Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 52
Текст из файла (страница 52)
На рис. 7.14 приведены экспериментальные данные о минимальных энергиях воспламенения Е„„п в зависимости от величины коэффициента избытка топлива р для покоящихся смесей мазута и воздуха. Сплошные линии представляют результаты расчета в рамках рассматриваемой модели при учете как химических реакций, так и испарения, штриховые линии— только процесса испарения. Видно, что модель, учитывающая только испарение, отлично согласуется с опытом при составах смеси, близких к стехиометрическому, а для наибольших из исследованных капель (150 мкм) — во всем диапазоне составов. Но с уменьшением размера капель точность этой модели снижается, и при наименьшем размере капель (40 мкм) универсальная модель заметно эффективнее при малых величинах <р.
На рис. 7.15 показано влияние давления на Еисл для четырех различных жидких топлив, распыливаемых в воздушном потоке при среднем размере капель 60 мкм. Сплошные и штриховые линии соответствуют тем же предположениям, что и выше. Из рисунка видно, что учет химических реакций позволяет достичь лучшего согласия теории и опыта. Следует также отметить, что для изооктана зависимость Еи„от давления сильнее, чем для мазута: наклон прямой Е,„. =1(Р) для него несколько больше. Причиной этого является то, что в области 264 Ю с Ю Ю л о Ю с Ю Ю х о со с ! Ю х а Ю х а Ю О, СЦ + аа О с о" ! са с с сц + аз О. Оа + ОО 8.
О. с а \ О. С1 ! С~ хс, О. Й ! Ь с х Ю Ю Ю са О Ь ао Б!! ~О о оо " !! Ь сс с сО О. с" х Ю о х о х н л в х с о х Ф х Ю а сО сс Ю х с о с о х х х Й ° с х х х О в Ю О ж х х х Р:[ х х х х Ос ас ссс с' О' со О 2)ж !! 'б 'О со С + б са Ю б о х Ю х о О. х о ю х х о с Ю с х ос х ох \ Ю о х" Ю х Ос ха Ю оо ОХ ю а Ю с а я ~И Ь с х Ю О. Ы Ю х о ю х х Ю ах х о О Х х с х ю х Ю Ю ох ОХ Ю о Ю с $ Глава 7 б ~ са с сс х Ю О ю сс ха ах х х х ю с хо ох с х с ох О Х ю о сс ЮХ воснааменение смеси а камере сгорания 2б5 3 — 3 а«3 а О- М асс о Ж а С3 О О + С~ ч о. О ! 'о Са С« са са" С«„ СС 33 а СО „ОО о а о Са с + Са + 9.
а. С3 ха о О о ох х х 3 о хо ха х «а Х «3 \ Х 3" Боо оха оах о д х с о 3« О 5!! а. о х о 3« Х 3 «3 Х 3 ох хо х О ха 3 Х 3 о о о х Ц о '3 « « о х о х о О, 3« о а х «3 3 хо о„ х х О. о а' 3 о аоо о ,.О х о С х ОО К!! с ха с х х ох «« о и Х О с х о О «а С«.
а С« о М о а СМ О. С$ ! О, СЧ а« О« н 333 + Ьс аах н. бх О. СЧ Ъ О. СЗ ! О. С'3 са О + ас 9. ан а'С са О Глава т 2бб низких давлений при воспламенении октана кинетика реакций играет более важную роль, чем при воспламенении мазута. Вообще говоря, в случаях, когда доминируют эффекты, связанные с испарением, из уравнений (7.11) — 17.13) как для движущихся, так и для покоящихся смесей получается Ем,поз Ооа 2оа )оо )о Ойа 02 ОД 04 0,6 08 7,0 Р, )Озла 1 о,, а,а од ),о ч' Рис. 7.14. Улучшение согласия результатов расчета н опытов при учете химических реакций 1401.
