Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Другой край спектра капель, показанный на рис. 10.7, полезен для определения максимального размера 1)ы полностью испаряющихся и сгорающих капель. Это важно знать в случае горения топлив, обладающих низкой летучестью, особенно для оценки образования вредных выбросов. В работе [12] введен максимальный размер стабильной капли, т. е. капли, не подвергающейся распаду. Этот размер в 3 раза больше среднего медианного и в 3,6 раза больше среднего заутеровского в данном аэрозоле. Степень неравномерности распыла Распределение топлива по окружности конического факела аэрозоля обычно характеризуется степенью неравномерности. Неравномерность оказывает отрицательное влияние на многие характеристики процесса горения (в особенности на поля температуры и выбросы вредных продуктов) вследствие образования локальных зон с более богатой или бедной смесью по сравнению с расчетным составом.
Угол факела распыла жидкости Величина угла факела распыла сильно влияет на воспламенение, пределы устойчивости горения и содержание дыма в выхлопных газах. Для струйных форсунок характерны малые значения угла факела распыла и довольно равномерное распределение аэрозоля по объему. Равномерные аэрозоли часто называют «сплошными». Такой топливный факел можно получить и при помощи центробежных форсунок, но применяемые в ГТД форсунки обычно создают полый конический факел с большим углом раскрытия и с наибольшей расходонапряженностью жидкости в его периферийной части.
Как в тех, так и в других форсунках струя или пелена жидкости, быстро распадаясь на капли, сохраняет общее направление движения исходной струи или конуса. Однако вследствие сопротивления воздуха капли, которые движутся с большей скоростью или оказались на периферии факела, быстро теряют количество движения, дробятся и образуют облако распыленных капель вокруг основной массы аэрозоля. Последующие дробление и испарение этих капель определяются главным образом движением воздуха и газообразных продуктов в зоне горения. В случае форсунок с щелевыми соплами, создающих узкие и компактные факелы, в которых аэродинамическому воздействию воздуха подвергается малая доля капель, распространение аэрозоля как целого определяется величиной и направлением скорости, сообщенной жидкости к выходу из сопла 398 Глава 10 форсунки.
В противоположность этому полые факелы центробежных форсунок испытывают заметное влияние окружающего потока воздуха. С увеличением угла раскрытия факела возрастает и степень этого влияния, что улучшает процесс распыливания и увеличивает долю капель, распределение которых в пространстве зависит от аэродинамической структуры первичной зоны горения. По этой причине угол факела распыла центробежной форсунки является важной характеристикой. В пневматических форсунках капли с самого начала образуются под воздействием воздушного потока внутри форсунки, и поэтому их траектории определяются воздушными течениями, создаваемыми взаимодействием потоков воздуха, поступающих в камеру из форсунки и через отверстия в стенках жаровой трубы.
Степень диспергированив Если в любой момент времени известно количество топлива, находящегося в камере сгорания, то можно определить величину, характеризующую степень диспергирования топлива, например, как отношение объема аэрозоля к объему содержащегося в нем топлива. Другие способы определения степени диспергирования описываются в работе [16). Польза хорошего диспергирования состоит в быстром перемешивании топлива с окружающим газом, в результате чего достигаются высокие значения скорости испарения и тепловыделения. При использовании форсунок с щелевыми соплами, создающими узкие факелы, диспергирование выражено слабо, а в случае центробежных форсунок оно зависит от угла факела распыла, среднего размера капли, распределения капель по размерам и в меньшей степени от физических свойств топлива и окружающей среды.
Таким образом, факторы, приводящие к увеличению угла факела распыла, улучшают и диспергирование топлива. Дальнобойность Дальнобойность капель аэрозоля можно определить как максимальное расстояние, на которое они проникают в неподвижную газовую среду. На эту характеристику влияют два противоположно действующих фактора: 1) начальная кинетическая энергия струи и 2) сила аэродинамического сопротивления окружающего газа. Хотя начальная скорость струи велика, по мере распада струи и увеличения поверхности аэрозоля кинетическая энергия топлива постепенно уменьшается вследствие потерь на трение. Наконец, после израсходования всей кинетической энергии капли ее траектория определяется силой тяжести и движением окружающего газа. 399 Подача толпила ИЗМЕРЕНИЯ В АЭРОЗОЛЯХ Наиболее важными для конструкторов камер сгорания характеристиками аэрозолей являются средний размер капель, их распределение по размерам, угол факела распыла и его дальнобойность.
Ниже описываются наиболее широко используемые методы определения этих характеристик. Размер капли Хотя большинство капель аэрозоля обычно имеет малые размеры, именно немногие капли большого размера определяют средний диаметр. СледоваТаблица 10.2 Влнянне числа капель тельно, для представитель- а пробе на точность определения ности пробы очень важно нх размера [15[ учесть все крупные капли. Присутствие или отсутствие одной большой капли в пробе из 1000 капель может изменить средний диаметр на 100 ог1о [!Т1. Достаточно точную оценку качества распыливания можно пол чить по п обе Погрешность, Ж Число капель в пробе 500 1500 5500 35000 ~17 ~10 сь5 ~2 У Р состоящей из -3000 капель. Точность определения среднего диаметра при разном числе капель в пробе и доверительном уровне 95 е1о представлена в табл.
