Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Простое объяснение заключается в том, что в первом случае лимитирующей была первая стадия, а в другом — вторая или третья. Подобным жс образом безуспешность попытки осуществить в полете высотный запуск двигателя с трубчатой камерой сгорания на основании результатов испытаний, проведенных на установке с единичной жаровой трубой, как правило, связана с неудачей в третьей стадии. Факторы, влияющие на первую стадию воспламенения Поведение ядра горячих газов, созданного искрой, зависит исключительно от того, будет ли скорость выделения тепла в процессе горения превосходить скорость теплоотвода 254 Глава У в окружающую среду вследствие излучения и турбулентной диффузии.
Скорость тепловыделения определяется величиной я,аь вблизи свечи (необходимо, чтобы эта величина была близка к стехиометрической), а также размером и температурой горячего ядра, которые в свою очередь определяются энергией и продолжительностью разряда. Скорость теплоотвода зависит главным образом от местных значений скорости газа и интенсивности турбулентности и количества избыточного топлива в зоне воспламенения.
Факторы, влияющие на вторую стадию воспламенения Развитие процесса на данной стадии зависит от положения свечи (так как этим определяется, будет ли горячее ядро вовлечено в обратный ток первичной зоны или же его унесет прямым потоком) и, кроме того, от всех тех факторов, которые влияют на стабилизацию пламени. Поэтому повышение давления и (или) температуры, уменьшение скорости газа в первичной зоне, изменение состава смеси по направлению к стехиометрии, т. е. все, что способствует стабильности горения, благоприятствует и второй стадии процесса воспламенения.
Факторы, влияющие на третью стадию воспламенения Расположение соединяющего жаровые трубы пламепередаюшего патрубка имеет первостепенное значение для стадии 3. В идеальном случае вход в каждый патрубок должен совпадать с зоной наибольшей температуры газа в жаровой трубе, а положение выхода должно гарантировать, что вытекающий из патрубка горячий газ попадет непосредственно в циркуляционн)ю зону в головной части соседней жаровой трубы. Следует принять меры к тому, чтобы расход воздуха в пелене, охлаждающей стенку жаровой трубы, в зоне патрубка был минимальным, поскольку этот воздух может взаимодействовать с потоком горячего газа из патрубка и, что особенно важно, существенно понижать его температуру.
Протекание третьей стадии воспламенения облегчается при использовании пламепередающих патрубков с большим проходным сечением (что способствует прохождению через них пламени) и с малой длиной для уменьшения потерь тепла. Данные, касающиеся гасящего действия пламепередающих патрубков, содержатся в работе [24].
ТЕОРИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ Механизм, посредством которого в горючей смеси инициируется пламя, долгое время был объектом изучения и экспериментов и неоднократно подвергался пересмотру в свете раз- 255 Воспламенение смеси е намере сгорания личных 'новых теорий. Большинство этих теорий основано на идее, что импульсный источник зажигания (обычно это электрическая искра) долгкеи обеспечить подвод к горючей смеси энергии, которой хватит для того, чтобы создать некоторый объем горючего газа, удовлетворяющий необходимому и достаточному условию для распространения пламени, а именно условию превышения тепловыделения над теплоотводом.
Среди различных теорий воспламенения газовых смесей есть такие, в которых наиболее важным процессом в инициации пламени полагается диффузия, в остальных доминирующим считается тепловой механизм. Полезный обзор ранних теорий воспламенения содержится в работах [25] и [26]. Современные теории рассмотрены в следующих разделах '. Теория Льюиса и Эльбе Эти исследователи исходили из предположения, что практически вся энергия искрового разряда преобразуется в тепло в течение очень короткого промежутка времени [27]. От размера воспламененного искрой объема газа зависит, распространится ли пламя в соседние области смеси или нет.
Если этот объем слишком мал, то градиент температур между ядром горячего газа и окружающей смесью оказывается выше градиента, существующего в стационарной волне горения, и в этом случае скорость высвобождения тепла в зоне реакции недостаточна для компенсации потерь тепла в окружающий негорящий газ. При этом температура в ядре падает, реакция прекращается и зародившаяся волна горения затухает. В рассматриваемой модели волны горения предполагается, что непосредственно перед пламенем существует слой газа, энтальпия которого превышает энтальпию окружающих сгоревших и негорящих газов.
Источник зажигания должен обеспечить некоторую минимальную энергию воспламенения Е„„„, которая позволит очагу пламени вырасти до определенного начального диаметра. Вне этого диаметра избыток энтальпии создается за счет тепла, содержащегося в сгоревшем газе, так что волна горения может распространяться, используя собственную энергию. Эти рассуждения приводят к следующему выражению для минимальной энергии воспламенения; Е.„а= г(г — (т„— т„]. )г (7.1) г. Это уравнение было успешно проверено Льюисом и Эльбе на собственных экспериментальных данных и данных работы ') Изящная теория воспланенепия газовых смесей, подтвержденная зксперинентально, разработана Я.
Б. Зельдовичем и Н. Н. Синоиовын (снз Журнал физической химии, 23, стр. 1361 — 1374, 1949 г.). — Лрихг. ред 256 Глава У Теория Фенна Фени [31] рассматривал элементарный объем однородной смеси, нагретый источником зажигания до температуры пламени и имеющий размеры, обеспечивающие равенство скорости выделения тепла в химической реакции второго порядка и скорости теплоотвода посредством теплопроводности. Из этой модели получено следующее выражение для минимальной энергии воспламенения: ~з ~й т — т = + ~Кто — 21ярл лта (7.2) где Уа — мольная доля кислорода, а — константа, А — неизвест- ная постоянная величина.
