Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 77
Текст из файла (страница 77)
7. Низкая стоимость, малая масса, простота изготовления и демонтажа для технического обслуживания. 8. Слабая чувствительность характеристик к повреждениям конструкции при изготовлении и монтаже. Кроме того, распыливающие устройства должны обеспечивать: 1. Создание легко воспламеняющейся горючей смеси.
2. Более широкий диапазон изменения расхода топлива по сравнению с диапазоном изменения расхода воздуха в камере сгорания. 3. Контролируемое распределение топлива по первичной зоне горения. 4. Распределение температуры газа на выходе камеры, нечувствительное к изменениям расхода топлива.
ПРОЦЕСС РАСПЫЛИВАНИЯ В камерах сгорания газотурбинных двигателей распыливание топлива обычно осуществляется путем создания тонкой пелены жидкости, которая легко теряет стабильность и распадается на капли. Тонкую пелену жидкости можно получить путем подачи жидкости через цилиндрические отверстия или узкие щели со специально спрофилированными подводящими каналами на металлическую поверхность либо в центр вращающегося диска или чашки.
Таким образом, независимо от способа осуществления распыливания — гидравлического, пневматического или механического — форсунка предназначается Заэ Полача топлива для превращения потока топлива в тонкую струю или тонкую пелену, из которых образуются жидкие нити (жгуты), а затем капли, и распределения капель по всей зоне горения с задан- ными расходонапряженностью и направлением движения. (10.1) При 1т = 0 величина Л/да равна 4,44, что близко к значению 4,5, полученному Релеем.
В экспериментальных исследованиях распада струи вязкой жидкости [4[ при 1т =0,86 кг/(м с) величина Л/т(, составляла 30 — 40. Наблюдались четыре режима распада: образование капель при воздействии окружающего воздуха, образование капель без этого воздействия, возникновение волн вследствие трения жидкости о воздух и окончательный распад струи. В случае распада струи под действием окружающего воздуха размеры получаемых капель определяются отношением разрушающей аэродинамической силы р„, ут, к восстанавливающей равновесие силе поверхностного натяжения и/с(а. Это безразмерное отношение известно как число Вебера 'тт'е = ао „Ла Для случая распада в отсутствие влияния окружающего воздуха из анализа размерностей следует, что качество распы- Распад струи Существует несколько форм распада струи, но во всех случаях последней стадией распада является ее неустойчивость и распад на ряды капель в соответствии с классическим механизмом Релея [1[.
Согласно его теории, цилиндрическая струя жидкости неустойчива и распадается на капли, если величина амплитуды малых возмущений, симметричных относительно оси струи, достигает половины ее диаметра. При этом Л/т/в —— =- 4,5, где Л вЂ” длина волны возмущения, а т(а — начальный диаметр струи. Такое теоретическое значение Л/Ыа соответствует среднему диаметру капли после распада, равному 1,89т/в, т. е. почти вдвое большему, чем начальный диаметр струи. Измерения частоты образования капель при распаде струи [2[ дают Л/т(а — — 4,59, что близко к теоретическому результату Релея. Релей считал, что только силы поверхностного натяжения препятствуют распаду; вязкость жидкости не принималась во внимание.
Впоследствии Вебер [3] учел влияние вязкости на распад струи и получил следующее выражение для величины Л/да, соответствующей максимальной неустойчивости вязкой струи: д =и Ъ'2 [1+ЗА/Ъ'Ржи(а)". глава 10 390 ливания зависит от диаметра струи и свойств жидкости — плотности, поверхностного натяжения н вязкости. Установлено, что распад определяется так называемым числом Л [5[: (10.3) кь з/оржао Значения чисел %е и Х дают полезную информацию о качестве и характере процесса распыливания для любого типа форсунки, если известны значения дь и свойства воздуха и жидкости. Использование этих критериев при обработке экспериментальных данных о средних размерах капель, получаемых при распыливании центробежными и пневматическими форсунками, обсуждается ниже.
Распад пелены Установлены три формы распада пелены жидкости [61: кольцевой, волновой и путем локальных разрывов. В первом случае силы поверхностного натяжения приводят к образованию на свободном краю пелены утолщения (валика), которое затем распадается на капли аналогично распаду струи. Образующиеся капли продолжают двигаться в первоначальном направлении, но остаются связанными с остальной поверхностью пелены тонкими нитями жидкости, которые также быстро распадаются на ряды капель. Такая форма распада доминирует, если вязкость и поверхностное натяжение жидкости велики.
