Наличие трубки для впрыска топлива в устье закручивающего устройства с тангенциальным подводом (рассмотренного ранее) вдвое уменьшает поток массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, а, как показано на рис. 4.12, наличие диффузора на выходе сильно увеличивает этот поток. К сожалению, малое число экспериментальных данных не позволяет определить функциональную связь М с S, а графические зависимости для диффузоров с полууглами раскрытия 24° и 35°, представленные на рис. 4.12, носят ориентировочный характер. Однако видно, что при фиксированном параметре закрутки масса жидкости, вовлеченной в рециркуляционное движение, резко возрастает [21].
Рис. 4-13б. Размеры рециркуляционной зоны при вариации параметра закрутки потока за устройством с тангенциальным подводом [2]:
1 — закручивающее устройство; 2 — трубка для спрыска топлива.
Рис. 4.13а. Граница зоны обратных токов за лопаточным завихрителем [10].
Обычно полагают, что появление обратного потока происходит приблизительно при S ≥ 0,6 [2]. Очевидно, что при наличии диффузорного сопла на выходе из закручивающего устройства критическое значение параметра S существенно уменьшается, хотя возможно, что обратное течение, обнаруженное в работе [24], отчасти обусловлено большой степенью стеснения потока в канале лопатками завихрители. Форма зоны обратных токов существенно зависит от параметра закрутки, способа закрутки и угла раскрытия выходного диффузора (рис. 4.13а — 4.13в, 4.14а и 4.14б). В потоке за кольцевым лопаточным завихрителем (с цилиндрической выходной частью) при малых значениях параметра закрутки образуется длинная тонкая зона обратных токов (при S ≈ 0,7, L ≈ 3,5d), что и показано на рис. 4.13а. По мере роста интенсивности закрутки (которая связана с углом установки лопаток) узкая зона обратных токов удлиняется и достигает максимальной протяженности приблизительно при S = 1,5, а затем при S > 2 становится шире и короче. Рециркуляционные зоны в потоке за закручивающими устройствами с тангенциальным подводом (например, за устройством с акснально-тангенциальным подводом) в общем случае меньше при том же значении параметра закрутки, чем за лопаточными завихрителями, что видно, например, на рис. 4.13б.
Рис. 4.13в. Сопоставление формы зон обратных токов:
1—закручивающее устройство с тангенциальным подводом. 5 — 2,2 [12]; 2— лопаточный завихритель, S - 1,98 [10]
Любопытное сопоставление размера и формы рециркуляционной зоны за лопаточным заверителем и закручивающим устройством с тангенциальным подводом приведено на рис. 4.13в. Поскольку при одинаковых значениях параметра закрутки поток массы в устройствах одинаков, то очевидно, что в более компактной зоне обратных токов за закручивающим устройством с тангенциальным подводом реализуются большие скорости возвратного течения, большие градиенты скорости, более высокие уровни турбулентности и интенсивность смешения.
Диффузорное сопло, установленное на выходе из закручивающего устройства, значительно увеличивает рециркуляционную зону [21]. На рис 4 14а показано взаимное влияние на рециркуляционную зону выходного диффузора и центральной втулки (или цилиндрической трубки для впрыска топлива) или стабилизирующего диска. Поток массы в обратном течении также возрастает. Эксперименты [21], в которых варьировались углы раскрытия диффузорной надставки, ее длина н степень стеснения в горле сопла, показали, что оптимальное значение полуугла раскрытая диффузора составляет примерно 35°, а рекомендуемая длина l — d ... 2d, где d — диаметр горла сопла. Однако при очень больших степенях закрутки установка диффузора на выходе может приводить к нежелательным последствиям, поскольку в нем образуется веерная пристенная струя. На рис. 4 14б показана форма приосевой рециркуляционной зоны за закручивающим устройством с диффузором на выходе (полуугол раскрытия 35°). Короткий диффузор (L-дифф/d = 0,7) увеличивает максимальный диаметр зоны более чем в два раза, а длинный (Lдифф/d = 3) — более чем в три раза.
Диализ взаимного воздействия на закрученный поток геометрии сопла и параметра закрутки позволяет выделить три основных типа течения.
Рис 4.14а Сопоставление распределений скорости в рециркуляционной зоне струй, распространяющихся из закручивающих устройств с диффузором и без диффузора на выходе.
