CC BY
3Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 41
www.mai.ru/science/trudv/
УДК 621. 452. 3
Исследование аэродинамики и массообмена в вихревых горелках камер сгорания газотурбинных двигателей.
А.М. Ланский, С.В. Лукачев, С.Г. Матвеев
Аннотация
Приводятся результаты исследований аэродинамической структуры течения и масообмена в вихревых горелках камер сгорания газотурбинных двигателей (ГТД). Приводится полученная эмпирическая зависимость времени пребывания топливно-воздушной смеси в зоне рециркуляции от масштаба горелки, степени закрутки, скорости истечения, состава смеси и способа её подачи. Ключевые слова:
структура течения; масообмен; вихревая горелка; время пребывания; зона рециркуляции.
Выгорание топлива и стабилизация пламени в вихревых горелках определяются гидродинамикой течения, физико-химическими параметрами вытекающей из горелки топливно-воздушной смеси и массообменом между зоной рециркуляции и основным потоком. В силу многообразия схем горелок и влияющих факторов, показать влияние каждого из них в полном объеме не представляется возможным. Поэтому рассмотрим наиболее распространенный в практике сжигания топлива - вихревые горелки с цилиндрическим и диффузорным выходными насадками [1.. .5].
Структура течения в камере закручивания вихревой горелки представляет собой систему из двух вихрей, совершающих вращательно-поступательное движение (рис. 1).
Рис. 1. Схема течения в вихревой горелке
Основной вихревой поток занимает периферийную часть камеры закручивания, а в её центральной области располагается индуцированный вторичный вихревой поток или зона обратных токов. В осевом направлении они движутся во взаимно противоположных направлениях, что обусловлено существованием вдоль оси значительного по величине положительного градиента давления (рис. 2). Встречное движение вихрей в поле центробежных сил вызывает взаимный обмен количеством движения, в результате которого возрастает интенсивность турбулентности, а на определенных режимах могут возникнуть низкочастотные регулярные пульсации скорости и давления в потоке.
2ДР0
Рис. 2. Изменение осредненных параметров потока в вихревой горелке (8В = 2.82)
Основными факторами, которыми можно воздействовать на течение в вихревых горелках, являются: степень закрутки (Бв), длина камеры закручивания (Ькз), форма
выходного насадка и режим работы. При затопленном течении эти факторы влияют на характер взаимодействия вихрей и связанные с ним потери момента количества движения периферийного потока внутри камеры закручивания, который играет важную роль в формировании зоны рециркуляции. Проведенные измерения показали (рис. 2), что
распределение осевой и тангенциальной скоростей типично для вихревых камер и циклонных топок.
Рис. 3. Влияние геометрических параметров вихревой горелки на структуру течения (Яе = 2,6^105, Х/БКЗ = 0)
Увеличение длины камеры закручивания в пределах от Ькз = 1 до ЬКз = 3 приводит к
монотонному возрастанию осевой составляющей скорости в зоне обратных токов (рис. 3).
При этом осевая скорость в основном потоке и радиальное распределение (рис. 3) тангенциальной составляющей скорости по всему сечению канала остаются неизменными. Возрастание скорости возвратного течения, по всей вероятности, связано с развитием в потоке регулярных пульсаций скорости, способствующих интенсификации турбулентного энергообмена между периферийным потоком и зоной обратных токов.
В результате более интенсивной передачи кинетической энергии основной поток выносит большее количество массы ядра за пределы канала, осевой градиент давления возрастает, и скорость возвратного течения увеличивается.
О влиянии степени закрутки на распределение тангенциальной составляющей скорости наглядное представление дает рис. 3. С уменьшением закрутки максимум тангенциальной скорости смещается к оси и соответственно этому уменьшается диаметральный размер зоны обратных токов.
Анализ и обобщение результатов измерений осредненных параметров закрученного потока показали, что течение закрученной струи при наличии зоны обратных токов имеет универсальный характер, который может быть описан величиной
ф "(ртах
(wx тах Wx ос )
где Wxmax и W(pmax - максимальные значение осевой и тангенциальной скоростей, Wx значение осевой скорости на оси струи.
