CC BY
90
УДК 621.452.3.034
ДИАГНОСТИКА КАЧЕСТВА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ФАКЕЛЕ РАСПЫЛЕННОГО ФОРСУНКАМИ ТОПЛИВА ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
© 2007 А. Ю. Васильев, А. А. Свириденков, В. И. Ягодкин Центральный институт авиационного моторостроения, г. Москва
Использование предложенного метода диагностики параметров топливовоздушного факела позволяет находить пространственные и временные неоднородности концентраций капель и их размеры в реальных фронтовых устройствах. Проведенное исследование распыливания топлива с пластины показало возможность применения этого устройства в энергетических установках для улучшения характеристик распыла по сравнению с распылом свободной струи в сносящем потоке.
Эмиссионные характеристики камер сгорания энергетических установок во многом определяются качеством распыливания топлива форсунками. Улучшение смешения топлива с воздухом может уменьшить эмиссию ЫОх, увеличить эффективность работы камеры сгорания, уменьшить размер камеры сгорания, уменьшить неустойчивость горения и увеличить сроки эксплуатации двигателей.
Чем меньше размеры капель, тем меньше время их испарения, так как возрастает суммарная поверхность капель, что ускоряет теплопередачу. Однако, с другой стороны, капли очень маленьких размеров следуют за потоком. В результате может уменьшиться проникновение распыленных капель в поток газа, что затруднит получение однородной топливно-воздушная смеси. Основываясь на теоретических вычислениях и экспериментальных работах, различные исследователи рекомендуют оптимальные значения среднего заутеровского диаметра БМО 15-25 мкм.
Кроме среднего диаметра, также важен максимальный размер капель. Крупные капли уменьшают распыление и увеличивают проникновение топлива, вызывая орошение стенок камеры сгорания. Чтобы проиллюстрировать эффект размера капель, легко вычислить, что капля с диаметром 40 мкм имеет топливную массу в восемь раз превосходящую массу 20 мкм капель и к тому времени, когда 20 мкм капли полностью испарятся, большая капля будет все еще иметь диаметр ~ 38 мкм.
Поэтому важно не только создание фронтовых устройств, обеспечивающих необходимые параметры топливо-воздушной смеси, но и иметь средства контроля как ос-редненных по времени распределений концентраций и размеров капель, так и их пуль-сационных значений в каждой точке горючей смеси.
Наиболее современным и информативным методом определения этих параметров в настоящее время является метод, основанный на флуоресценции возбуждаемого лазером флуоресцирующего красителя, добавляемого в жидкость. Этот метод в основном применялся для определения осредненных величин концентрации. В данной работе флуоресцентный метод использован для получения как средних по времени концентраций капель керосина в факеле распыла, так и для вычисления пульсаций концентрации. Для создания лазерной плоскости использован импульсный лазер ИТО «Лагран» на длине волны 447,1 нм при частоте повторения импульсов до 25 Гц и длительностью 40 нс. Энергия в импульсе равнялась 8 мДж. Размеры прямоугольного пучка составляли 2 х 4 мм на расстоянии 100 мм от лазера, его расходимость - 1,5 х 4 мрд. Лазерная плоскость формировалась с помощью цилиндрических и сферической линз с фокусированием луча в изучаемой части потока. Длина перетяжки составляла около 50 мм. Лазерная плоскость, пройдя через продольное (х, у) или поперечное (горизонтальное) (х, 2) сечение факела распыленного топлива, подкрашенно-
го флуоресцирующей присадкой оксихиноли-на, частично рассеивается на каплях (Ми-рассеяние), при этом синий свет с длиной волны 1 = 447,1 нм возбуждает флуоресценцию в зеленом диапазоне спектра длин волн. Цветное изображение сечения топливного факела лазерной плоскостью регистрируется за один или несколько импульсов света цифровой фото- или видеокамерой, оптическая ось которой направлена под углом к лазерной плоскости. Таким образом, в каждой точке изображения сечения факела лазерной плоскостью регистрируются интенсивности флуоресценции 1 и вертикально поляризованная компонента Ми-рассеянного на каплях света 1 по отношению к плоскости рассеяния (измерения). Информация с видеокамеры подается на ЭВМ. В представленной работе регистрация интенсивностей 1 и 1 производилась под углом 30° к горизонтальной лазерной плоскости. Согласно [1] оптимальная величина концентрации флуоресцирующей добавки около 20 ррм.
