Исследование электроакустических характеристик модулированных электрических разрядов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.52:534.86 ББК В333:З87

ВВ. АФАНАСЬЕВ, А.И. КИТАЕВ, ВН. ОРЛОВ, В.А. ТАРАСОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДУЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

Ключевые слова: модулированные разряды, мощность дуги, излучение звуковых колебаний, диаграмма направленности, электроакустические характеристики разрядов, модель излучателя звука, внутрикамерное возмущающее устройство.

Исследованы электроакустические характеристики модулированных в звуковом диапазоне дуговых электрических разрядов в открытом пространстве. Получены диаграммы направленности и амплитудно-частотные характеристики излучения звуковых колебаний. Установлена нелинейная зависимость уровня звуковых колебаний от мощности рассеиваемой электрической энергии. Показана возможность использования модулированных электрических разрядов в качестве внутрикамер-ного возмущающего устройства.

Рабочий процесс в высокофорсированных камерах сгорания летательных аппаратов и различных энергоустановок, предназначенных для сжигания твердых, жидких и газообразных топлив, часто сопровождается самопроизвольным возникновением автоколебательных режимов горения, которые, как правило, вызывают большие колебания скорости термохимических реакций, тепловыделения, давления и вибрации самой камеры сгорания. Неустойчивый режим горения в камерах сгорания может привести к нарушению нормального режима ее функционирования, а иногда и к разрушению. Однако контролируемые в определенных интервалах колебания давления могут повысить эффективность работы камеры сгорания за счет активного перемешивания горючего и окислителя с активными радикалами продуктов реакции, что позволяет создавать высокоэффективные компактные установки. Поэтому разработка, изготовление, доводка и совершенствование рабочего процесса любой высокоэффективной камеры сгорания современных энергетических установок во многом определяются состоянием исследований механизмов возникновения неустойчивого режима горения, его диагностики и управления.

Исследованию механизмов возникновения автоколебательного режима горения посвящено много работ. Они, например, рассмотрены в работах [2, 4-7]. В настоящее время установлено, что самопроизвольное возникновение и поддержание автоколебательного режима горения обусловлены взаимодействием периодических колебаний давления в камере сгорания с процессом горения. При этом в соответствии с критерием Рэлея для возникновения и развития неустойчивого режима горения на одной из резонансных частот камеры сгорания работа, совершаемая зоной горения, должна быть положительной, т.е. должен выполняться определенный фазовый сдвиг между колебаниями давления и скорости тепловыделения. Согласованное изменение скорости тепловыделения с колебаниями давления в камере сгорания может осуществляться самыми разными способами. Например, за счет чувствительности к колебаниям давления изменения скорости распыливания и смесеобразования, расхода подачи горю-

чего и окислителя, скорости горения, интенсивности турбулентного вихреоб-разования в сдвиговых слоях и т.д.

Из-за многообразия механизмов обратной связи в появлении автоколебательного процесса горения до сих пор нет единого представления о причинах возникновения и усиления колебаний давления вплоть до разрушения самой камеры сгорания, несмотря на то, что вопросы устойчивости процессов горения постоянно находятся в центре внимания исследователей при разработке и доводке любой высокофорсированной камеры сгорания. Поэтому при разработке и доводке высокофорсированных энергетических установок важную роль имеет диагностика устойчивости и надежности процесса горения, начиная с подачи горючего и окислителя в камеру сгорания и вплоть до истечения выхлопных газов.

В настоящее время широко распространенным способом диагностики устойчивости режима горения является способ искусственного инициирования колебаний давления в работающей камере сгорания и наблюдения за дальнейшим развитием колебаний давления. Если они затухают до исходного состояния, то считается, что камера сгорания динамически устойчива к данным возмущениям. Методы диагностики устойчивости горения можно условно разделить по типу возмущений на импульсные и гармонические. Наибольшее распространение нашли импульсные возмущающие устройства на основе направленного взрыва навески взрывчатого вещества внутри камеры сгорания или вне камеры сгорания через связывающий канал с камерой сгорания, а также с направленным вдувом инертного газа [6]. Навеска взрывчатого вещества создает возмущение скорости и давления, а поток газа - возмущения скорости.

В работе [6] отмечается, что для наилучшей оценки надежности и устойчивости процесса горения желательно, чтобы все резонансные частоты камеры сгорания могли быть возбуждены последовательно для получения колебаний давления конечной амплитуды, например, за счет гармонических возмущений. Это дает возможность определять способность системы возвращаться в исходное состояние за счет последовательного устранения отдельных возмущающих факторов, что не позволяют сделать импульсные возмущающие устройства со сложным спектром колебаний давления.

