О стабилизации пламени опубликовано значительное количество данных, большая часть которых получена со стабилизаторами пламени в виде плохообтекаемых тел в потоке однородной топливновоздушной смеси. Но, несмотря на проведенную работу, детали механизма стабилизации все еще далеко не ясны. Был предложен целый ряд теорий, включая теории Вильямса, Хоттеля и Сарлока [16], Лоигвслла и др. [3], Сполдинга [72], Зукоски и Марбла [57], Хитрина и Голь- денберга [73[, Ченга и Ковитца [74], Лёблиха [75]. Все эти теории с большим или меньшим успехом учитывают наблюдаемые особенности пламен, стабилизированных плохообтекаемым телом. В то же время для реальных камер сгорания все известные данные о влиянии геометрии жаровой трубы и параметров потока на стабилизацию пламени могут быть объяснены в рамках простой модели первичной зоны камеры, схематически показанной на рис. 2.24 и рассматриваемой как элементарный стабилизатор пламени внутриполостного типа, применяемого в камерах сгорания турбореактивных двигателей. Для простоты завихритель исключается из рассмотрения, и в модельном течении весь идущий на горение воздух первичной зоны поступает в жаровую трубу через единственный пояс отверстий в его боковых стенках. Вытекающие из отверстий струи воздуха проникают до оси жаровой трубы, и часть суммарного расхода воздуха М, равная Mr, отклоняется против направления основного потока и образует рециркуляционную зону (во внутренней полости жаровой трубы), в то время как остальной воздух течет по основному направлению к выходу из камеры Топливо впрыскивается в зону обратного потока, и зона горения, как предполагается, имеет структуру, подобную структуре факела пламени, образующегося на бунзеновской горелке в условиях турбулентного течения смеси.
Рис. 2.24. Первичная зона горения в камере газотурбинного двигателя.
Увеличение потерь полного давления на жаровой трубе, достигаемое, например, уменьшением размера отверстий для подвода воздуха, оказывает двоякое действие. Во-первых, вследствие увеличения отношения Mr/M оно ведет к уменьшению эффективности горения в первичной зоне [49]. Во-вторых, увеличение потерь давления сильнее турбулизует воздушные струи, что увеличивает скорость горения и тем самым повышает эффективность горения. Суммарный эффект обычно приводит к повышению уровня эффективности горения. Одновременно возрастает скорость газа при срыве пламени. Другим следствием увеличения Mr/M является уменьшение отношения топливо/воздух в первичной зоне.
Это может вызвать как увеличение, так и уменьшение скорости при срыве пламени, в зависимости от того, была ли исходная величина отношения топливо/воздух больше или меньше стехиометрического значения. При впрыске топлива распыляющими устройствами наиболее важный результат увеличения потерь давления на жаровой трубе заключается в сужении пределов стабилизации пламени вследствие улучшения смешения топлива и воздуха в циркуляционной зоне.
Из проведенного выше анализа ясно, что роль потерь полного давления очень сложна, что следует иметь в виду при интерпретации явно аномального поведения стабилизированных во внутренней полости жаровой трубы пламен, которое вызвано изменением потерь давления.
Почти во всех камерах сгорания газотурбинных двигателей пламя стабилизировано во внутренней полости перфорированной жаровой трубы, характеристики которой (как стабилизатора) отличаются от характеристик плохообтекаемого тела в том отношении, что поле течения в большей степени зависит от геометрии системы. Разновидности поля течения, сформированного в четырех типичных конфигурациях жаровых труб, показаны на рис. 2.25. Стабилизация пламени в подобных системах изучалась в работах [76,77], и полученные данные суммированы Лефевром в работах [78, 79|.
На рис. 2.25, а изображена первичная зона, типичная для большинства трубчатых и трубчато-кольцевых камер турбореактивных двигателей британского производства.
Рис. 2.25. Типичные структуры первичных зон горения.
Существенной особенностью, важной для процесса стабилизации пламени, является наличие тороидальной области рециркуляционного течения, которая образована и поддерживается воздухом, поступающим через лопатки расположенного вокруг топливной форсунки завихрители и через один пояс отверстий в стенках жаровой трубы. В дополнение к ее главной роли как основной тепловыделяющей области в камере важная функция первичной зоны состоит в обеспечении циркуляции сгоревших и горящих газов и смешении их с поступающими в камеру воздухом и топливом. Благодаря этому становится возможным непрерывное воспламенение свежей топливно-воздушной смеси и горение может поддерживаться в широком диапазоне изменения давления и скорости газа, а также отношения топливо/воздух. На рис. 2.25, б показана типичная структура первичной зоны горения в кольцевой камере турбореактивного двигателя. Она по существу такая же. как и на рис. 2.25, а, за исключением того, что лопаточный завихритель здесь отсутствует и весь воздух дли горения подводится через один пояс отверстий в стенках жаровой трубы В случаях, когда оказывается трудно или невозможно подвести таким способом достаточное количество воздуха, дополнительный воздух вводится через отверстия или щели во фронтовой части жаровой трубы, как показано на рис. 2.25,в. Принятая в США практика характерна предпочтением, отдаваемым камерам с «глухим» фронтом, в которых воздух в зону горения поступает только через пояса отверстий* (рис. 2.25, г)
Для данного уровня потерь полного давления на жаровой трубе наибольшая устойчивость горения достигается при подводе воздуха через небольшое число крупных отверстий. Причина в том, что размер вихрей, формируемых струями воздуха, и, следовательно, время, располагаемое для сгорания вовлеченного в эти вихри топлива в первом приближении пропорциональны диаметру отверстий для подвода струй воздуха. В то же время существует мнение, что при больших отверстиях для подвода струй имеющийся для горения объем используется неэффективно, и поэтому следует искать компромиссные решения.
