В промышленных горелках, работающих на различных газообразных и жидких топливах, типичное значение параметра закрутки лежит в диапазоне 0,8<S<1,5. Одна из причин ухудшения характеристик вихревых горелок при более высокой интенсивности закрутки состоит в том, что при больших S зона обратных токов оказывается длиннее, чем 3D, вследствие чего горение заканчивается на расстояниях, меньших длины зоны, часть холодных продуктов вовлекается в рециркуляционное движение и таким образом полнота сгорания уменьшается [53, 55, 58]. Влияние перечисленных факторов можно ослабить, используя аксиально-радиальную подачу топлива и диффузор на выходе [52, 58], за счет чего удается получить высокую степень закрутки и соответствующее улучшение характеристик, например расширение пределов срыва пламени, увеличение интенсивности процесса горении.
Одно из основных преимуществ стабилизации пламени с помощью закрутки по сравнению с другими способами состоит в значительном расширении пределов срыва пламени. Необходимо отметить принципиальное различие между подачей предварительно перемешанных компонент и другими способами подачи топлива. На рис. 4.56 показаны полученные в работе [86] срывные характеристики вихревой горелки эймёйденского типа с аксиальной подачей топлива в горловине [2], снятые при изменении нагрузки (т. е. расхода топлива) и эквивалентного отношения топливо/воздух. Видно, что при увеличении параметра закрутки срыв на богатом пределе происходит при больших значениях эквивалентного отношения, а следовательно, оптимальное отношение топливо/воздух, обеспечивающее максимальную нагрузку, в общем случае отлично от стехиометрического. Отсюда видно также, что роль закрутки факела с отношением воздух/топливо, близким к стехиометрическому, состоит в перемешивании топлива и воздуха. В факеле без закрутки характеристика срыва на богатом пределе вблизи значений эквивалентного отношения, представляющих практический интерес (коэффициент избытка воздуха несколько превышает 1), очень крутая. По этой причине незначительные изменения коэффициента избытка воздуха или состава топлива могут привести к срыву пламени. Закрутка приводит к смешению срыва на богатом пределе в область меньших коэффициентов избытка воздуха и обеспечивает нечувствительность к случайным флуктуациям состава топлива и коэффициента избытка воздуха.
Срывные характеристики зависят от вида горения. В вихревой горелке эймёйденского типа оптимальное значение параметра закрутки, обеспечивающее наиболее широкие пределы срыва пламени, находится в диапазоне 1,1 ... 1,7 [86]. В работах [43, 44, 57] показано, что в вихревой горелке типа изображенной на рис. 4.3, так же как и в горелке эймёйденского типа, закрутка расширяет пределы срыва пламени.
Рис. 4.56. Срывные характеристики вихревой горелки с факелом типа II [86], определяемые зависимостью массового потребления топлива от объемного отношения воздух/топливо.
Топливо — природный газ, подача через кольцевую форсунку в горловине горелки. L/De=1, скорость истечения газа при расходе 166 кг с равна 35/с
1— бедный предел; 2 — богатый предел; 3 — максимальный расход воздуха.
Рис. 4.57. Срывные характеристики горелки с лопаточным завихрителем без втулки [55], определяемые зависимостью осевой скорости на выходе горелки не от α'.
Предварительное перемешивание воздуха и светильного газа, углы установки лопаток завихрители φ: 1 —15°. 2—30°, 3—45°; 4—50°; 5— стехиометрическое отношение топливо/воздух.
Фактически авторы этих работ обнаружили, что при S = 1,86 пределы срыва в такой горелке по существу бесконечны. Срыв на богатом пределе не был обнаружен, а срыв на бедном пределе наблюдается для высоких чисел Рейнольдса при коэффициенте избытка воздуха а = 100 [43, 44].
При горении предварительно перемешанных компонент пределы срыва сужаются [27, 53, 55]. В длинной тонкой рециркуляционной зоне, образующейся за лопаточным завихрителем без втулки, в рециркуляционное движение вовлекаются холодные продукты сгорания, что значительно понижает а' для срыва на бедном пределе даже при незначительных расходах топлива (рис. 4.57) [55]. Характеристики срыва на бедном пределе в потоке за завихрителем с углами установки лопаток 30° и 45° (S = 0,39 и 0,72 соответственно) существенно лучше, чем в потоке за завихрителем с лопатками, расположенными под углом 60о (S = 1,16), где образуется очень длинная тонкая рециркуляционная зона. В работе [27] обнаружено, что при формировании более короткой рециркуляционной зоны получается довольно неплохая характеристика срыва на бедном пределе с диапазоном изменения коэффициента избытка воздуха от 6 (при малых Re) до 2,5 (при больших Re). В работах [53, 55] показано, что существует связь между характеристикой срыва на бедном пределе, температурой на границе рециркуляционной зоны в области, примыкающей к завихрители), и средним значением модуля скорости в выходном сечении завихрители.