Однако способ оценки устойчивости горения за счет синусоидальных возмущений практически не нашел применения из-за их отсутствия. Предпринимались попытки использования сирен и электропневматических излучателей [6], которые имеют ограничения по частоте и сильно влияют на акустические свойства газа и газодинамику горения в камере сгорания за счет разбавления рабочим газом сирены или электропневматического излучателя. Электродинамики могут быть использованы только лишь для диагностики акустических свойств холодных камер сгорания, т.е. без горения [6, 11].

С учетом того, что пламена углеводородных топлив служат источником заряженных частиц ионов и электронов, одним из перспективных методов воздействия на зону горения являются генераторы акустических колебаний на основе модулированных электрических разрядов. Воздействуя модулированным разрядом, можно интенсифицировать турбулентное перемешивание в

пламени [2], вызывать генерацию звуковых волн [9], диагностировать и управлять устойчивостью горения в камерах сгорания [1, 6, 10].

Настоящая статья посвящена исследованию электроакустических характеристик модулированных в звуковом диапазоне электрических разрядов в плазме пламени, предназначенных для диагностики устойчивости горения в модельных камерах сгорания энергетических установок.

Амплитудно-модулированный по напряжению электрический разряд происходил между двумя электродами, помещенными в продукты сгорания про-пано-кислородной смеси. С целью улучшения условий пробоя при больших глубинах модуляции на низких частотах в зону горения вводили легкоионизи-руемую присадку КОН. В сосуде между поверхностью водного раствора КОН и электродом над ней происходил искровой разряд с образованием мелкодисперсных частичек раствора, которые затем переносились окислителем в зону горения с последующей дополнительной ионизацией.

Проводились также исследования электроакустических характеристик дуги переменного тока от низкочастотного усилителя проводного вещания мощностью 15 кВт на фоне постоянно горящей дежурной дуги от источника постоянного тока.

В качестве источника питания для создания модулированных высокочастотных разрядов (ВЧД-разряд) применялись высокочастотные усилители, собранные на базе высокочастотных генераторов с несущими частотами 440 кГц и 2,67 МГц с мощностями 25 и 0,3 кВт, соответственно. Сигнал задающего генератора модулировался с помощью звукового генератора, а затем через промежуточный усилитель поступал на входной каскад усилителя, собранного на базе промышленной индукционной печи ВЧГ-1-25 с несущей частотой 440 кГц и колебательной мощностью до 25 кВт. Глубина модуляции задающего генератора и его частота контролировались с помощью осциллографа и частотомера. Мощность электрического разряда определялась измерением тока, напряжения и разности фаз между ними. Проводился также визуальный контроль формы тока, напряжения и разности фаз между ними с помощью электронного осциллографа.

Измерения основных параметров звуковых колебаний проводились в звукопоглощающей камере кубической формы (5,3x5,3x5,3 м ) с помощью акустического стенда фирмы «Роботрон», позволяющего синхронизировать частоту задающего генератора с анализатором спектра и самописцем. Микрофон шумомера располагался на расстоянии 1 м от излучателя.

На рис. 1 представлены типичные амплитудно-частотные характеристики излучения звуковых колебаний модулированным ВЧД-разрядом при различных мощностях разряда. Видно, что на участке до 3 кГц зависимость линейно возрастает, а затем в диапазоне до 20 кГц она практически не изменяется. Это можно объяснить размерами излучателя и изменением активной и реактивной составляющих сопротивления излучения. С учетом того, что в экспериментах расстояние между электродами не превышало 6 см, в качестве модели излучателя в нашем случае можно принять пульсирующий шар с центром между электродами (рис. 2).

Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика излучателя звука при различной мощности ВЧД-разряда, кВт: 1 - 0,5; 2 - 1,5; 3 - 5

R

реакт

= pcs

Излучение звуковых колебаний в этом случае определяется изменением активного сопротивления [3]:

_ _ (2%г / Г)2 *акт_рс* 1 + (2%г / ^ где рс - акустическое сопротивление среды; г = 1/2 - радиус шара; I - расстояние между электродами; * - площадь шара; X - длина волны звуковых колебаний.

