Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Эта схема позволяет снизить выбросы окислов азота и дыма нз камеры [50]. Важнейшей особенностью этой схемы является достижение полного испарения топлива и смешения его с воз- ггу Ставням»ация ииамеии духом до начала горения. Чтобы полностью реализовать потенциальные возможности схемы с предварительной подготовкой бедной смеси, необходимо обеспечить низкую температуру в зоне реакции. Для этого в значительной части рабочего диапазона двигателя отношение топливо/воздух и в зоне горения должно быть близким к «бедному» пределу погасания пламени.
По15аа этому для реализации такой схемы требуется достаточно хо- Я рошее знание всех факторов, определяющих «бедный» предел устойчивого горения в натурных камерах сгорания. в я ~ааа и " ваа ки 4 Теоретические аспекты нв олб р,=С( ) РР'тб ехр (г (!60) (6.26) 16" Механизм срыва пламени в обычной камере сгорания легко уяснить из графика на а баа ваа паа маа гааа рис. 6.30, где полнота сгорания -г в камере показана в зависимости от параметра 6.
Рабочая Рис. 629, ВлиЯние типа форстики нв «бедный» предел устойчивого горения. точка находится, как правило, !†пневмвтнееская форсунка гояноступенв правой части графика, где ° -и у- ° - - с л урн фполнота гаранин топлива вы- КЕН'М(гнб»впвае)фОРСУНК  — ДВУКСОПЛО. с р вая центробежная форсунка.
сокая. Однако по мере ухудшения условий горения рабочая точка смещается по кривым влево и все круче вниз. Пламя гаснет в тот момент, когда рабочая точка попадает на участок, где кривая становится вертикальной. Эта точка обычно соответствует полноте сгорания топлива между 25 и 35 %. Описанная простая модель хорошо объясняет все наблюдаемые в опытах характеристики стабилизированных пламен. Например, из нее следует, что срыв пламени можно сместить в область более низких давлений в камере, если уменьшить расход воздуха, повысить его температуру или увеличить и. Для устройств, в которых топливо и воздух хорошо перемешиваются еще до горения, таких, например, как камера сгорания с предварительной подготовкой бедной смеси или камера с пневматическими форсунками, выражение для «бедного» предела устойчивого горения может быть получено из уравнения (6.12) в следующем виде: 228 Глава 6 где С вЂ” константа, зависящая от геометрии зоны горения и определяемая из эксперимента.
Определив величину С при некоторых наиболее удобных для этого условиях, можно использсвать уравнение (6.26) для прогнозирования величины ~р на «бедном» пределе в любых других условиях опытов. ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПЛАМЕНИ Рис. 6.30. Иллюстрация срыва пламе- ни с помощью кривых, определяющих зависимость полноты сгорания от па- раметра В.
Стабилизатор пламени в виде уступа В ряде работ исследовалась возможность стабилизировать пламя посредством внезапного расширения трубы или канала, по которым течет горючая смесь 151, 52]. Если сечение трубы как выше, так и ниже участка с внезапным расширением круговое, то такое устройство иногда называют камерой с внезапным расширением. Если же канал в поперечном сечении двумерный и внезапное расширение имеется только с одной стороны канала, то его называют уступом.
При испытаниях такого устройства определялся «бедиый» предел устойчивого горения посредством уменьшения расхода топлива при неизменном расходе воздуха, т, е, путем обеднения смеси в канале до тех пор, пока пламя не срывалось [52). Полученные результаты для двух значений начальной температуры смеси приведены на рис. 6.31. Каждая точка на графике соответствует среднему значению, как минимум, из пяти измерений. Для расчета «бед- До сих пор обсуждение было ограничено почти исключительно стабилизаторами пламени в виде плохо обтекаемых тел и стабилизацией пламени в головной части жаровой трубы камеры сгорания.
Эти два 8= рсмлпятзехр(тз)зоо)/йл вида стабилизации горения имеют наибольшее практическое значение для газотурбинных двигателей и к ним относится большая часть сведений о стабилизации пламени в высокоскоростных газовых потоках. Однако разрабатывались и исследовались и другие разновидности стабилиза.
торов пламени, которые при некоторых специальных условиях применения могут обеспечить определенные преимушества. Наиболее важные из таких стабилизаторов рассматриваются в следующих разделах. Стабмлмзацмя племене 229 ного» предела срыва пламени при конкретных геометрических и режимных параметрах в работе [52~ использовалось уравнение (6.14).
Результаты расчетов представлены на рис. 6.31 линиями. Согласие между результатами расчетов и опытов очень хорошее. Перфорированные ппастины Перфорированные пластины имеют определенные преимушества при использовании их в камерах с предварительной подготовкой обедненной смеси. Во-первых, высокая скорость смеси за О,б 25 ~~ 20 0,5 аа, в ' 5 од ад об 0,5 1,0 0,2 500 700 боа Начинания тетперитури воздухи, К Рнс.
