Типы неустойчивости
Низкочастотные колебания большой амплитуды в промышленных и бытовых камерах сгорания, безусловно, нежелательны, так как они помимо связанного с ними шума сопровождаются достаточно большими пульсациями давления, чтобы вызвать повреждение камеры и сопряженных с ней устройств. В промышленных топках и камерах для стабилизации пламени обычно применяют закрутку потока, и часто возникающая неустойчивость резонансного типа, очевидно, связана с этим классом устройств.
Неустойчивость горения в камерах сгорания, котлах и топках в прошлом традиционно изучалась изолированно от других аспектов рабочего процесса. Некоторые из исследований имели целью установить сходство между различными типами явлений неустойчивости. В камерах, котлах и топках можно выделить три основные формы неустойчивости, которые могут быть охарактеризованы следующим образом [144]:
- неустойчивость процесса в камере, непосредственно связанная с геометрией и акустическими характеристиками камеры сгорания;
- неустойчивость процесса в системе в целом, характеризующаяся наличием взаимодействия между динамическими свойствами горения и остальными компонентами системы;
- внутренняя неустойчивость, свойственная только процессу реагирования топлива и воздуха.
Из перечисленных разновидностей неустойчивость системы и неустойчивость камеры часто встречаются в промышленных и бытовых устройствах с горением. Внутренняя неустойчивость связана с процессами, независимыми от свойств самого устройства, и может зависеть, например, от особенностей кинетики горения. Такого рода неустойчивость наблюдается, как правило, только в ракетных двигателях, отличающихся особо высокой интенсивностью горения.
Неустойчивость процесса в камере сгорания.
Колебания, связанные с процессами непосредственно в камере сгорания, относятся к трем типам неустойчивости — акустической, детонационной и гидродинамической. При акустической неустойчивости колебания вызваны распространением по объему камеры акустических волн, их частоты определяются геометрией камеры, импедансами ее входного и выходного сечений, а также величиной средней скорости звука в среде, заполняющей камеру. Неустойчивость процесса горения, связанную с распространением волн со ступенчатым изменением параметров в их фронтах, представляющих собой ударные или детонационные волны, называют ударной или детонационной неустойчивостью и также наблюдают в практических устройствах. Последний тип неустойчивости в данной категории вызывается различными гидродинамическими явлениями, которые приводят к тому, что горение в камере сгорания или в топке возникает лишь периодически. Эта, называемая гидродинамической, неустойчивость связана с определенной структурой течения.
Акустическая неустойчивость
Камера сгорания и ее входные и выходные устройства могут быть охарактеризованы с акустической точки зрения с помощью данных о их сопротивлении и реактивности, которыми определяются частоты колебаний, возбуждающихся в камере. Отсюда следует, что акустическая система из поступающего в нее широкополосного шума может «выбирать» и усиливать определенные узкие полосы частот, значения которых зависят от сложного взаимодействия акустических воли различных мод с геометрией всей системы. Усиление колебаний на какой-либо частоте происходит тогда, когда скорость поступления энергии к данной моде колебаний (осуществляемого механически или конвективно) превосходит скорость диссипации энергии.
При горении акустическая энергия генерируется из-за колебаний скорости тепловыделения. Если колебания давления в свою очередь воздействуют на скорость тепловыделения в камере сгорания, то может установиться обратная связь. В случае, когда колебания давления происходят в фазе с колебаниями скорости тепловыделения, возможно накапливание энергии в определенной акустической моде. В системе с непрерывным подводом воздуха и топлива на тепловыделение влияют следующие факторы [145]:
1) регулярные колебания давления в пламенах в газовых средах [146] и в меньшей степени в пламенах в факеле распыленного топлива [147];
- изменения площади в зоне оконечности фронта пламени вследствие колебаний скорости газа в пограничных слоях [148];
- изменения в характеристиках смешения вследствие того, что колебания скорости газа воздействуют на траектории капель топлива и вызывают изменения местных составов смеси, а диффузионные пламена вообще чувствительны к возмущениям, возникающим в поле смешения, в результате чего в обоих случаях скорость тепловыделения будет изменяться; аналогичная ситуация имеет место при возмущении пламени вихрями, срывающимися со стабилизаторов.