Реактивное сопротивление имеет следующий вид: 2%г / X

1 + (2%r / X)2

10000

б

Рис. 2. Модель пульсирующего шарового излучателя звука (а) и изменение его активной и реактивной составляющих сопротивления излучения в зависимости от частоты модуляции при различных расстояниях между электродами (б)

При этом согласно [3], условия излучения звуковых колебаний наиболее оптимальны в случае, когда R^ > Rp^aT. Из приведенных соотношений для активного и реактивного сопротивлений можно увидеть, что это выполняется при 2rcr/X > 1.

Поскольку эксперименты проводились в открытом пространстве, можно принять pc = const. Тогда, если полагать в первом приближении s = const, с учетом X = c /f можно построить графики изменения

Rt _ Raкт

-^якт

(2rcf / c)2

pcs 1 + (2%rf / c)2

и Rpе

Rp

2%rf / c

pcs 1 + (2%rf / c)2

в зависимости от частоты модуляции /"электрического разряда (рис. 2, б). Из рис. 2 видно, что изменение активного сопротивления в зависимости от частоты модуляции хорошо согласуется с амплитудно-частотной характеристикой разряда, приведенной на рис. 1. Отсюда следует, что пульсирующий шар

а

может быть принят в качестве модели излучателя звуковых колебаний модулированным электрическим разрядом. Ниспадающий характер изменения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на низких частотах также хорошо объясняется тем, что до частот порядка 1-1,2 кГц Л'реакт > ^'акт.

Диаграмма направленности излучения звука на различных частотах модуляции приведена на рис. 3. Она построена с учетом цилиндрической симметрии разряда в пределах 180°. Видно, что на низких частотах порядка 0,2-0,3 кГц она имеет сферическую форму, которая объясняется тем, что в этом случае характерные размеры излучателя (межэлектродное расстояние) намного меньше длины волны звука и источник излучения можно представить в виде точки. С повышением частоты модуляции сферическая симметрия акустического поля разряда нарушается и начинает деформироваться с минимумом излучения звуковых колебаний по оси разряда.

Электроакустические характеристики дуги переменного тока от низкочастотного усилителя на фоне постоянно горящей дуги приведены на рис. 4. На рис. 4 приведены зависимости уровня звукового давления P, тока I и напряжения U на электродах, мощности дуги W и сдвига фаз ф между током и напряжением от частоты на входе усилителя. Видно, что в диапазоне частот 0,1-2 кГц напряжение между электродами остается на уровне 55 В, а затем из-за трансформаторного выхода усилителя постепенно уменьшается и составляет порядка 35 В на предельной частоте усилителя 10 кГц. Амплитудно-частотная характеристика излучения звуковых колебаний, как и в случае ВЧД-разряда (рис. 1), возрастает до частот порядка 4 кГц, а затем практически не изменяется. Ток в дуге возрастает с 40 до 60 А при увеличении частоты от 0,1 до 10 кГц, а сдвиг фаз между I и U до 3 кГц остается на уровне 15 из-за 20° и далее постепенно возрастает до 45° на предельной частоте усилителя 10 кГц. Последнее наглядно подтверждается динамическими вольт-амперными характеристиками переменной дуги на разных частотах (рис. 4). Видно, что на низких частотах сдвиг фаз незначителен, а на высоких частотах ф увеличивается.

Рис. 3. Диаграмма направленности Рис. 4. Зависимость

излучателя звука при различных частотах электроакустических характеристик дуги

модуляции: 1 - 0,25 кГц; 2 - 0,5 кГц; переменного тока

3 - 1 кГц; 4 - 4 кГц; 5 - 8 кГц от частоты модуляции

Сдвиг фаз между I и и можно оценить согласно уравнению [8]

Ф = аг^г-,

^ в1м (г + Яа) + 4и о

где Ь - индуктивность цепи; Я - активное сопротивление дуги; г - активное сопротивление в цепи (балластное сопротивление); и0 - напряжение между электродами; 1м - максимальное значение тока в дуге.

Оценка ф при частоте переменного тока 1 кГц дает 9° и около 50° на частоте 10 кГц, что удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными (рис. 4 и 5).