Величины Б32 =К<П3>/<П2> при ^32>10 мкм вычисляются из уравнений для интенсивностей рассеянного света
1(х, 2) =а<П2> N 10 = а С/0 , их, 2) =в<Д3> N 1С = Ь С„1. ,
где N - концентрация капель; а и Ь - константы, определяемые экспериментально; 10 - интенсивность падающего света; С$ и С. - поверхностная и объемная концентрации аэрозоля; х, 2- координаты каждой точки поперечного сечения факела. Отсюда выражения для среднего заутеровского диаметра В32 капель и С.. имеют вид:
В
32
I /I С ~ I
V$ V V'
Для калибровки метода одновременно проведены измерения размеров и концентрации капель в факеле распыла хорошо исследованной (эталонной) пневматической форсунки методом рассеяния на малые углы и методом флуоресценции. Для получения распределений по радиусу концентрации и размеров капель проведено преобразование Абеля распределений по хордам концентрации и размеров, полученных методом рассеяния на малые углы. По средним по всему поперечному сечению факела величинам концентрации и размерам капель были определены значения констант в выше приведенных формулах. Эти значения использовались в дальнейшем при проведении данных исследований. На рис. 1 приведены результаты такой обработки для распределений концентраций по радиусу (К) факела центробежной форсунки. Аналогичные распределения размеров
-50 -40 -30 -20-10 0 10 20 30 40 50
^тт
Рис.1. Распределение по радиусу факела центробежной форсунки концентрации капель воды на расстоянии У=40 мм, АР = 8 бар, 1-метод флуоресценции, 2-метод рассеяния на малые углы
БМР.ткт
капель приведены на рис. 2. Распределения, полученные двумя методами измерений, удовлетворительно согласованы за исключением области больших градиентов концентрации в центральной части факела. Это расхождение возможно связано с ошибками, возникающими при преобразовании Абеля экспериментальных данных, представляющих недостаточно гладкие функции.
140
120
100
80
60
40
20
1 \
(\г 2 > Л
V 7
1 \ у и
\ г
■50 -40 -30-20-10 0 10 20 30 40 50
Р,тт
Рис. 2. Распределение по радиусу факела центробежной форсунки диаметров капель воды на расстоянии У = 40 мм, АР = 8,0 бар,
1 - метод флуоресценции,
2 - метод рассеяния на малые углы
Для определения пульсаций концентрации при постоянных параметрах режима течения (отклонение в расходах топлива и воздуха составляло менее 1 %) проводилась многократная съемка факела распыла. Для исключения изменений концентрации, связанных с колебаниями оси факела, в каждом изображении находился центр масс и по нему определялся центр факела. После вычисления центра факела находились его границы. Для всех изображений для данного сечения факела граница бралась постоянной и равной максимальной из всех рассматриваемых изображений. Затем определялось среднее значение распределения концентрации и вычислялось среднеквадратичное отклонение от среднего значения.
Изложенный метод определения характеристик топливо-воздушного факела приме-
нен авторами для исследования распыла с кромки пластины, помещенной в поток сносящего воздуха. На рис. 3 приведена фотография струи топлива натекающего на пластину, помещенную в плоский канал, в потоке воздуха. Три стенки канала выполнены из стекла. Параллельно четвертой стенке установлена прозрачная пластина, с которой стекает топливная пленка, образующаяся при соударении струи топлива с пластиной. Разрушение пленки наблюдалось и фотографировалось за пластиной и на выходе из канала. Основное внимание в данной работе уделено распределениям концентрации капель за пластиной и ее пульсациям по пространству и времени.