ф
1,2 1,0 0,8 0,6
0,4
0,2
о \Л О - Авторы д- [1] Х" [2] п" [3]
сЛ О
°\л
X ; X X X
А X Г-л-^ г
-0,2 0 2 4 6 8 10 X
Рис. 4. Зависимость параметра Ф от продольной координаты (X = X/ )
Зависимость Ф от продольной координаты X (рис.4) в пределах зоны обратных токов постоянна и равна примерно 0,5. По мере продвижения внутрь горелки параметр Ф резко возрастает вследствие роста \¥хос оси и примерного постоянства \^фП1ах и \¥хтах.
Подобное изменение Ф, свидетельствующее о различии механизмов поддержания равновесия закрученного потока внутри вихревой горелки и в факеле, может быть использовано для моделирования ее рабочего процесса.
Что касается турбулентной структуры, то она в значительной степени определяется характером течения. При работе горелки па стационарном режиме максимальный уровень турбулентности наблюдается в области закручивающего устройства (рис.5). Это объясняется, с одной стороны, взаимодействием дискретных струй, вытекающих из завихрителя, а с другой стороны, проникновением зоны рециркуляции до задней стенки вихревой горелки. С увеличением числа Рейнольдса (в рассматриваемом случае Яе > 2,3-105) происходит переход на нестационарный режим работы. Пульсационная структура в канале и факеле вихревой горелки перестраивается (рис. 5).
Рис. 5. Изменение интенсивности турбулентности на оси закрученной струи: 1 - нестационарный режим, 2 - стационарный режим
Максимум пульсаций вектора скорости смещается к выходу из горелки, что объясняется усилением взаимодействия прямого и обратного потоков вследствие возникновения свободной критической точки, препятствующей проникновению зоны обратных токов внутрь горелки.
Таким образом, при переходе на нестационарный режим работы происходит резкое изменение гидродинамической структуры течения. В потоке возникают мощные регулярные пульсации скорости и давления, сигнал с датчика термоанемометра приобретает синусоидальную форму (рис.6). Кроме того, изменяется характер зоны рециркуляции, от свойств которой в значительной степени зависит выгорание топлива и стабилизация пламени. Это обстоятельство послужило основанием для экспериментального исследования структуры и свойств зоны рециркуляции на двух рассмотренных выше режимах.
а)
б)
б)
Рис. 6. Форма сигнала пульсаций (Х/Ыкз =0, 8В =2,8): а - стационарный режим, б - нестационарный режим
Рис.7. Форма факела на различных режимах работы вихревой горелки (8В = 0,7): а - стационарный режим б - нестационарный режим
С этой целью были проведены подробные измерения состава продуктов сгорания и температуры при подаче природного газа в зону рециркуляции на различных моделях вихревых горелок.
Визуальные наблюдения за процессом горения в зоне рециркуляции (рис.7), измерения полноты сгорания, состава смеси и температуры в ней показали (рис.8), что при переходе на нестационарный режим работы вихревой горелки зона рециркуляции внутрь горелки не проникает.
Подобная перестройка в структуре и свойствах зоны рециркуляции позволила несколько повысить полноту сгорания, но значительно ухудшила ее стабилизирующие свойства (рис.9), что объясняется уменьшением объема, зоны и увеличением турбулентного тепломассообмена на начальном участке факела. В случае работы вихревой горелки на природном газе для устранения некоторых недостатков, присущих нестационарному режиму, целесообразно выбирать ее конструктивные размеры в соответствии с рекомендациями, изложенными в работах [4,5].
Пгц,%
20
10
0
Тц,К 1100
900
700
500
300
Нц
1
о
-3-2-1 0 1 2 X
РтеХ Изменение полноты сгорания, температуры рис.9. Влияние режима работы горелки на
и состава смеси вдоль оси факела вихревой горелки: «бедную» границу срыва пламени
1 - нестационарный режим, 2 - стационарный режим аср г - коэффициент избытка воздуха при
Пгц, Т ц, ац - полнота сгорания, температура и срыве пламени коэффициент избытка воздуха при срыве пламени
В практической деятельности подобные режимы горелок встречаются довольно редко, только в области «богатых» значений аГ. Поэтому изучение массообменных свойств зоны рециркуляции и состава смеси в ней, в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров, проводилось на стационарном режиме работы вихревой горелки.
