего следа.
Эта разность скоростей, очевидно, пропорциональна скорости потока смеси на кромках плохо обтекаемого тела, которая равна 1//"(1 — В,). Предполагается, кроме того, что площадь поверхности, через которую свежая смесь поступает в ближний след, пропорциональна (),'. Тогда Р~с 1 — В (6.11) Максимальная величина скорости массообмена, соответствующая срыву пламени, выводится из уравнения суммарной реакции тасос = 1,93)ТР ' ' ехР ( — ') !рамо.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
