CC BY
148
УДК536.46; 621.454
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
© 2006 А.Г. Егоров, С.В. Пивнева Тольяттинский государственный университет
Рассмотрен способ организации рабочего процесса в ДУ на порошкообразном металлическом горючем на основе комплексного исследования процессов воспламенения, горения и стабилизации пламени алюминиево-воздушной смеси в прямоточной камере с внезапным расширением.
Применение принципиально нового типа горючего - порошкообразного металлического - в прямоточных воздушнореактивных двигателях (ПВРД) по существу открывает новое направление в реактивном двигателестроении. Обладая большой теплотой сгорания и высокой плотностью порошкообразное металлическое горючее (ПМГ) способно существенно увеличить удельный импульс тяги. ПМГ позволяют, с одной стороны, сохранить эксплуатационные достоинства твердых ракетных топлив, с другой -исключить их основной недостаток - отсутствие возможности регулирования в широком диапазоне тяги двигателя [1].
В качестве порошкообразного металлического горючего (ПМГ) одним из наиболее доступных металлов является алюминий (А1). Относительно высокие энергетические характеристики, большие запасы А1 в природе и крупные масштабы промышленного производства позволяют использовать его в качестве ПМГ в большей мере, чем такие металлы как бор, бериллий, магний и др.
Перспективы применения порошкообразного А1 в качестве основного горючего в реактивных двигательных и энергетических установках, основываются на организации эффективного рабочего процесса в прямоточных камерах сгорания.
Установление закономерностей процессов смешения, воспламенения, стабилизации горения и сгорания металловоздушных смесей с учетом всех факторов, влияющих на эти процессы, многоплановая и, пожалуй, наиболее сложная задача в теории прямоточных и ракетно-прямоточных двигателей. Все это стимулирует постановку научных исследований, охватывающих целый комплекс проблем касающихся организации рабочего процесса в прямоточных ка-
мерах сгорания реактивных двигательных установок.
Для организации рабочего процесса сгорания алюминиево-воздушной смеси в камере прямоточного типа необходимо решить следующие задачи:
- исследовать структуру и характеристики течения однофазных (воздушных) и двухфазных (алюминиево-воздушных) потоков ограниченными стенками канала.
- определить локальное время пребывания частиц алюминия в камере сгорания и оценить интенсивность тепломассообменных процессов зоны рециркуляции с основным потоком алюминиево-воздушной смеси.
- исследовать процесс воспламенения и определить пределы зажигания в зависимости от начальных параметров набегающего потока алюминиево-воздушной смеси.
- детально исследовать механизм стабилизации пламени в потоке алюминиевовоздушной смеси зоной рециркуляции.
Общеизвестно, что эффективность рабочего процесса существенным образом зависит от структуры течения в камере сгорания. Поэтому в настоящей работе на первом этапе была исследована структура и характеристики течения воздушных потоков в прямоточной камере с внезапным расширением.
Получены профили средней скорости потока и и пульсаций скорости
є = уі и/2 / и0 , распределение пульсационных
т т /2 тт" ^ 2
составляющих и , V , касательных напряжений трения т = -риУ' и коэффициента давления с р = р — р0 / ри02 по длине канала;
Полученные характеристики течения в камере с внезапным расширением при вдуве в нее струи воздуха показали, что несмотря, на возникающий продольный градиент давления, поперечные профили скорости харак-
теризуются подобием и могут быть описаны универсальной функцией вида
(и — ^/(Ц. — и8) = f ( у/б),
где иm - скорость на оси струи, б - толщина слоя смешения, ус - поперечная координата от оси струи, соответствующая значению скорости ис = (ит — иб)/2 .
Алюминиево-воздушные смеси используемые в качестве порошкообразного металлического топлива в двигательных и энергетических установках относятся к «флюидным потокам» с большой относительной концентрацией дисперсной фазы, у которых /I >50. И соответственно характеристики двухфазного, алюминиево-воздушного и однофазного воздушного потоков в камере сгорания с внезапным расширением будут существенно отличаться.
Нарис. 1 представлена картина течения двухфазного, алюминиево-воздушного потока в модели камеры сгорания с внезапным расширением. Где хорошо виден основной поток алюминиево-воздушной смеси и границы кольцевого вихря в донной области зоны рециркуляции. Плоскость вихревого закрученного течения перпендикулярна оси камеры и занимала ~ 1/3 длины зоны рециркуляции (см. рис. 3). В придонном вихревом течении с закруткой наблюдалась поперечная миграция частиц, которая приводила к повышенной концентрации наиболее крупных частиц в пристенной области. Вероятно, что закрученное вихревое течение в донной области зоны рециркуляции обусловлено силой Магнуса, которая зависит от скорости поступательного движения и угловой скорости частиц, последняя, определяется двумя факторами - начальной круткой, вызванной взаимодействием частиц с твердыми поверхностями при движении в подводящем канале, и градиентом средней скорости.