!0.2 [18]. Методы определения размера капель подразделяются на три основные группы: прямые, косвенные и методы моделирования, в которых топливо заменяется жидкостями, затвердевающими после распыливания, так что твердые частицы могут быть легко измерены и пересчитаны. Простой прямой метод состоит в улавливании капель на пластинку, покрытую слоем окиси магния, толщина которого равна диаметру предполагаемой наибольшей капли. Размеры отпечатков капель обычно измеряют под микроскопом со сканированием, а затем, вводя поправки, приведенные в работе [!9[, вычисляют действительные размеры капель.
В общем случае дальнобойность компактной узкой струи аэрозоля велика, а широкий факел хорошо распыленной жидкости испытывает большее сопротивление воздуха и обычно имеет малую дальнобойность. Однако а любом случае дальнобойность струи аэрозоля значительно выше, чем одиночной капли, так как капли аэрозоля, движутциеся впереди, увлекают воздух, отдавая ему свою энергию, а капли, следующие за ними, испытывают меньшее сопротивление воздуха и продвигаются на большее расстояние. 400 Глаэа ~О Позже ]20] покрытые сажей пластины были использованы для нахождения распределений капель по размерам на различных расстояниях от оси факела.
Отборное устройство состояло из поперечно устанавливаемой трубки, имеющей десять 5-мм отверстий в стенке для улавливания капель. Внутри трубки помещалась поворачивающаяся вокруг оси стеклянная пластина, покрытая сажей. Измерения выполнялись на расстоянии 60 мм от форсунки. Топливный аэрозоль, проходя через отверстия в стенке трубки, оставляет отпечатки капель на стеклянной пластине, которые затем фотографируются под микроскопом при увеличении в 350 раз.
Каждая группа отпечатков соответствует положению определенного отверстия в топливном факеле. Диаметры отпечатков измеряются при помощи масштабной линейки с ценой деления 0,5 мкм, а затем подсчитывается их количество в интервалах диаметров шириной !О мкм. Таким образом получаются распределения капель по размерам на различных радиальных расстояниях от оси факела.
Одна из трудностей метода улавливания капель иа пластинку состоит в контроле доли площади, занятой отпечатками. При увеличении числа отпечатков нарастает ошибка, связанная с их перекрытием, затрудняющим счет и измерение капель. Если же отпечатков слишком мало, то проба становится непредставительной. Минимальная доля площади, при которой измерения можно считать удовлетворительными, составляет 0,2 '/,; при ее увеличении до более 1 4~4 влияние перекрытия отпечатков становится недопустимо большим. Другими важными для измерений эффектами являются испарение капель и степень их захвата пробоотборником.
Малые капли существуют короткое время. Например, капли воды диаметром 10 мкм в атмосфере с относительной влажностью 90",, существуют в течение приблизительно 1 с 121]. Следовательно, при измерениях мелких капель очень важно учитывать влияние испарения. Влияние коэффициента захвата капель особенно существенно применительно к пневматическим форсункам ввиду того, что на эту величину сильно влияет поле скорости вокруг отборного устройства. Крупные капли, обладая достаточно большой инерцией, попадают на собирающую поверхность, а мелкие могут миновать пробоотборник вместе с обтекающим его воздушным потоком.
По этой причине размеры капель пневматических форсунок при использовании этого метода измерений оказываются завышенными. Еще одна трудность связана с введением поправочного множителя, который учитывает отличие размера плоского отпечатка от первоначального диаметра сферической капли. Значение этого множителя зависит от свойств жидкости (главным образом от ее поверхностного натяжения) и характеристик 401 ПОЯВЧВ ТОПЛИВО слоя, нанесенного на пластину.
Так, для капель масла поправочный множитель приблизительно равен 0,5 в случае чистой стеклянной пластины и 0,86 в случае пластины, покрытой окисью магния [22]. Другим важным методом исследования распределения капель по размерам является так называемый парафиновый метод [23]. Идея метода состоит в замене топлива расплавленным парафином, который после распыливания затвердевает. Использованный в работе [23] расплавленный парафин имел физические свойства, близкие к свойствам авиационного керосина (плотность 780 кг/мз, поверхностное натяжение 0,027 кг/са, кинематическая вязкость 1,5.10-4 мз/с). Использовались также расплавы воска и его смеси с полиэтиленом, позволяющие варьировать вязкость [21].
Достоинством этого метода является возможность непосредственного определения объемных (или массовых) долей для каждого диапазона размеров капель либо под микроскопом, либо при проссивании отвердевших капель. Главный недостаток метода заключается в трудностях контроля температуры расплава и его быстром остывании после выхода из форсунки, в результате чего процессы образования и последующего слияния капель не могут быть точно смоделированы.
По этой причине необходимо нагревать воздух вблизи сопла до температуры расплава, так как здесь происходят наиболее важные процессы распыливания. Естественным развитием парафинового метода была попытка замораживания капель жидкости. В 1957 г. был описан [24] метод замораживания аэрозоля жидким азотом. Форсунка располагалась на высоте 0,4 м над поверхностью жидкого азота; после сбора достаточного количества капель жидкий азот процеживался, а замороженные капли просеивались через ряд сеток с размером ячеек от 53 до 5660 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