О существовании акустических колебаний, поддерживаемых колебаниями тепловыделения, известно уже давно [ 149, 150]. Гипотеза о механизме таких колебаний была выдвинута еще Рэлеем [103, 151]. Согласно предложенному им критерию, рассмотренному в предыдущем разделе, колебания возникают в газовой среде, когда тепловыделение периодически изменяется в фазе с изменениями давления. В последнее время этот критерий был модифицирован и выражен в простой математической форме, которая для идеального газа выглядит следующим образом:
где E — энергия, диссипируемая на протяжении одного цикла, h — колебательная составляющая тепловыделения (или отвода тепла), р — звуковое давление, γ — показатель адиабаты (отношение удельных теплоемкостей сp/сv). Приведенное уравнение применимо только к системам с нулевым средним расходом вещества (т. е в отсутствие потока газа) Чтобы учесть влияние конвекции, можно записать общее соотношение для случая наличия потока газа, которое в первом приближении и для изэнтропических граничных условий будет выглядеть как
где (...) означает осреднение по времени, v — акустическая скорость, и — средняя скорость потока, р — средняя плотность газа, с — средняя скорость звука, А — средняя площадь поверхности, разграничивающей продукты горения и исходный газ, Ed — средняя по времени величина диссипируемой энергии. Оба приведенных уравнения устанавливают соотношение параметров, в соответствии с которым возникновение колебаний зависит от того, превышает ли генерируемая акустическая энергия ее потери за счет диссипации или не превышает.
Амплитуда возникших колебаний будет увеличиваться до тех пор, пока генерация волновой энергии превышает диссипацию.
Из изложенного следует, что ответ на вопрос о том, какая именно мода колебаний возбуждается наиболее легко, зависит от положения зоны выделения (или стока) тепла. В камерах сгорания промышленных или бытовых топок, где тепло, как правило, выделяется вблизи входа в камеру, чаше всего возбуждаются продольные моды колебаний [152], хотя иногда наблюдается раскачка тангенциальных или радиальных мод, которые для своего возбуждения требуют, чтобы тепло выделялось вблизи оси или у стенок камеры сгорания.
Явления акустической неустойчивости обычно наблюдаются в горелках туннельного типа [153].
Детонационная неустойчивость
Детонационная неустойчивость обычно встречается в жидкостных ракетных двигателях и иногда в твердотопливных двигателях; она характерна в основном для систем с высокой интенсивностью процесса горения. Это условие препятствует возникновению такого рода неустойчивости в промышленных камерах сгорания и топках. Волны с крутым нарастанием давления на фронте обычно распространяются со звуковыми или сверхзвуковыми скоростями, и наблюдаемые частоты колебаний близки к акустическим. В ракетных двигателях наряду с продольным распространением таких волн наблюдается также тангенциальное или спиральное их распространение. Поскольку нет сведений об их возникновении в камерах сгорания промышленных или бытовых топок, а также газотурбинных двигателей и установок, то неустойчивость этого типа в дальнейшем рассматриваться не будет
Гидродинамическая неустойчивость
Неустойчивость такого типа возникает вследствие особенностей течения, приводящих к тому, что горение в камере возникает периодически. Она связана с определенной структурой потока, часто характеризующейся образованием вихрей.
В работе [149] сообщалось о том, что когда вихри распространяются от фронта пламени с частотами, совпадающими или превышающими в нечетное число раз собственные акустические частоты камеры, может возникать резонанс В условиях, когда механизм формирования и отрыва вихрей чувствителен к пульсациям давления, при появлении акустических колебаний может возникнуть обратная связь, в результате чего амплитуда пульсаций давления возрастет еще больше.