В качестве распыливающего устройства использовалась форсунка типа Нукиямы Та-насавы, наклоненная под углом 35° к продольной оси канала. Внутренний диаметр трубки для подачи топлива равнялся 1 мм. Топливо при перепаде давления на форсунке АРф=340 кПа подавалось со скоростью 18 м/с в сносящий поток воздуха, имеющий скорость 53 м/с. На рис. 4 показаны распределения средних относительных значений концентрации в направлении х на расстоянии ^о = 22 мм от края пластины. Эти распределе-
Рис. 3. Струя топлива в плоском канале в сносящем потоке воздуха
Рис. 4. Распределение осредненной концентрации в продольном направлении
ния получены из значений средних концентраций топлива в плоскости (х, г) путем осреднения вдоль оси г. Точка (х = 0, г = 0) соответствует координате центра струи в месте ее соприкосновения с пластиной. Из приведенных на рис. 4 распределений относительной концентрации видно, что при взаимодействии с поверхностью из-за неустойчивости течения вдоль пластины образуется периодическая структура концентрации капель. Аналогично ведут и распределения пульсаций концентрации (рис. 5). Распределение осредненной вдоль оси х концентрации в поперечном направлении г гладкое с максимумом вблизи поверхности пластины (рис. 6). Максимальное значение пульсаций концентрации (рис. 7) не превышало 14 %,
Рис. 5. Распределение пульсационной составляющей концентрации в продольном направлении
что меньше, чем пульсации концентрации топлива в факеле центробежной форсунки [2]. Максимальная концентрация в рассматриваемых экспериментах Сутах=5,1х10-4. Распределения размеров капель в поперечном направлении представлено на рис. 8. Наиболее крупные капли наблюдались в центральной области следа за распыливающей пластинкой. Уменьшение размера капель на гра-
Рис. 6. Распределение осредненной концентрации в поперечном направлении
Рис. 7. Распределение пульсационной составляющей концентрации в поперечном направлении
нице факела связано с вторичным дроблением капель в потоке воздуха. Приведенные выше результаты относятся к распыливанию струи топлива, выходящей из сопла без спут-ного потока воздуха. При подаче соосного топливу воздуха со скоростью 74 м/с (7 % от расхода топлива) характеристики факела распыла за пластинкой меняются. Спутный воз-
Рис. 8. Распределение размеров капель в поперечном направлении
дух разрушает периодическую структуру концентрации топлива вдоль пластины. В распределение концентрации (рис. 9) вблизи точки удара струи о пластину появляется ярко выраженный минимум (40 % от максимального значения концентрации). Как заметил Вейс [3], когда распыливающий воздух, соосный со струей топлива, взаимодействует со стенкой, образуется застойная зона. Струя отклоняется от ее первоначального направления и растекается в радиальных направлениях вдоль поверхности стенки. Одновременно происходит и уменьшение пульсаций концентрации приближенно на 15 %. Спутный
воздух также приводит к сужению факела в поперечном направлении (т.). Увеличение ско-рости движения пленки вдоль пластины приводит к ее утончению, что в свою очередь вызывает уменьшение размеров капель за пластиной на 30 %.
Заключение. Использование предложенного метода диагностики параметров топливовоздушного факела, позволяет находить пространственные и временные неоднородности концентраций капель и их размеры в реальных фронтовых устройствах. Проведенное исследование распыливания топлива с пластины показало возможность применения
Рис. 9. Распределение осредненной концентрации в продольном направлении при подаче
соосного воздуха в форсунку
этого устройства в энергетических установках для улучшения факела распыла по сравнению со свободной струей в сносящем потоке.
Благодарности. Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, проект № 05-08-17942, №07-0800573.
Список литературы
1. Le Gal P., Farrugia N., Greenhalgh D. A.: Laser Sheet Dropsizing of Dense Sprays, «Optics & Laser Technology», 1999, 31, p.75-83.
2. А. Ю. Васильев, А. И. Майорова, А. А. Свириденков, В. И. Ягодкин. Проектирование и экспериментальное исследование форсуночных модулей // Вестник Самарско -го государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева. -2006. - № 2. -Ч.2. - С. 131-135.
3. C. Weiss. The liquid deposition fraction of sprays impinging vertical walls and flowing films, International Journal of Multiphase Flow, 2005, Vol. 31, pp. 115-140.
DIAGNOSTICS OF QUALITY MIXING IN SPRAY OF THE FUEL NOZZLES BY OPTICAL METHODS
© 2007 A. Yu. Vasiliev, A. A. Sviridenkov, V. I. Yagodkin Central Institute of Aviation Motors, Moskow
Use of the offered method of diagnostics of parameters air-fuel spray allows finding spatial and time heterogeneity of concentration of drops and their sizes in real front devices. Carried out research atomization fuel from a plate has shown an opportunity of application of this device in engines for improvement of a spray in comparison with atomization of free jet in a cross flow stream.