6.32. Сравнение экспернментальных значеннй сопя нз работы 1531 с вычнсленнымн по уравнению (6.22), Топливо — ЗсЗА, Р=! Мпа, 0=25 и/с, В„=аль О =Ь7 см, Та=За ва Рнс. 6.31. Сравнение энспернментальных знзченнй 17вс с вычнсленнымн по уравненню (6.14); топливо — пропан 1521 в отверстиях пластины-стабилизатора в совокупности с тонкими гограничными слоями в этих отверстиях препятствует проскоку пламени в секцию подготовки смеси.
Во-вторых, перемычки между отверстиями обеспечивают в ходе запуска камеры переброс пламени от одной локальной зоны горения к другой. В-третьих, благодаря большому количеству малых зон горения оказывается возможным обеспечить как высокий уровень полноты сгорания топлива, так и малое время пребывания газа в зоне горения. Последнее особенно важно для уменьшения образования окислов азота. В работе 153) исследовались характеристики горения при стабилизации пламени за перфорированной пластиной в цилиндрической трубе диаметром 12 см. Пластина имела 55 отверстий диаметром 0,69 см каждое. Проницаемость пластины равнялась 25 % (т.
е. В, = 0,75), а интенсивность создаваемой 230 Глава а турбулентности составляла 2,5 «7». «Бедный» предел устойчивого горения в камере определялся при изменении начальной температуры воздуха, тогда как давление и скорость воздуха на входе поддерживались постоянными и равными 1 МПа и 25 м/с соответственно. Использовалось топливо Яе1 А, которое предварительно смешивалось с воздухом. Полученные результаты показаны на рис. 6.32.
Линия на рис. 6.32 представляет результаты вычислений по уравнению 16.22), в котором в качестве характерного размера стабилизатора»1, было принято расстояние между соседними отверстиями. Рис. 6.32 демонстрирует удовлетворительное согласие между экспериментом и теорией, особенно в области средних и низких начальных температур воздуха. Характеристики срыва пламени для нескольких вариантов стабилизирующих устройств, включающих проволочные решетки и перфорированные пластины, определялись экспериментально в работе [54]. Было обнаружено, что тип стабилизатора, сзепеиь загромождения сечення и величина скорости потока очень слабо влияют на «бедный» срыв пламени. Отмечено также, что «бедный» предел устойчивого горения лишь незначительно смещается при изменении начальной температуры воздуха н определяется главным образом адиабатической температурой пламени.
Для неохлаждаемой перфорированной пластины адиабатическая температура пламени, соответствовавшая коэффициенту избытка топлива на «бедном» пределе (~раз = 0,35), равнялась 1600 К. В работе 155) при исследовании характеристик стабилизации пламени перфорированными пластинами использовались стабилизаторы типа применяемых в камерах с предварительной подготовкой обедненной смеси.
Эксперименты проводились при температуре около 750 К, скорости газа 20 и/с и потерях полного давления на стабилизаторе от 3 до 4 $, что считалось достаточно характерным для эксплуатационных условий камеры сгорания газотурбинного двигателя. Число отверстий варьировалось от 7 до 128, их диаметр — от 0,25 до 1,0 см, а степень загромождения сечения канала — от 50 до 80 '/а.
В противоположность данным работы 154) полученные здесь результаты свидетельствуют о сильной зависимости скорости потока при срыве пламени от температуры (Уво-Ть'), Было также устансвлено, что Уло пропорциональна Са0, (Са — коэффициент сопротивления, который учитывает влияние аэродинамики, обусловленное изменением степени загромождения). Критерий стабилизации, который обеспечил наилучшее совпадение с экспериментальными данными: Г7ао (6.27) с 0 Р (т 7тво)~' Стабнннзацня нааменн позволил обобщить и аналогичные экспериментальные данные для стабилизаторов в виде плохо обтекаемых тел, полученные другими исследователями. Реактор хорошего смешения Реактор хорошего смешения был впервые разработан Лонгвеллом [27[ как техническое устройство для достижения высокой скорости процесса тепловыделения в условиях, когда скорость смешения не лимитирует этот процесс. Теперь реактор Лонгвелла (рнс.
6.33) стал широко распространенным эффективным средством для изучения высокоскоростных хими- ++,о о, ческих реакций. Однородная ,", Ргт' " е,то,:, горючая смесь заданных температуры и состава подается в " гтп~ Ргт ': центр реактора и быстро перемешивается с горящим газом в объеме реакторной полости. Одновременно такое же коли- р о р Рис, 6.33. Реактор хорошего смешения чество продуктов сгорания покидает реактор через отверстия в его наружной стенке. Одно время предполагалось, что интенсивное перемешиванпе, создаваемое высокоскоростными струями горючей смеси, обеспечивает равномерность распределения температуры и состава по объему реактора. Однако было установлено [56], что в реакторе хорошего смешения гидродинамические факторы все же сохраняют свое значение, так как изменения геометрических параметров, таких, как размер отверстий для подачи смеси и расстояние между ними, заметно влияют на характеристики срыва пламени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