Видно также, что концентрация частиц А1 в донной области зоны рециркуляции неравномерна, в нижней части она больше. Этот факт объясняется тем, что турбулентные моли проницаемы для высокодисперсных частиц А1, в результате чего при гравитационном оседании концентрация внизу больше чем вверху.
Рис.1. Картина течения в зоне рециркуляции алюминиево-воздушной смеси, содержащей частицы алюминия АСД-4 (d32 = 7,5мкм). Модель камеры сгорания диаметром 0,042 м; направление потока слева направо;
Щ0 = 50м / с ; а = 0,11; турбулентность трубная; скорость съемки 700 кадр./с
С увеличением среднего размера частиц ё32 с 7,5 до 17,5 мкм их концентрация в
донной области увеличивается.
Аэродинамикой течения алюминиевовоздушного потока будет определяться локальное время пребывания частиц А1 в камере сгорания, от которого, в свою очередь, будут зависеть параметры рабочего процесса.
При определении среднего времени пребывания частиц А1 в зоне рециркуляции (т ) установлено, что при трубной турбулентности с увеличением характерного размера стабилизатора (Н), тзр частиц А1 обеих
марок ПМГ увеличивается. С ростом и0 наблюдается уменьшение времени пребывания частиц А1, как в основном потоке т0, так и
зоне рециркуляции тзр.
Для алюминиево-воздушной смеси, содержащей частицы А1 размером й32 = 7,5 мкм, увеличение начальной турбулентности на входе в камеру (установка решетки на 1р = 0,02 м) приводит к уменьшению тзр по сравнению с
вариантом без решетки.
Для частиц А1 с размером й32 = 17,5 мкм наличие решетки увеличивает тзр по сравнению с вариантом без решетки.
По эмпирическим значениям тзр, Ьзр,,
Н, и0 было рассчитано безразмерное время пребывания частиц А1 в зоне рециркуляции (К). При трубной турбулентности в потоке без горения значения К для частиц горючего марок АСД-4 и АСД-1 соответственно составили 13,97 и 22,5. В потоках алюминиево-
воздушной смеси с повышенной турбулентностью при установке решетки на 1р = 0,02 м значение К для порошка марки АСД-4 было 7,49, а для горючего АСД-1 - 13,6. Уменьшение значения безразмерного времени пребывания К свидетельствует об интенсификации процессов тепло - и массообмена зоны рециркуляции с основным потоком алюминиево-воздушной смеси.
Испытания в потоке с горением показали, что длина зоны рециркуляции увеличивается в 1,4 раза по сравнению с холодным потоком. Значение безразмерного времени пребывания К в потоках алюминиево-воздушной смеси с горением увеличивается в 2,5 раза.
Таким образом следует, что как без горения, так и в случае горения процессы теп-ломассобмена основного потока алюминиево-воздушной смеси с зоной рециркуляции также как и газовоздушных смесей можно оценивать безразмерным временем пребывания К.
Известно [2], что время горения частиц А1 при атмосферном давлении подчиняется закону тг ~ й2 , следовательно, время горения
полидисперсной алюминиево-воздушной смеси в зоне рециркуляции будет определяться размером частиц самой крупной фракции, тзр
которых будет максимальным. В связи с этим, наряду со средним временем пребывания, определенный интерес представляет максимальное время пребывания частиц А1 в зоне рециркуляции .
Влияние начальной скорости ио и турбулентности ео основного потока на ттах
частиц А1 в донной области зоны рециркуляции показано на рис. 2.
Полученный характер расположения кривых зависимости / = (и0,е0)для алюминиево-воздушной смеси в камере с внезапным расширением, так же как и для газовоздушной смеси, за плохообтекаемым телом [3], можно объяснить тем, что при постановке в поток турбулизирующей решетки коэффициент диффузии увеличивается. С ростом же расстояния от решетки интенсивность турбулентности е0 падает, Бзр будет при
этом уменьшаться, а Тзр увеличиваться в том же соотношении.
и о , м / с
Рис. 2. Влияние и0 и ео воздушного потока на %пах
1 - без турбулизирующей решетки (е0 = 5% );
2 - с решеткой на I = 0,057м (е0 = 12%);
3 - с решеткой на 1 р = 0,02м (е0 = 22%); точки - эксперимент; линии - расчет по формуле.
