Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 51
Текст из файла (страница 51)
7.1! дсмонстрирует также положительное влияние замещения части или всего азота воздуха кислородом на воспламенение. Гетерогенные смеси. Предлагаемая модель воспламенения гетерогенной смеси воздуха и капель жидкого топлива базируется на предположениях, что скорости химических реакций О 50 ЮО 150 200 250 0 50 100 150 200 250 7 уи1ьсацооииая ско77аги15, см /с Рис. 7.10. Влияние пульсацианной скорости на величину расстояния гашения для различных инертных газов [34[.
о=1, Р=17 аПа. О07О + М 7=ОД1. — — — метан: — авьпан. ГЦО ь7,0 ъ ' 0,7 Коицеилроцоя пропана, оц % Рис, 7,11. Влияние давления и концентрации кислорода на расстояние гашения для пропана, 77 = 13,3 н/с [341. — Р= — а нПа: — — — Р—.— 55 кПа.
бесконечно велики и что начало воспламенения лимитируется единственно скоростью испарения топлива. Обоснование для таких предположений можно найти в опубликованных данных по запуску камер сгорания газотурбинных двигателей. Например, работы [25[ и [Зб] содержат достаточные свидетельства того, что изменение характеристик факела распыленного топлива, таких, как средний размер капель и летучесть, может существенно повлиять на величину энергии, требующуюся для воспламенения. Этот эффект обусловлен влиянием скорости 17* 260 Гвава 7 испарения топлива, которая определяет состав газовой смеси в зоне воспламенения.
Дополнительное подтверждение важности концентрации паров топлива для воспламенения дают более фундаментальные исследования воспламенения гетерогенных движущихся смесей керосина с воздухом [10[, из которых следует, что в смесях беднее стехиометрической главным фактором, лимитирующим воспламенение, является нехватка испаренного топлива в зоне воспламенения.
Предполагается, что процесс воспламенения протекает следующим образом. Прохождение искры создает небольшой приблизительно сферический объем воздуха (именуемый в дальнейшем очагом воспламенения) с температурой, достаточно высокой для того, чтобы инициировать быстрое испарение капель топлива, содержащихся в этом объеме. Скорость реакций и скорость смешения считаются бесконечно большими, так что пары топлива, образующиеся в очаге воспламенения, мгновенно превращаются в продукты сгорания при температуре пламени стехиометрической смеси.
Если скорость выделения тепла при горении превосходит скорость его отвода теплопроводностью с поверхности очага воспламенения, то этот очаг увеличивается в размере до тех пор, пока не заполнит весь объем смеси. Если же скорость тепловыделения меньше скорости теплоотвода, температура в очаге воспламенения будет постоянно падать, пока ие прекратится и испарение топлива. Таким образом, критическим является размер начального очага воспламенения, для которого потери тепла с его поверхности только-только уравновешиваются выделением тепла вследствие мгновенного сгорания паров топлива в объеме этого очага. Как н в случае однородной смеси, эта концепция ведет к представлению о расстоянии гашения как пороговом размере начального очага воспламенения, которого необходимо достичь, чтобы пламя могло самостоятельно распространяться.
Количество энергии от постороннего источника, требующееся для достижения указанного размера, определяется как минимальная энергия воспламенения. Анализ соответствующих процессов теплопередачи и испарения [36] дает следующее выражение для расстояния гашения в покоящейся нли медленно движущейся капельной взвеси: р Вв ка 1'.
) р <р1п(1+В ) (7.10) Отметим, что это уравнение получено из рассмотрения фундаментальных механизмов тепловыделения в очаге воспламенения н теплоотвода с его поверхности и не содержит определяемых из опыта нли произвольных констант. Оно справедливо только для моноднсперсной взвеси капель. Для полндисперсных взвесей типа тех, которые создаются большинством применяемых Воспламенение смеси а камере сгорания 26! на практике распыливающих устройств, расстояние гашения определено как [37) =[,.
' Сз Рз з0,5 зря зз Срлф|п(1+В ) ~ где С| и Сз — параметры распределения капель взвеси по размерам: С, = Оз 7В „С, = ВЫОзз. (7.11) Здесь ):Ззз — средний по площади поверхности диаметр, 1)зз— средний по объему диаметр, Озз — средний заутеровский диаметр капель. Уравнения (7.!О) и (7.11) представляют собой простые безразмерные соотношения, связывающие расстояние гашения с размером капель в факеле распыла топлива. Существенно то, чзо они устанавливают прямую пропорциональность расстояния гашения размеру капель и обратную пропорциональность корню квадратному из давления газа. Увеличение коэффициента избытка топлива гр и уменьшение плотности топлива рг вызывают уменьшение величины Й„так как при этом ускоряется испарение топлива вследствие увеличения площади поверхности капель.