Вихреобразование наблюдается во многих типах топок, например в вертикальных, работающих на сырой нефти [154]. Движение газов в топке образует вблизи места впрыска топлива вихревую зону, в которую вовлекаются продукты сгорания и свежие реагенты Эта зона рециркуляции в начальный момент впрыска топлива полностью стратифицирована, но постепенно становится все более и более однородной. После воспламенения в вей смеси волна давления распространяется от рециркуляционной зоны по всей камере. Если при этом не происходит возбуждение акустических колебаний, то следующая волна давления появится по прошествии промежутка времени, необходимого для повторного заполнения рециркуляционной зоны горючей смесью. Гидродинамическая неустойчивость обнаруживалась и в твердотопливных ракетных двигателях [155]. Как следует из гл. 4 и 5, гидродинамическая неустойчивость проявляется также в различного рода закрученных потоках. Она обнаруживается по образованию в поле течения вихрей, которые могут вызвать проблемы, связанные с устойчивостью [154—162].
Неустойчивость системы в целом
Для этой второй категории характерно взаимодействие между процессами, происходящими в камере сгорания, и процессами в остальных элементах системы. Практические устройства с горением включают в себя самые разные элементы, каждый из которых имеет присущие ему динамические характеристики. Поэтому каждому компоненту системы свойственно некоторое конечное время запаздывания, с которым он реагирует на поступающие в него возмущения, вызывая тем самым зависящие от частоты входящего импульса сдвиг фазы и изменение амплитуды в возмущениях, выходящих из рассматриваемого компонента. Неустойчивость появляется тогда, когда импульсы давления, возникшие в некоторой точке системы, создают в результате накапливания задержек в различных компонентах системы определенный энергетический потенциал, который оказывается в фазе со следующим импульсом давления Неустойчивость всей системы наблюдается для большого количества типов практических устройств с горением, и низкочастотные колебания в диапазоне частот от 20 до 400 Гц, как правило, связаны именно с этой категорией неустойчивости.
Поскольку неустойчивость системы определяется взаимодействием всех ее компонентов, необходимы соответствующие методы исследования устойчивости различных вспомогательных устройств и механизмов. Поэтому для каждого компонента должны быть идентифицированы передаточные функции (декременты затухания колебаний) и оценена устойчивость с помощью критериев, предложенных в работах [163—166]. Тем не менее в настоящее время еще невозможно для данного набора компонентов системы оценить фазовые сдвиги, устанавливающиеся между входящими и выходящими из компонентов импульсами давления, В связи с этим целесообразным оказывается экспериментальное определение декрементов колебаний методом малых возмущений. Исчерпывающий обзор экспериментальных и теоретических исследований, касающихся неустойчивости систем в целом, приведен в работе [167].
В работе [168] изучалась неустойчивость данного типа для горелок со струйными форсунками с целью определения взаимодействия между колебаниями давления в камере сгорания и в системе подвода воздуха с низким уровнем давления. Был сделан вывод о том, что влияние изменения в расходе подаваемого топлива и колебаний давления газа на горение факела распыленного топлива пренебрежимо мало, если только это не приводит к изменению состава горючей смеси.
Следует, однако, подчеркнуть, что каждый компонент системы имеет одинаково важное значение, а неустойчивость обусловлена их взаимодействием, и не может быть приписана какому-либо одному из них. Чтобы предотвратить усиление случайных возмущений потока, следует принять соответствующие меры, направленные на уменьшение как степени увеличения амплитуды, так и фазового сдвига.
Внутренняя неустойчивость
В этой последней категории, которую довольно трудно охарактеризовать наглядно, неустойчивость не зависит от параметров камеры сгорания, а связана только со свойствами реагентов и может, например, зависеть от особенности кинетики реакций горения. Это означает, что система уравнений реакций, описывающих кинетику процесса горения, должна иметь неустойчивые решения.
Внутренняя неустойчивость может проявляться в различных формах, поскольку она специфична для тех или иных реагентов. Возникающие пульсации трудно наблюдаемы и редко бывают когерентными, но могут раскачать определенные моды акустических колебаний в камере или в системе в целом.