Покоящаяся емееь мазута и аоздуха. — — — модель, осноеанная еа определяющей роли процесса испарения, уравнения (7.10) н (7.12К вЂ” модель, укитмзающая химичеекие реакции, ураенепия (7.12) и (7.14). Рис. 7.15. Улучшение согласия результатов расчета н опытов прн учете химических реакций 140). 0=15 м/е, Ч=ОЯ, О =ббмкм. Π— мазут: о — дизельноетоплиео: тх — тазойть),,— изооктан. оз Р— ".
Однако если процесс лимитируется химическими реакциями, то уравнения 17.5) — 17.7) дают для предельного случая, когда скорость распространения пламени не зависит от давления, Еми, со Р-'. Таким образом, как для покоящихся, так н для движущихся гетерогенных смесей показатель степени в зависимости Емк, от давления всегда находится в пределах от — 0,5 до — 2 в зависимости от относительной важности эффектов испарения топлива и химических реакций. В целом любые изменения, усиливающие роль кинетики реакций, такие, как уменьшение давления или величины коэффициента избытка топлива (р либо увеличение коэффициента массообмена, способствуют усилению зависимости Емли от давления.
Значения 41о 262 Восппамененне смеси е камере сгорании (7. 15) Следовательно, для сохранения характеристик воспламенения неизменными, т. е. для сохранения величины з(„необходимо выполнить равенство ()зз (пиз. топл.) [(п (! + В )/р 1 ол пзз (керосин) (7. 16) ()п ( + стех)/рп)керосин Для дизельного топлива ри = 900 и В„„= 2,8; для керосина ри = 775 и В„„= 3,75. Подставляя эти значения в (7.16), по- лучим ()зз (лиз. топл.) ))зз (керосин) Это означает, что средний заутеровский диаметр капель в факеле распыливания дизельного топлива следует уменьшить на 14 '/„чтобы характеристики воспламенения получились такими же, как для керосина.
из табл. 7.2 в совокупности с уравнениями (7.7) и (7.12) позволяют оценивать с хорошей точностью величины минимальной энергии воспламенения в широком диапазоне изменений давления, коэффициента избытка топлива, среднего размера капель н вида топлива как для покоящихся, так и для движущихся турбулентных смесей. При этом с удовлетворительной точностью учитывается уменьшение минимальной энергии воспламенения, обусловленное наличием паров топлива в зоне воспламенения.
Применительно к газотурбинным двигателям достоинства рассмотренной модели заключаются не столько в ее способности прогнозировать требования к величинам минимальной энергии воспламенения (так как располагаемая энергия искрового разряда определяется характеристиками электрической свечи и системы зажигания высокой энергии), сколько в том, что она выявляет параметры, лимитирующие воспламенение, и устанавливает количественные соотношения между ними. Рассмотрим для примера камеру сгорания, которая нормально работает на керосине, и попытаемся оценить, какое повышение качества распыливания топлива потребовалось бы, чтобы получить те же характеристики воспламенения, но уже с дизельным топливом.
В данном случае определяющими свойствами топлива являются плотность и летучесть, причем последняя представлена в уравнениях для расстояния гашения через коэффициент массообмена В. Из уравнения (7.!1) полу- чаем 268 Глава У ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ Основными факторами, определяюгцими характеристики воспламенения, являются система зажигания, параметры потока и свойства топлива. Система зажигания Энергия, длительность и частота искрового разряда зависят от конструкции системы зажигания, размера накопительного конденсатора и конструкции свечи. Все эти факторы влияют таблица Тат Влияние давления газа только на первую стадию яа велячвяу энергии, выделяющейся воспламенения.
В принципе в разряде 1151 доля выделившейся при раз- ряде конденсатора энергии, используемая непосредственно в искре, возрастает при увеличении давления, межэлектродного промежутка и скорости потока смеси. Положительный эффект от увеличения давления и межэлектродного промежутка даадение газа, дна Энергия разряда, дж !9 99 306 651 2,42 2,68 3,19 3,51 Параметры потока К числу важных параметров потока воздуха относятся давление, температура, скорость и турбулентность. Давление воздуха.