Рис. 5. Динамические вольт-амперные характеристики электрической дуги переменного тока при различных частотах /, кГц: 1 - 1; 2 - 2,5; 3 - 10

Эксперименты по измерению уровня звукового давления при фиксированной частоте модуляции от мощности электрической энергии, рассеиваемой в межэлектродном промежутке, показали, что до 1 кВт уровень звукового давления растет линейно, а затем рост замедляется и практически выходит на насыщение при мощностях свыше 7 кВт. Это можно объяснить тепловой инерционностью открытой дуги, т.е. при увеличении мощности электрической энергии межэлектродный промежуток сильно разогревается и не успевает охладиться при минимуме тока. Последнее сопровождается уменьшением роста переменной составляющей тепловыделения и температуры дугового разряда за период изменения тока и, как следствие, уменьшением роста интенсивности звуковых колебаний, что подтверждается фрагментом скоростной съемки модулированного ВЧД - разряда между электродами 1 и 2

(рис. 6). Видно, что при мощностях порядка 1,5 кВт (рис. 6, а) разряд характеризуется цилиндрической симметрией и при минимуме тока его свечение прекращается, что свидетельствует о значительном охлаждении и деиониза-ции межэлектродного промежутка за период модуляции.

При мощностях порядка 5 кВт из-за взаимодействия тока дуги с собственным магнитным полем симметрия разряда нарушается, и свечение межэлектродного промежутка при прочих равных условиях сохраняется также при минимуме тока.

V

V

б

Рис. 6. Фрагменты скоростной съемки модулированного разряда при/ = 260 Гц и мощности электрической энергии Р, кВт: а - 1,5; б - 5

Приведенные фрагменты съемок свидетельствуют о том, что с увеличением мощности разряда начинает сказываться тепловая инерционность и, как следствие, уменьшается эффективность излучения звуковых колебаний.

Специальные эксперименты по уменьшению тепловой инерционности за счет обдува межэлектродного промежутка модулированного ВЧД-разряда мощностью 300 Вт дополнительным потоком воздуха показали, что за счет турбули-зации (рис. 7) и улучшения условий теплообмена с окружающей средой происходит повышение эффективности излучения звуковых колебаний. Причем уровень звукового давления до скоростей обдува потоком воздуха 15-20 м/с в зависимости от частоты модуляции возрастает до 10 дБ и при дальнейшем увеличении скорости не изменяется. При этом повышение скорости обдува свыше 30 м/с приводило к погасанию дуги из-за ее срыва с электродов. Данный прием широко используется для восстановления диэлектрической прочности в высоковольтных выключателях.

а б в

Рис. 7. Фрагменты теневой съемки модулированного разряда при различных скоростях обдува продольным потоком воздуха: а - 0 м/с; б - 2 м/с; в - 3 м/с

Таким образом, результаты исследований показывают, что излучение звука модулированными дуговыми разрядами в открытом пространстве, как, впрочем, любого колеблющегося тела, происходит за счет пульсации поверхности высоконагретой плазмы вследствие переменного джоулева тепловыделения, которая, в свою очередь, адиабатически расширяясь и охлаждаясь, создает периодические возмущения окружающей среды (воздуха). При этом из-за наличия сопротивления среды возмущения распространяются не мгновенно, а со скоростью звука. С учетом превышения температурой разряда электрической дуги температуры горения в современных камерах сгорания энергетических установок более чем на 2000°С излучатели звука на основе модулированных дуговых электрических разрядов могут быть использованы в качестве внутрикамерного возмущающего устройства для диагностики устойчивости горения.

Литература

1. Афанасьев В.В. Активное управление устойчивостью горения электрическим разрядом // Физика горения и взрыва. 1999. № 3. С. 43-51.

2. Афанасьев В.В., Кидин Н.И. Диагностика и управление устойчивостью горения в камерах сгорания энергетических установок. М.: Физматлит, 2008. 176 с.

3. КрасильниковВ.А. Звуковые и ультразвуковые волны. М.: Физматгиз, 1960. 575 с.

4. Крокко Л., Чжен Синь-и. Теория неустойчивости горения в жидкостных ракетных двигателях: пер. с англ. М.: ИЛЛ, 1958. 351 с.

5. Нестационарное распространение пламени: пер. с англ. / под ред. Дж. Маркштейна. М.: Мир, 1968. 437 с.

6. Неустойчивость горения в ЖРД / под ред. Д.Г. Хоррье, Д.Г. Рирдона. М.: Мир, 1975.

869 с.

7. РаушенбахБ.В. Вибрационное горение. М.: ГИФМЛ, 1961. 500 с.

8. Теория термической электродуговой плазмы / под ред. М.Р. Жукова, А.С. Коротеева. Новосибирск: Наука, 1987. С. 45-48.

9. Экспериментальное исследование измерения акустических волн модулированным ВЧ-плазмотроном / В.В. Афанасьев, Р.А. Гафуров, А.И. Китаев и др. // Физика горения и методы ее исследования. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1983. С. 72-76.