На основе аппроксимации экспериментальных данных получена формула для расчета Ттах :
= 20,2(5 +12,3) • (г -1)2,27 (1 - 0,67е0 + 0,136£02)
Ттах (0,05 £02 - 0,25 е0 +1,17) ’
и0
где ё = ё / ё0- относительный размер частицы А1 (ё0 = 7,5мкм ); г - степень внезапного
расширения; ео - интенсивность турбулентности воздуха на входе в камеру сгорания, в %; Ио - скорость потока алюминиевовоздушной смеси на входе в камеру сгорания.
Погрешность аппроксимации экспериментальных данных, полученных по данной формуле, составляет ~ 12 %.
Результаты исследований по определению локального времени пребывания (т )
частиц алюминия в камере сгорания позволили выбрать оптимальное место установки свечи зажигания (СПН-4-3Т, W = 0,05Дж). Обнаруженная область зоны рециркуляции с максимальным временем пребывания частиц А1 является оптимальным местом расположения свечи зажигания Ьсв = (0,5... 1,2)Н .
Известно [4], что процесс зажигания длится с момента начала искрового разряда до установления режима устойчивого распространения пламени. Здесь существуют, по крайней мере, две проблемы. Одна из них
- формирование очага пламени при искровом разряде, а другая - неустойчивое распространение пламени этого очага.
При скоростной киносъемке процесса развития начального очага воспламенения в
зоне рециркуляции в различные моменты времени было обнаружено, что после проскока искры радиус начального очага сначала уменьшается, а потом начинает увеличиваться в случае успешного воспламенения. При неудачном воспламенении очаг полностью погасает.
На рис.3 представлены кривые изменения размеров начального очага по времени для угасающего (кривая 1) и распространяющегося пламени (кривая 2).
Для обоих случаев на начальном этапе процесса в течение ~ 1,6 мс наблюдается увеличение размеров очага от 0 до 8 мм. Затем в интервале времени от 1,6 до 3,3 мс происходит уменьшение его размеров до ~ 3.. ..4 мм. При достижении значения времени т » 3,3мс уменьшение размеров начального очага в обоих случаях прекращается. В случае успешного развития (кривая 2) происходит резкое увеличение размеров очага ~ 10 мм (т » 4,9мс ), затем наступает стабилизации скорости роста (т = 4,9... 12,8мс) с последующим его увеличением и распространением пламени по зоне рециркуляции (т > 12,8мс ). В случае неудачного воспламенения после первоначального увеличения (т ~ 1,6мс), размеры начального очага воспламенения (кривая 1) практически не меняются и при значении т = 4,9мс происходит его угасание.
Известно [5], что для того чтобы осуществить искровое зажигание в гомогенной горючей смеси соответствующий ей эквивалентный радиус Яэкв должен быть в несколько раз больше, чем характерная ширина зоны ламинарного пламени Ьп .
Зельдовичем Я.Б. [6] было получено искомое условие воспламенения, в следующей простой форме Яэкв > 3,7Ьп .
Ц мс
Рис. 3. Изменение размеров очага по времени для затухающего (1) и распространяющегося (2) пламени
Таким образом, для того, чтобы электрическая искра могла привести к воспламенению в зоне рециркуляции алюминиевовоздушной смеси с частицами АСД-1, соответствующий ей критический радиус должен быть ~ 4мм. При этом условии можно предположить, что ближайшие частицы алюминиево-воздушной смеси успеют воспламениться, прежде чем нагретый искрой начальный очаг остынет. Ясно также, что для признания воспламенения удачным или неудачным, необходим интервал времени ~ 4,9 мс.
Установлено, что процесс развития начального очага зажигания проходит в две стадии. Увеличение турбулентности потока алюминиево-воздушной смеси оказывает положительное влияние на размеры начального очага воспламенения на первой стадии развития и отрицательно на второй. Первая стадия, когда скорость выделения тепла в процессе химической реакции превосходит скорость теплоотвода в окружающую среду, составляет ~ 1/3 от общего времени развития очага.
Оценки характеристик воспламенения проводились по методике, представленной в [7]. Область зажигания потока аэровзвеси частиц алюминиево-магниевого сплава марки АМД-50 представлена на рис. 4. На оси абсцисс отложен расход воздуха (Св), а на оси ординат отношение расхода порошка алюминия к расходу воздуха (% = СА1 / Св). Форма кривой, ограничивающая область воспламенения потока аэровзвеси частиц А1, соответствует форме кривой ограничивающей типичную область такого рода для камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей [6].
1 ,2
0,8
С
0,4 0
8 9 10 11 12 13
С в , г /с
Рис. 4. Область зажигания в прямоточной камере сгорания Окс = 0,05м аэровзвесь частиц АМД-50 (50% А1 + 50%Mg)
Обл асть зажига! 1 ия
1 >
Экспериментально установлено, что границы зажигания в потоке алюминиевовоздушной смеси расширяются при увеличении диаметра камеры сгорания, температуры воздуха, с уменьшением среднего размера частиц и сужаются при увеличении скорости потока. С ростом начальной турбулентности пределы зажигания в потоке алюминиево-воздушной смеси со средним диаметром частиц алюминия 7,5 мкм сужаются и расширяются с частицами диаметром 17,5 мкм.