*) Приводимые автором сведения о "национальных" особенностях конструкций жаровых труб в значительной мере устарели. В настоящее время наблюдается общая тенденция подводить воздух в зону горения через фронт и одни - два пояса отверстий. — Прим. перев.
Таблица 2.2. Влияние состава смеси в первичной зоне на характеристики камеры сгорания [79]
Смесь | Преимущества | Недостатки |
Бедная |
| Высокие скорости циркуляции газа, отрицательно влияющие на характеристики воспламенения |
Стехиометрическая |
| Высокая температура пламени и большие потоки тепла к стенкам |
Богатая | 1. Низкая скорость циркуляции газа обеспечивает высокую устойчивость горения и легкое воспламенение | 1. «Сажистое» светящееся пламя, отложения кокса и дымление 2 Как правило, неудовлетворительное распределение температуры газа на выходе из камеры 3- Температура стенок жаровой трубы сильно зависит от сорта топлива |
Основные особенности влияния состава смеси в первичной зоне на характеристики камеры были суммированы Лефевром в работе [79]. Главные тенденции можно видеть из табл. 2.2; они позволяют судить о преимуществах и недостатках концепции «бедной» топливом или «богатой» топливом первичной зоны
Влияние характеристик впрыска топлива на стабилизацию пламени показано на рис. 2.26, где изображены две типичные для камер области устойчивого горения. Они отличаются тем, что в одну топливо подается в виде однородной смеси с воздухом, а в другую—в виде факела распыления. При использовании однородной смеси скорость высока, но диапазон устойчивого горения узок; его фактическая ширина определяется уровнем давления и масштабом смешения.
Таблица 23. Сравнение различных распиливающих топливо устройств (79.)
Тип устройства | Преимущества | Недостатки |
Центробежные |
3 Механическая надежность | 1 Распределение топлива и, следовательно, эпюра температуры газа на выходе изменяются при изменении количества подаваемого топлива
|
Испарительное |
|
|
Форсунка с пневмо- распылением | 1. Эпюра температуры на выходе не зависит от расхода топлива 2. Низкое дымление | 1. Очень узкие пределы устойчивого горения |
Вращающаяся |
3. Ровная эпюра температуры газа на выходе |
4 Нестабильность поля температуры (вращательная) |
Сопоставление различных типов впрыскивающих топливо устройств проведено в табл. 2.3 в которой суммированы основные данные, подобные вышеприведенным [79]. Отметим, что каждый тип устройства имеет и достоинства; и недостатки. В результате конструктор должен добиваться определенного компромисса в зависимости от поставленных целей. Непосредственный интерес представляют также характеристики воспламенения и возможности их улучшении. Методы улучшения характеристик воспламенения сведены в табл. 2.4 (79).
Таблица 24. Методы улучшения характеристик воспламенения [79]
Недостаток | Мероприятие | Побочный эффект (см. примечания) |
Неудачный земной запуск |
|
|
1. Уменьшить угол конуса распыления | (а), (г), (е) | |
2. Использовать утопленные свечи | (а) | |
3. Изменить положение свечи |
| |
4. Увеличить глубину погружения свечи | (в) | |
1. Изменить время запаздывания подачи топлива в последовательности операции запуска |
| |
2. Увеличить частоту искрообразованИЯ | (ж) | |
3. Использовать утопленные свечи | (а) | |
Неудачный высотный запуск | 1. Использовать утопленные свечи | (а) |
2. Увеличить глубину погружения свечи | (в) | |
3. Уменьшить угол конуса распыления | (а), (г), (е) | |
4. Уменьшить потери давления на жаровой трубе | (б), (д). (е) | |
Фаза 2 (распространение) | 1. Уменьшить расход воздуха в первичную зону | (г) |
2. Уменьшить угол конуса распыления | (а), (г), (е) | |
Фаза 3 (переброс пламени) | 1. Увеличить сечение пламеперебрасывающих патрубков | (е) |
2. Сместить патрубки против потока | (з) | |
3. Локально уменьшить расход воздуха на пленочное охлаждение | (з) |
Примечания.