Аналогичным образом увеличение В ускоряет испарение п уменьшает дс 138) . Величины Еи„„для покоящейся или слабо турбулизованной смеси могут быть получены подстановкой вычисленных значений с(с из уравнения (7.10) или (7.11) в выражение (7. 12) Результаты этих вычислений показаны сплошными линиями на рис. 7.12 и 7.13. Весьма удовлетворительное согласие между теорией и экспериментом, демонстрируемое этими графиками, подтверждает, что рассматриваемая модель в состоянии предсказать с неплохой точностью влияние изменений летучести топлива, среднего размера капель и давления воздуха на минимальную энергию воспламенения. Тем самым подтверждается и положенное в основу модели предположение о том, что в широком диапазоне условий испарение топлива представляет собой стадию, лимитирующую скорость всего процесса. Хотя приведенные выше уравнения для с1, в гетерогенных топливовоздушных смесях были получены для покоящейся смеси, они могут быть применены к движущейся смеси в практических устройствах горения без больших потерь в точности.
Это возможно потому, что свойства факела распыленного топлива, если исключить самые крупные капли, целиком определяются параметрами воздуха, а скорости капель относительно окружающего их воздуха слишком малы, чтобы заметно Глава 7 262 увеличить скорость испарения топлива или скорость отвода тепла от начального очага воспламенения.
Для случая повышенной пульсационной скорости Степа > > 1,0) дч определяется выражением ~,=(1+ '." ')' Х ~ЗРР"'22 з 0.5 се зв(14з, „)Оесззсра ) ) ] (7.13) где Сз = 010/052 и 2710 — средний диаметр капель. В идеале величины С(, Сз и Сз должны определяться из анализа распределения капель топлива по размерам в каждом юо Х ; 16 мз Ва 2 165 Р, Пп факеле распыливания. Это было бы утомительной и трудоемкой процедурой, но, к счастью, факелы распыла, создаваемые хорошо сконструированными распыливающими устройствами различного типа, характеризуются рядом общих важных особенностей [39].
Путем анализа данных о распределениях капель по размерам установлено, что для простых центробежных форсунок и для форсунок с пневмораспылом топлива С( = 0,31, СО=0,21 Сз = 0,46 и У =С Соз/Сз 1 46 1 а Об об )О чз Рис. 7.!2. Минимальная энергия воспламенения покоящейся смеси мазута с воздухом при различном среднем размере капель 1361. Р=(00 кпа, 7=290 К. — расчет по уравпенням (7.10) н (7.12), модель, основанная н» определяющей полн процесса испарения: О Оп=150 мкм; с!паз=(00 мкм; С) Озз ЯО мкм. Рнс.
7.13. Влияние давления воздуха на величину минимальной энергии воспламенения 1361. 0=0,05, Ом4 М мкм, 7-200 К. и=О. — расчет па уравнениям (7.10) н (7.12): Π†маз, т7 — дизельное топливо; Ъ вЂ” га. вайль; Ьу — нзооктан. 263 Воспламенение смеси а камера сгорания В более поздней работе [40] изложенная модель была усовершенствована; в ней учтены; 1) конечная скорость химических реакций, что, как известно, существенно при очень хорошем распыливании топлива, низких давлениях и малых гр; 2) наличие паров топлива в смеси, поступающей в зону воспламенения.
Таким образом, рассмотренная модель имеет универсальный характер и применима к покоящейся и движущейся смесям газового, жидкого или испаренного топлива с воздухом, а также любых комбинаций этих топлив. Были получены выражения для расстояния гашения, охватывающие все условия, которые могут встретиться в устройствах горения. Они приведены в табл.
7.2. Так, например, учет конечности скорости химических реакций превращает уравнение (7.10) в (7.14) Величины Е,„„могут быть получены подстановкой соответствующих значений дс нз табл. 7.2 либо в уравнение (7.7), либо в уравнение (7.12). Если все топливо или часть его присутствует в виде капель, следует использовать уравнение (7.12). Но для газовых или полностью испаренных топлив предпочтительней уравнение (7.7). Справедливость универсальной модели проверялась экспериментально как для покоящихся, так и для движущихся смесей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