При этом образуются отдельные крупные капли и большое число мелких капель-спутников. При распаде пелены путем локальных разрывов на некотором расстоянии от места подачи жидкости в пелене образуются отверстия с кольцевым утолщением за счет жидкости соответствующего участка пелены.
Отверстия быстро увеличиваются до слияния соседних кольцевых утолщений, после чего образуются нити неправильной формы, распадающиеся на капли различных размеров. При распаде пелены вследствие волнового движения участки пелены, размер которых соответствует половине длины нли целой длине волны колебаний, отрываются, еще не достигнув передней кромки пелены. Эти участки пелены распадаются на капли под действием потока воздуха и турбулентных пульсаций до того, как станет возможным образование регулярной системы нитей. В работе [7[ отмечалось, что упорядоченность процесса распада пелены и равномерность образования жидких нитей оказывают большое влияние на распределение капель по размерам.
Если отверстия в пелене возникают на одинаковом расстоянии от места подачи жидкости, то и их развитие происходит одинаково, так что в этом режиме распада Подача топлива ХАРАКТЕРИСТИКИ АЭРОЗОЛЯ Характеристиками аэрозоля, важными для процесса горения, являются средний размер капель, распределение по размерам, Таблица 10.1 Некоторые определения среднего размера капель Мнгемагичесипе определение среднега размера (н †чис частиц дизмегрз О) Обозна- чение Слпнесипе определение Параметр д"пр дл дпрз дпр р или р~ Средний арифметический диа- метр капель в аэрозоле Диаметр р, Диаметр капли, имеющей то же самое отношение площади поверхности к диаметру, что и для всего аэрозоля Диаметр капли, имеющей то же самое отношение объема к площади поверхности, что и для всего аэрозоля Диаметр капли, плошадь поверхности которой равна средней площнди поверхности для всех капель в аэрозоле Значение диаметра капли, разделяющее пополам всю массу аэрозоля Поверхностно.
линейный диаметр тпрз тпрз рзз Объемно-поверхностный диаметр ~ Хлрз ~о,з Средний поверхностный диаметр ~ тлрн ~о,зз Среднемассовый (медианный) диаметр распределение потоков массы, угол конуса факела распыливания и его дальнобойность. Наибольшее внимание уделяется первым трем характеристикам, так как в основном лишь они зависят от конструкции форсунки. Угол факела распыливания обеспечивается равномерность нитей и капель по размерам. В то же время волновой механизм распада пелены, как правило, весьма нерегулярен, и поэтому образующиеся капли имеют различные диаметры. В зависимости от режимных параметров преобладает тот или иной механизм распада пелены, что влияет на средние размеры капель и их распределение по размерам. Распад пелены жидкости под действием больших аэродинамических сил будет рассмотрен в разделе, посвященном пневматическому распыливанию.
Более подробное описание различных форм распада струи и пелены можно найти в работах )7— 91, содержащих также обзоры соответствующих исследований. 392 Гпава 1Е и дальнобойность зависят как от конструкции, так и от аэродинамических процессов, которые воздействуют на аэрозоль после завершения распыливания топлива. Средний размер капель Термин «средний размер» был введен для облегчения расчетов скорости испарения и оценки качества распыливания различных аэрозолей. Определение этого размера зависит от цели его использования; средний размер капель позволяет заменить данный аэрозоль воображаемым монодисперсным, имеющим те же характеристики.
Чаще других используется так называемый средний заутеровский диаметр Ом, представляющий собой диаметр капли, у которой отношение объема к площади поверхности равно этому отношению для всего аэрозоля, т. е. 1)за= ~„~>а . Хнпз (10.4) Часто используется также средний медианный диаметр Р„ т. е. диаметр, для которого массы жидкости, содержащиеся в меньших и ббльших каплях, одинаковы. Математические определения и физический смысл используемых средних диаметров даны в табл. 10.1. Распределение капель пе размерам Вследствие неоднородности процесса распыливания жидкие нити и перемычки, образующиеся при распаде струи или пелены, имеют широкий разброс размеров, и поэтому как основные капли, так и капли-спутники также сильно различаются по диаметрам. Лишь в некоторых специальных условиях, например при использовании вращающихся форсунок, работающих в ограниченных диапазонах расхода топлива и скорости вращения, возможно получение сравнительно однородных аэрозолей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