Взаимное влияние упомянутых факторов состоит в том, что, с одной стороны, с помощью закрутки можно предотвратить отрыв потока от стенок диффузора, поскольку центробежные силы порождают радиальное перетекание, направленное к стенкам. С другой стороны, торможение потока при увеличении площади поперечного сечения за горловиной приводит к появлению неблагоприятного градиента давления, который усиливает обратное течение при сверхкритических значениях параметра закрутки. Типы течений, реализующихся по мере роста параметра закрутки за закручивающим устройством с кольцевым диффузором на выходе (полуугол раскрытия 35°), показаны на рис. 4.15. При малых значениях параметра закрутки поток отрывается от стенок, а рециркуляционных зон нет (тип А). В таком струйном течении положение фронта пламени в факеле за горелкой пульсирует. По мере роста параметра закрутки ширина струи растет до тех пор, пока не происходит присоединение потока к стенкам сопла (тип Б).
Рис 4.15. Структура потока за кольцевым диффузорным соплом при вариации интенсивности закрутки:
тип А — отрывное безрециркуляционное течение; тип Б — присоединенный поток с рециркуляцией; тип В — пристенная струя.
При промежуточных или высоких интенсивностях закрутки воздушный поток устойчиво присоединен к стенкам диффузора, а в приосевой части струи располагается большая замкнутая рециркуляционная зона тороидальной формы. Вообще говоря, такая картина течения весьма благоприятствует созданию устойчивого факела пламени, причем горение начинается на выходе из сопла или даже внутри диффузора. В потоке с такой структурой удается также совместить зону высокой интенсивности турбулентности и зону максимальной концентрации горючего, за счет чего достигается высокая интенсивность процесса горения. При больших значениях параметра закрутки поток может присоединиться к стенкам камеры сгорания с образованием пристенной струи (тип В). Скругление и сглаживание поверхности стенок способствуют образованию пристенной струи. Пламя здесь присоединяется к лицевой части горелки и стенкам камеры, что подходит для топок, в которых требуется интенсивный и равномерный прогрев внутренних областей с помощью излучения.
На рис 4.16а показаны области устойчивости потоков типа А и Б в зависимости от параметра закрутки и положения трубки для впрыска топлива, загромождающей горловину.
Критическое значение параметра закрутки, т. е. минимальное значение S, при котором устанавливается течение типа Б, зависит, как показано на рис. 4.16б, от угла раскрытия диффузора.
Влияние на характеристики закрученной струи ограничивающего пространства довольно сложное в силу двух основных факторов.
- Большая интенсивность эжекции, о которой уже говорилось, часто вызывает прилипание струи к стенке. Действительно, начальный участок эжектирует жидкость снизу по потоку из обратного течения, что приводит к присоединению струи и в результате к образованию еще одной рециркуляционной зоны.
- Распределение окружной скорости поперек потока обычно неравномерно, и потому, особенно при высокой интенсивности закрутки, могут образовываться кольцевые зоны с большим осевым градиентом давления, который в свою очередь приводит к образованию нескольких различных коаксиальных областей с обратными потоками. Течения с такой структурой, аналогичной структуре в циклонной, камере сгорания, будут обсуждаться в гл. 5
При истечении закрученной струи в ограниченное пространство в результате стеснения потока появляются рециркуляционные зоны двух типов. Первая — обычная приосевая рециркуляционная зона и вторая, расположенная между границами струи и стенками камеры,— угловая рециркуляционная зона. Размеры этих зон пропорциональны отношению площади поперечного сечения камеры к площади сечения горловины горелки. На рис. 4.17 показана зависимость потока массы, вовлеченного в рециркуляционное движение, от параметра закрутки и степени стеснения потока для приосевой рециркуляционной зоны.
Данные, полученные в работе [11], ближе к данным для свободной струи, чем результаты, полученные в работе [10], поскольку в первом случае степень стеснения потока была меньше, и эта ситуация ближе к случаю истечения в безграничное пространство. Интересно отметить, что при параметре закрутки S < 2,4 стеснение потока приводит к увеличению потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение; если же S > 1,6, то внешняя часть рециркуляционной зоны исчезает, поскольку поток, покидающий закручивающее устройство, сразу же прилипает к стейке и ниже по потоку формируется сложная картина рециркуляционных зон, которая аналогична картине течения в циклонных камерах сгорания [10, 26].