Измерения состава продуктов сгорания по длине и радиусу зоны рециркуляции показали, что благодаря высокому уровню турбулентности происходит интенсивное перемешивание топлива и воздуха.
В результате этого в объеме зоны образуется смесь, горящая в режиме, близком к режиму горения предварительно перемешанной горючей смеси. Однако по длине зоны рециркуляции состав смеси и температура несколько увеличиваются (рис.10). Полнота сгорания в зоне рециркуляции при диффузионном горении не остается постоянной в отличие от горения гомогенной смеси. Наблюдается общая закономерность ее падения с уменьшением
2,0
1,5
1,0
0,5
0
А /
♦ (—»
Зв=1,35
< 3 5
-—-
Г- \
3В=0,35 \Унх=100м/с иг=1,1 1
-0,25
0 0,25 0,5 0,75
1,0
1,25 X
Рис. 10. Влияние закрутки воздуха на состав смеси в зоне рециркуляции
коэффициента избытка воздуха (рис.11). Увеличение степени закрутки воздуха приводит к его эжекции в зону и при 1.4 состав смеси в ней стабилизируется, а полнота сгорания принимает постоянное значение (рис.11).
Подобное протекание характеристик зоны рециркуляции связано с тем, что скорость возвратного течения различна в различных точках. Так, наблюдается некоторое обогащение состава смеси в начале зоны и обеднение в конце. Поэтому зона рециркуляции вихревой горелки имеет кинетические и диффузионные свойства, а характеристики ее рабочего процесса должны определяться кинетическими и диффузионными параметрами. В первом приближении же рабочий процесс в зоне рециркуляции можно моделировать гомогенным реактором. Подобная ее идеализация позволяет в критериальном виде выявить влияние различных факторов на механизм выгорания топлива и стабилизацию пламени в вихревых горелках.
7
л
/
х/к о
"аг=0,85 _\Увх=100м/с
3.13
Расче" % \ г[ ] \р/
\ >
О 0,5 1,0 1,5 Иг 0 0,5 1,0 1,5 2 аг
а) б)
Рис. 11. Влияние аг на характеристики зоны рециркуляции
Для правильного физического и теоретического описания рабочего процесса вихревых горелок необходимо иметь надежные экспериментальные данные и обобщения о массообмене между зоной рециркуляции и основным потоком, интенсивность которого косвенно можно оценить по величине среднего времени пребывания газа в зоне.
Выполненные измерения показали, что тПр зависит от масштаба горелки, степени закрутки, скорости истечения, состава смеси в зоне рециркуляции и способа ее подачи. Качественная зависимость тпр от геометрических размеров и скорости потока одинакова для плохообтекаемых тел и вихревых горелок (рис.12).
В количественном выражении времена пребывания сильно отличаются. Так, в зависимости от закрутки безразмерное время пребывания
Ъ =
т>„
Рис. 12. Влияние скорости воздуха на входе в горелку и диаметра диффузорного насадка на время пребывания в зоне рециркуляции
для исследуемых вихревых горелок при горении изменялось от 5 до 75 (рис.13), а для уголковых стабилизаторов по данным работы Ъ ~ 104. Подобное различие связано с тем, что интенсивность турбулентности в закрученной струе выше,
80
60
40
20
чем за уголковым стабилизатором. Поскольку тпр зависит от степени закрутки, то выражение для Ъ после некоторых
преобразований было приведено к виду т О
гу _ '•пр^вг
я - 77^65'
Рн^кз^в
где рн - плотность воздуха на входе в горелку; Овг - расход
воздуха через горелку.