Многообразие факторов, определяющих процесс стабилизации пламени неоднородной по составу и фазе смеси, обусловливает чрезвычайную трудность изучения механизма этого сложного явления. Поэтому процесс стабилизации пламени в потоке алюминиево-воздушной смеси представляет собой более сложный предмет для изучения и понимания, чем процесс стабилизации в потоке гомогенной смеси.
В связи с этим только детальное исследование влияния различных факторов на границы устойчивого горения в турбулентном высокоскоростном потоке алюминиевовоздушной смеси позволит определить качественные закономерности и получить количественные соотношения.
а
Рис. 5. Влияние характерного размера Н на пределы устойчивого горения АСД-1 1 - Н = 0,02 м; 2 - Н = 0,03 м;
3 - Н = 0,04 м; 4 - Н = 0,05 м
Установлено, что для порошкообразного алюминия так же, как и для газообразных и жидких топлив с увеличением характерного размера Н растет скорость набегающего потока алюминиево-воздушной смеси, при
которой наступает срыв пламени иср, и
расширяются пределы устойчивого горения по составу смеси.
На рис. 5. представлены данные по стабилизации пламени в потоке алюминиевовоздушной смеси в камерах сгорания с различным, характерным размером Н.
Проведенные исследования показали, что скорость потока алюминиево-воздушной смеси при которой наступает срыв пламени увеличивается и пределы устойчивого горения по составу смеси в «бедной» области (а > 0,2) расширяются: с уменьшением скорости набегающего потока алюминиевовоздушной смеси С/0; при увеличении начальной температуры воздуха Т0; с уменьшением размера частиц алюминия йЪ2; с увеличением длины камеры сгорания Ькс; при работающей свече зажигания и при увеличении температуры стенки камеры сгорания.
Увеличение начальной турбулентности набегающего потока £0 расширяет границы срыва в области а > 0,2 для алюминиево-воздушной смеси содержащей частицы алюминия с йЪ2 = 17,5мкм и сужает для частиц с йЪ2 = 7,5мкм .
Рис. 6. Стабилизированный фронт пламени в прямоточной камере с внезапным расширением Окс = 0,042 м; горючее АСД-4; И0 = 50м / с; а = 0,11; Т = 293К
На рис. 6. представлен один из кадров скоростной киносъемки, на котором зафиксировано стабильное положение фронта пламени в потоке алюминиево-воздушной смеси содержащей частицы АСД-4 с ё32 = 7,5мкм.
На рисунке четко просматривается начальный участок двухфазной, алюминиевовоздушной струи, а также фронт пламени, который начинается практически сразу же от плоскости внезапного расширения. Пламя, распространяющееся от стабилизатора и сносимое потоком, образует поверхности, расположенные под углом к направлению потока, как и в потоке однородной горючей смеси
Анализ срыва горения в потоке алюминиево-воздушной смеси в исследованном диапазоне размеров частиц ПМГ показал, что в основе физической модели стабилизации пламени зоной рециркуляции за внезапным расширением канала лежат теории стабилизации пламени за плохообтекаемым телом для гомогенных топливно-воздушных смесей.
Список литературы
1. Петренко В.И., Малинин В.И. ПВРД порошкообразных металлических горючих -
перспективное направление улучшения баллистических характеристик управляемых ракет.// Фудаментальные и прикладные проблемы современной механики. Материалы III- Всероссийской научной конференции.: Изд-тво ТГУ. 2002. С. 94-98.
2. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В. и др. Горение порошкообразных металлов в активных средах. М.: Наука. 1972. С.293.
3. Бовина Т.А. // Горение при пониженных давлениях и некоторые вопросы стабилизации пламени в однофазных и двухфазных системах. М.: Изд-во АН СССР. 1960. С. 58.
4. Кумагаи. Горение. - М: Химия, 1980. 256 с.
5. Щетинков Е С. Физика горения газов. М.: Наука. 1965. 739 С.
6. Зельдович Я.Б. ЖЭТФ. 1941. № 11. С.159.
7. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. С. 204.
BURNING PROCESS IN COMBUSTION CHAMBERS OF NEW GENERATION
POWERPLANTS
© 2006 A.G. Egorov, S.W. Pivnewa
Togliatti State University
This paper analyses combustion process in powerplants running on powdered metal fuels and is based on comprehensive study of air-aluminum mixture ignition, combustion and flame stabilization processes in a straight-flow combustion chamber with sudden expansion.