Принципиальное значение для проектировщиков имеет проблема минимизации потерь полного давления в воздушном тракте вихревой горелки, причем совместно с решением этой задачи требуется обеспечить существование достаточно большой рециркуляционной зоны, необходимой для стабилизации пламени и получения интенсивности турбулентности и полноты перемешивания, достаточных для быстрого розжига и полного эффективного сгорания топлива. Коэффициенты гидравлического сопротивления в различных закручивающих устройствах существенно различаются (рис. 4.18). Установка трубки для впрыска топлива отрицательно сказывается на потерях, о чем свидетельствует сопоставление данных работ. В обеих работах использовались закручивающие устройства одинакового типа (с тангенциальным подводом), но добавление трубки для впрыска топлива увеличило коэффициент гидравлического сопротивления примерно в три раза.
Значительного уменьшения потерь можно добиться, уменьшая диаметр выходного сечения по сравнению с внешним диаметром закручивающего устройства, что обусловлено:
- уменьшением потерь на входе, поскольку для получения того же потока момента количества движения на выходе требуются меньшие окружные скорости;
- вращением по закону свободного вихря во внешней части закручивающего устройства, что способствует увеличению окружной скорости на выходе.
Типичный диапазон изменения отношения Dе/D0 составляет 0,4 ... 0,7 (25-29).
Значение этих выводов усиливается в свете уже упоминавшейся работы, в которой показано, что уменьшением диаметра выходного сечения можно получить высокий уровень кинетической энергии турбулентности при весьма низких уровнях параметра закрутки.
Установка диффузора на выходе из закручивающего устройства может приводить к уменьшению коэффициента гидравлического сопротивления на 20 ... 30 %. Плосколопаточный завихритель имеет малые гидравлические потери только при малом параметре закрутки
(S < 0,8) (10). Значительного уменьшения коэффициента гидравлического сопротивления (примерно вдвое) можно достичь за счет профилирования лопаток (30, 31). Такое улучшение характеристик объясняется тем, что в завихрителе с профилированными лопатками распределение окружной скорости подобно распределению в вихре Рэнкина в отличие от распределения окружной скорости по закону вращения как целого в плосколопаточном завихрителе. Коэффициент гидравлического сопротивления слабо зависит от числа Рейнольдса в квазиавтомодельной области (Re > 105). На это обстоятельство указывают данные работ: (10)—для плосколопаточного завихрители; [28, 29] —для закручивающих устройств с аксиально-тангенциальным подводом; (29) —для закручивающих устройств с адаптивными блоками. Однако в некоторых работах, например в [27], где исследовалось закручивающее устройство с тангенциальным подводом без трубки для впрыска топлива, и [30], где исследовался завихритель с профилированными направляющими лопатками в канале тангенциального подвода, обнаружена зависимость потерь от числа Re.
Коэффициент полезного действия ε закручивающего устройства определяется как отношение вращательной составляющей кинетической энергии в горловине к перепаду полных давлений на входе в воздушный тракт и на выходе из горелки.
Рис. 4.19. Зависимость эффективности закрутки ε закручивающего устройства от параметра закрутки S.
Закручивающие устройства с трубкой для впрыска топлива:
I — кольцевое лопаточные завихрители [10]; 2 — эймёйденское закручивающее устройство с адаптивными блоками [29]; 3 — направляющие лопатки в канале радиального Подвода [29]: 4— закручивающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом [2]
Закручивающие устройства без центральной втулки:
5— данные из работ [12. 17. 27]; 6 — лопаточный завихритель с профилированными лопатками, φ — 45° [30]; 7 — завихритель улиточного типа с одним тангенциальным подводом [30]
Таблица 4.1. Характеристики закручивающих устройств различных типов
Профилирование лопаток завихрители может увеличивать КПД примерно в три раза. В работе [30] рекомендовано использовать завихрители с профилированными лопатками вместо завихрителей улиточного типа, поскольку первые обладают большим КПД и меньшими гидравлическими
потерями. Там же отмечается, что во всех исследованных в работе закручивающих устройствах разница в неравномерности параметров на выходе не велика.
В табл. 4.1 сведены данные о различных типах закручивающих устройств.