Однако никаких доказательств возникновения этой категории неустойчивости в топках или камерах сгорания в имеющихся публикациях нет, поэтому данная разновидность неустойчивости также подробно не рассматривается неустойчивость, свойственная закрученным потокам
Данный вопрос уже подробно обсуждался в гл. 4 и 5. Главное состоит в том, что трехмерная нестационарная неустойчивость, называемая прецессией вихревого ядра, может возникать в самых разных формах, причем возбуждение, или демпфирование, колебаний, их частота и амплитуда существенно зависят от типа горения Радиально-осевые вихри или когерентные структуры также связаны с ПВЯ и могут привести к неустойчивости. И ПВЯ. и радиально-осевым вихрям сопутствуют образования рециркуляционных зон [169].
Распад вихрей при малых числах Рейнольдса и малых значениях параметра закрутки представляет собой еще одну потенциальную проблему, так как изменения, происходящие с крупными структурами потока, могут приводить к возникновению неустойчивости.
Возбуждение акустических колебаний в камерах сгорания с закруткой потока
Когда частота прецессии вихревого ядра совпадает с частотой собственных акустических колебаний камеры сгорания, топки и т. п., происходит возбуждение колебаний. Установление обратной связи между вызванной закруткой неустойчивостью и акустическими колебаниями демонстрировалось экспериментально присоединением резонирующих полостей (труб) к камерам с закруткой, в которых отмечалось возникновение ПВЯ [112]. Изучался только сам факт возбуждения или демпфирования прецессии при осевом или тангенциальном подводах топлива в горелку. Предварительное смешение топлива и воздуха создает короткое интенсивное пламя и увеличивает как амплитуду, так и частоту прецессии вихревого ядра. Пламена, стабилизированные в закрученном потоке топливно-воздушной смеси, в промышленных топках практически не встречаются и не представляют с этой точки зрения особого интереса.
Изменение частоты колебаний в зависимости от длины резонаторной трубы при осевом подводе топлива [112] показано на рис. 6.59. Измеренная в камере частота прецессии вихревого ядра совпадала с резонансной частотой присоединенной трубы при длине этой трубы 90... 97 см. В этом случае ожидалось увеличение интенсивности колебаний давления в камере
Рис. 6.59. Влияние длины L резонирующей трубы, присоединенной к выходной части камеры сгорания (рис. 4.2. а, размеры уменьшены в 5 раз), на частоте колебаний давления при осевом подводе топлива (природного газа) [112]:
1- резонансная частота трубы; 2 — места пересечения кривых, соответствующих резонансу.
Рис. 6.60. Зависимость интенсивности звуковых колебаний от длины резонаторной трубы, присоединенной в выходной части камеры сгорания (рис. 4,2. а, размеры уменьшены в 5 раз), при осевом подводе топлива (природного газа), [112].
Действительно, при длине резонаторной трубы 97 см был отмечен пик интенсивности колебаний (рис. 6.60). Второй пик при длине трубы 130. .. 140 см, наблюдавшийся при эквивалентном отношении <р=1,3...1,5 (рис. 6.60), также хорошо согласуется с данными рис. 6.59, где при указанных длинах трубы измеренные в камере частоты вновь были близкими к резонансной частоте присоединенной трубы. Аналогичные данные получены и при тангенциальном подводе топлива в камеру.
Низкочастотные колебания давления большой амплитуды наблюдались и во многих камерах сгорания промышленных установок, в которых использовалась закрутка потока для стабилизации пламени. В ряде случаев было установлено, что именно ПВЯ было причиной возникновения колебаний.
Способы разрыва обратной связи при вызванных ПВЯ колебаниях давления в камерах сгорания с закруткой потока.
Как было показано выше, прецессия вихревого ядра в камере сгорания может приводить к низкочастотным акустическим колебаниям давления большой амплитуды. Для подавления этих колебаний существует целый ряд способов. Применение в камере четвертьволновых резонаторов и звукопоглощающих экранов [149] позволяет подавлять уже возникшие колебания и не затрагивает причину их возникновения.