Все имеющиеся экспериментальные данные (полученные в покоящихся смесях, в идеализированных системах с движущейся смесью и в натурных камерах сгорания) связан с тем, что при этом увеличивается число молекул, находяшихся в канале дугового разряда. Вследствие этого возрастает электрическое сопротивление промежутка, что требует большего напряжения пробоя, и в итоге увеличивается энергия разряда. В табл. 7.3 приведены данные, основанные на результатах измерений 115] и иллюстрирующие влияние давления на выделение энергии в свече поверхностного разряда. Дополнительные данные о влиянии давления и состава газа на энергию разряда можно найти в работе 141~.
При повышении скорости потока энергия разряда также имеет тенденцию к увеличению. Это происходит частично вследствие «растяжения» разряда, увеличивающего электрическое сопротивление и, следовательно, выделение энергии, а частично из-за уменьшения потерь тепла в электроды, так как дуговой разряд смещается относительно рабочей поверхности свечи потоком воздуха. 269 Воспламенение смеси а камере сгорания определенно свидетельствуют о существенном влиянии давления на величину минимальной энергии воспламенения. Типичными для покоящихся смесей являются данные работы [27[ для пропана, показанные на рис.
7.16. Из них следует, что трехкратное уменьшение давления приводит к восьмикратному увеличению минимальной энергии воспламенения. В работе [8[ исследовалось воспламенение движущейся однородной смеси и было установлено, что минимальная энергия воспламенения изменяется с давлением соответственно зависимости Е,„„со Р-'. Такая зависимость предсказывается уравнениями (7.5) и (7.7) 50 20 !О о О,! ОЯ 0,5 1,0 2,0 5,0 1ОР 200 Энергия воспламенения, мдлг Рис. 7.16. Влияние лавлсния на минимальную энергию воспламенения покояпгихся газовых смесей 127). для покоящихся и движущихся смесей в случае, когда горение представляет собой химическую реакцию второго порядка.
О сильном влиянии давления на Е„„, в газовых смесях свидетельствуют данные рис. 7.11. Для гетерогенных топливовоздушных смесей влияние давления на Е,„„может быть существенно меньшим в зависимости ог того, в какой степени скорость испарения топлива контролирует воспламенение. В тех случаях, когда процесс воспламенения полностью лимитируется испарением (а это справедливо для большинства камер сгорания газотурбинных двигателей в широком диапазоне эксплуатационных условий), Е „„со Р-". Ббльшая часть данных, относящихся к натурным камерам сгорания, приведена в работах [11, 35, 42). Хотя эти данные относительно малочисленны и отличаются значительным разбросом, все они обнаруживают отмеченную выше тенденцию к ухудшению характеристик воспламенения при понижении давления. Температура воздуха.
Все имеющиеся данные свидетельствуют о том, что снижение температуры воздуха неблагоприятно для воспламенения. Этого и можно было ожидать, поскольку, во-первых, при низких температурах требуется больше энергии для нагрева топливовоздушной смеси до температуры, при которой идет быстрая реакция, и, во-вторых, скорость испарения топлива при низких температурах меньше, так что ббльшая часть энергии искры тратится на испарение капель топлива. 77О Глава 7 0,5 05 07 0,9 г,г Влияние температуры воздуха на величину минимальной энергии воспламенения иллюстрирует рис.
7.17, где приводятся данные, полученные при давлении 20 кПа, скорости 16 м/с и постоянном заутеровском диаметре капель 60 мкм 143]. Видно, что минимальная энергия воспламенения быстро снижается при повышении температуры воздуха и изменении величины и по направлению к стехиометрии. Поскольку камера сгорания обычно работает при постоянном значении отношения И/Т", любое снижение температуры 7000 воздуха сопровождается уменьшением скорости. Поэтому, за исключением области малых расходов топлива, в которой Овлоемь испарение играет доминирую- щую роль, неблагоприятное ГОО— влияние понижения температуры воздуха частично компенсируется соответствующим т,к уменьшением его скорости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