(а) Улучшает характеристики повторного высотного запускало Уменьшает удельный расход топлива.
(в) Увеличивает температуру верхушки свечи и уменьшает ее ресурс.
(г) Увеличивает дымление.
(д) Снижает эффективность горении.
(е) Ухудшает эпюру температуры газа на выходе.
(ж) Ухудшает характеристики повторного высотного запуска.
(з) Осложняет задачу охлаждения стенок жаровой трубы.
Рис. 2.26. Влияние способа смесеобразования на устойчивость горения [78]:
1 — подача однородной смеси; 2 — подача испаренного топлива; 3 — подача распиленного топлива.
Предлагаемые меры по облегчению запуска двигателя, как можно видеть, сопровождаются и побочными эффектами, которые могут оказывать отрицательное воздействие
При использовании в камере распыленного топлива максимальная скорость выделения тепла оказывается малой (рис. 2.26). Причина этого заключается в том, что хотя значение эквивалентного отношения на данном режиме номинально равно стехиометрическому, но вследствие очень неравномерного распределения топлива большая его часть сгорает в виде смесей, состав которых либо «беднее», либо «богаче» стехиометрического, и, следовательно, скорость горения относительно мала. Однако при подаче распыленного топлива суммарная величина эквивалентного отношения может находиться даже за пределами распространения пламени, но благодаря неоднородному распределению топлива обязательно существуют области, в которых местные значения отношения топливо/воздух находятся внутри пределов распространения пламени, что обеспечивает устойчивое горение. Таким образом, камеры с впрыском жидкого топлива характеризуются широкими пределами устойчивого горения, и в частности большими значениями отношения воздух/топливо (ф) на «бедном» пределе (типичное значение ф составляет 1000 по сравнению со 120 для камер с предварительным смешением топлива и воздуха). Для камер испарительного типа, в которых все топливо предварительно хорошо перемешивается с небольшим количеством воздуха, общий уровень подготовки смеси выше, чем в камерах с впрыском распыленного топлива, но ниже, чем в камерах с подачей однородной смеси.
В результате границы области устойчивого горения для камер смесительного типа располагаются между границами областей для камер с распылением топлива и с однородной смесью, а типичная величина ф на «бедном» пределе приблизительно равна 400.
Из проведенного выше анализа ясно, что для достижения максимальной объемной скорости тепловыделения первичную зону следует формировать с использованием большого числа малых струй однородной топливно-воздушной смеси. С другой стороны, чтобы обеспечить горение при низких давлениях и в широком диапазоне составов смеси первичную зону надо создавать в виде крупномасштабных зон обратного тока с впрыском распыленного топлива. Большинство современных авиационных камер сгорания относится к этому последнему типу, но при конструировании новых камер необходимо, когда это возможно, организовывать рабочий процесс ближе к первому типу, экономя тем самым объем камеры. Такая возможность появляется, например, при конструировании камер для авиационных подъемных двигателей, которые, как правило, не предназначаются для работы при очень низких давлениях.
Присущая большинству хорошо сконструированных камер сгорания устойчивость горения настолько высока, что не всегда возможно определить полную замкнутую область стабилизации пламени при ограничениях, которые обычно характерны дли испытательных стендов. В связи с этим внимание уделяется в основном «бедному» пределу срыва пламени и соответствующим ему значениям ф, определяемым при изменении важных режимных параметров двигателя. Отсюда следует, что любой анализ, проводимый с целью обобщении данных, носит в большей части академический характер, поскольку в настоящее время имеется слишком мало данных, полученных для реальных практических устройств с горением, которые позволяли бы проверить корректность любого предлагаемого обобщающего параметра. Тем не менее поскольку рассмотренный выше механизм срыва пламени основан на той же самой модели зоны горения, которая была использована в теории скорости распространения пламени применительно к оценке эффективности горения, целесообразно и небезынтересно проанализировать предсказания этой теории в отношении характеристик стабилизации пламени в камерах сгорания. Было установлено, что для реакции второго порядка теория дает характерный критерий в следующей общей форме:
где D — максимальный диаметр (характерный размер) устройства с горением, р и Т — давление и температура воздуха на входе. Константа b меняется с изменением эквивалентного отношения и обычно принимается равной 300. Значение т изменяется в диапазоне от 0,75 до 1 в зависимости от размера камеры и режимных параметров.
Вследствие влияния потерь полного давления на жаровой трубе на процесс смешения топлива с воздухом в первичной зоне приведенное выше выражение для характеристики устойчивости применимо только к устройствам, питаемым заранее приготовленной смесью топлива и воздуха. Для других устройств, т. е. практически для всех реальных камер сгорания, потери полного давления не должны учитываться в обобщающем критерии.