Тогда в широком диапазоне изменения конструктивных схем горелок и степеней закруток безразмерное время пребывания Ъ.3 при диффузионном горении природного газа изменяется в
пределах от 5 до 9,5 (рис.14). На основных режимах работы Ъ8 ~
9,5, а на режимах, близких к "бедному" срыву, Ъ8 ~ 5,5. В отличие
от горения гомогенной смеси Ъ8 при диффузионном горении
протекает более полого (рис.14), что объясняется наличием переобогащенных топливом зон, способствующих достижению максимальной эффективности горения не при стехиометрическом составе смеси, а при ац = 1,2.
Принципиальным отличием процесса массообмена в вихревых горелках от случая уголковых стабилизаторов является зависимость времени пребывания от состава смеси в зоне рециркуляции (рис.13 и 14).
Если в зоне отрыва уголковых стабилизаторов хпр примерно постоянно в диапазоне
аг = 0,84... 1,45, то в вихревых горелках тпр изменяется примерно в 2 раза. Вероятная причина подобного протекания тпр - его взаимосвязь с интенсивностью тепловыделения в зоне, которая зависит от а . При уменьшении а от нижнего предела концентрационного горения до ац ~ 1...1,2 повышается температура в зоне рециркуляции, что вызывает
о
Горелки КС 5 0=2,45 - О 8ВЧД85
в =0,35 -д
I Л Ч
—а Л \ \
\
0 0,5 1,0 1,5 2,0 аг
Рис. 13. Изменение Z в зависимости от закрутки воздуха
уменьшение плотности газа и градиентов давления.
о
\ х \п « ■ 9 Ц;-
\ дифф'узионн Ч факел HiFe*
/ о й\ гомогенный\^ факел □
I^ \d
О 0,5 1,0 1,5 2,0 or
Рис. 14. Зависимость безразмерного времени пребывания от коэффициента избытка воздуха
Это приводит к нарушению динамического равновесия в поле центробежных сил, и размеры зоны увеличиваются, принимая новое равновесное состояние, соответствующее балансу сил центростремительного ускорения и радиального градиента давления.
Изложенные выше экспериментальные данные позволили уточнить некоторые особенности рабочего процесса вихревых горелок на различных режимах работы и обобщить массообменные свойства зоны рециркуляции в виде параметра ZS.
Библиографический список
1. Турбулентное слежение газовых струй; под ред. Г.Н. Абрамовича. - М.: Наука, 1974. -272с.
2. Аэродинамика закрученной струи; под ред. Р.Б. Ахмедова. - М.: Энергия, 1977. - 240с.
3. Ю.А. Кныш Влияние температуры окружающей среды на работу вихревого генератора звука. Ю.А. Кныш, С.В. Лукачев. Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения: сб. науч. тр. КуАИ. - Куйбышев, 1974. - С. 5256.
4. А.Ф. Урывский Исследование нестационарных режимов работы вихревых горелок авиационных газотурбинных двигателей: автореф. дис. канд. техн. наук А.Ф. Урывский. -Куйбышев, 1982. - 22с.
5. А.Н Белоусов. Применение вихревых горелок в авиационных ГТД наземного использования. А.Н. Белоусов, Ю.А. Кныш. Наземное применение авиационных двигателей в народном хозяйстве: сб. науч. тр. - М.: ВИМИ, 1977. Вып. 2(4). - С. 227-231.
Сведения об авторах
1. Ланский Анатолий Михайлович, доцент Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный аэрокосмический университет), к.т.н.
СГАУ, Московское ш., 34, Самара, 443086; тел.: (846) 267-44-46; e-mail: lansky@ssau.ru
2. Лукачев Сергей Викторович, заведующий кафедрой Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный аэрокосмический университет), д.т.н., профессор.
СГАУ, Московское ш., 34, Самара, 443086; тел.: (846) 267-43-05; e-mail: lukachev@ssau.ru
3. Матвеев Сергей Геннадьевич, доцент Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный аэрокосмический университет), к.т.н.
СГАУ, Московское ш., 34, Самара, 443086; тел.: (846) 267-43-92; e-mail: pfu@ssau.ru