Согласно Фенну, это уравнение дает удовлетворительное согласие с экспериментальными данными при а = 16. Теория Янга В работе [32] предложена теория неадиабатического воспламенения, в которой учитывается пространственно-временнбе распределение энергии источника зажигания. Рассматриваются три типа источника — плоский, линейный и точечный, — и применительно к каждому из них выводится уравнение для минимальной энергии воспламенения. Для линейного источника было найдено (7.3) где 1 — длина линейного источника, т„р — критическое значение массового расхода газа, хг — концентрация топлива в источнике, х — средняя концентрация топлива, Ь вЂ” константа в выражении для профиля температуры газа, с в константа, с,— удельная теплоемкость при постоянном объеме, К вЂ” константа скорости реакции.
[28]. Однако на основе изучения всех имеющихся данных в работе [29] был сделан вывод, что результаты опытов не подтверждают точку зрения, согласно которой для распространения пламени необходимо наличие «горба» избыточной энтальпии. Кроме того, величина Ел„„в уравнении (7.1) пропорциональна па, а не Иа, как можно было ожидать для сферического а' л' ядра, инициированного искрой. Интересно отметить, что опыты, проведенные с участием автора, свидетельствовали о кубической зависимости (Е„„„- Иа) [30]. 252 вослламенение смеси а камере сгорания Теория Светта Теория Светта (33) имеет практическую важность, поскольку ее цель — учесть особенности воспламенения, наблюдаемые в движущихся смесях. По своей сути теория близка к развитой Фенном, хотя она основана на предположениях о том, что 1) только часть времени разряда важна для процесса воспламенения и 2) потери тепла теплопроводностью пренебрежимо малы по сравнению с потерями, вызванными турбулентной диффузией.
Это ведет к следующему выражению для минимальной энергии воспламенения: знгхс,ср(Тс — Тс)а ехР (2Е!РТс) г Нсх хср А!д (! + 2!Г! /а ) (7.4) где Н вЂ” полная энергия искрового разряда, г,— длительность разряда, хр — мольная доля топлива, хо — мольная доля кислорода, 1(и') — функция интенсивности турбулентности. Соотношение (7.4) подтверждено ограниченным числом экспериментальных данных; все они получены при измерениях минимальной энергии воспламенения смесей оптимального состава. (7.6) !7 Зах. лн Теория Баллала и Лефевра Однородные смеси.
В работе !30) анализировались процессы, контролирующие скорость тепловыделения при горении в ядре пламени, зародившемся под действием искры, а также скорость отвода тепла посредством теплопроводности и турбулентной диффузии. В результате был сделан вывод: для того, чтобы искровое ядро пламени не погасло, а самостоятельно распространилось по всей смеси, его минимальные размеры должны превосходить расстояние гашения, определяемое выражением ! огг с рс(Е, — О,гзн') для низкого уровня турбулентности в смеси и с( = с р (3 — О,вэн') для сильно турбулизованных смесей. Минимальная энергия воспламенения Е „, определяется как количество энергии, необходимое для нагрева до температуры, равной адиабатической температуре пламени, наименьшего объема смеси, минимальный размер которого равен расстоянию гашения.
Ясно, что наименьший объем, отвечающий этому условию, представляет собой сферу диаметром с(с, так 258 Глава У что (7.7) Подставляя с)е из уравнений (7.5) и (7.6) в (7.7), получим соответственно Емин=524ЛТ ( и [)т(5 — 0,)ал') г~а (7.8) (арра)' Елин = 5,24 ЛТ 1 (,— ')-Т (арра) (7.9) 0,97 0,7 Рис. 7.9. Соотношение между миннмальной энергией воспламенения Енин и расстоянием гашения с)п для покоящейся и движущейся смесей 97=1,0 [80). — прямая с таигеисом угла наклона 3: Π— метая; Х вЂ” пропан. Величины Еми„измеренные в опытах при изменении в широких пределах давления, скорости, пульсационной скорости 700 и состава смесей метана и просо ('е)с ( пана с воздухом, показаны на рис.
7.9 в зависимости от значений г)„вычисленугых по уравнениям (7.5) и (7.6). Наклон прямой линии, проведенной че- 70 рез экспериментальные точки, раве~ 3, что подтверждает кубичный характер зависимости н ок Еми, от с)„как это и следует о из уравнения (7.7). Теория предсказывает, что о г)е (а следовательно, и Емин) возрастает при увеличении пульсационной скорости. Это предсказание подтверждается результатами опытов, проведенных со стехиометрическими метановоздушными и пропановоздушными смесями (рис.
7.10). Эти результаты иллюстрируют также влияние замещения азота в воздухе арго- 7 ном, гелием или двуокисью углерода. Влияние давления на величину г) показано на рис. 7.11. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что расстояние гашения в первом приближении обратно пропорционально давлению, что и дает уравнение (7.5). Это соответствует зависимости минимальной энергии воспламенения от давления Енин Р 256 Воспламенение смеси в камере сгорания Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