10. Afanas'ev V.V. Active control of Combustion stability by Means of an Electrical Discharge. Combustion Explosion, and Shock Waves, 1999, vol. 35, no. 3, pp. 252-260.

11. Lepicovsky J., Ahuja K.K., Brown W.H., Norris P.J. Acoustic Control of Free Jet Mixing. Journal of Propulsion and Power, 1986, vol. 2, no. 4, pp. 323-330.

АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).

КИТАЕВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ - кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой общей и теоретической физики, Чувашский государственный педагогический университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).

ОРЛОВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ - кандидат физико-математических наук, профессор кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).

ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).

V. AFANASYEV, A. KITAEV, V. ORLOV, V. TARASOV ELECTROACOUSTIC CHARACTERISTICS OF MODULA TED ELECTRIC DISCHARGES

Key words: modulated discharges, arc power, sound vibrations radiation, acoustic pattern, electroacoustic characteristics of charges, sound radiator model, intrachamber disturbing unit.

Electroacoustic characteristics modulated over the sound range of arc electric discharges in open space are studied. Acoustic pattern and amplitude-frequency characteristics of sound vibrations radiation are obtained. Nonlinear dependence of sound vibrations level on power of scattering electric energy is found. Possibility to use modulated electric discharges as an intrachamber disturbing unit is demonstrated.

References

1. Afanasyev V.V. Aktivnoe upravlenie ustoichivost'yu goreniya elektricheskim razryadom [Active control of combustion stability of the electric discharge]. Fizika goreniya i vzryva [Physics of combustion and explosion], 1999, no. 3, pp. 43-51.

2. Afanasyev V.V., Kidin N.I. Diagnostika i upravlenie ustoichivost'yu goreniya v kamerakh sgoraniya energeticheskikh ustanovok [Diagnostics and control of combustion stability in the combustion chambers of power plants]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2008, 176 p.

3. Krasilnikov V.A. Zvukovye i ul'trazvukovye volny [Acoustic and Ultrasonic Waves]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1960, 575 p.

4. Crocco L., Cheng Sin-I. Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors. London, Butterworths Scientific Publications; New York, Interscience Publishers Inc., 1956, 200 p. (Russ. ed.: Teoriya neustoichivosti goreniya v zhidkostnykh raketnykh dvigatelyakh. Moscow, 1958, 351p.).

5. Markstein G.H., ed. Nonsteady flame propagation. Oxford, Pergamon Press, 1964 (Russ. ed.: Nestatsionarnoe rasprostranenie plameni. Moscow, Mir Publ., 1968, 437

6. Harrje D.T., Reardon F.H., eds. Liquid propellant rocket combustion instability. Washington, 1972 (Russ. ed.: Neustoichivost' goreniya v ZhRD. Moscow, Mir Publ., 1975, 869 p.).

7. Rauschenbach B. V. Vibratsionnoe gorenie [Vibrating combustion]. Moscow, 1961, 500 p.

8. Zhukov M.R., Koroteeva A.S., eds. Teoriya termicheskoi elektrodugovoiplazmy [Theory of thermal electric arc plasma]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1987, pp. 45-48.

9. Afanasyev V.V., Gafurov R.A., Kitaev A.I. et al. Eksperimental'noe issledovanie izmereniya akusticheskikh voln modulirovannym VCh-plazmotronom [Experimental study the measurement of acoustic waves modulated RF plasma system]. Fizika goreniya i metody ee issledovaniya [Physics of combustion and methods of its study]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 1983, pp. 72-76.

10. Afanas'ev V.V. Active control of Combustion stability by Means of an Electrical Discharge. Combustion Explosion, and Shock Waves, 1999, vol. 35, no. 3, pp. 252-260.

11. Lepicovsky J., Ahuja K.K., Brown W.H., Norris P.J. Acoustic Control of Free Jet Mixing. Journal of Propulsion and Power, 1986, vol. 2, no. 4, pp. 323-330.

AFANASYEV VLADIMIR - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).

KITAEV ALEKSANDR - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Head of General and Theoretical Physics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).

ORLOV VICTOR - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Thermal Power Plants Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).

TARASOV VLADIMIR - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).

Ссылка на статью: Афанасьев В.В., Китаев А.И., Орлов В.Н., Тарасов В.А. Исследование электроакустических характеристик модулированных электрических разрядов // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 1. - С. 37-46.