Научная статья на тему 'Организация рабочего процесса в камерах сгорания двигательных и энергетических установок нового поколения'

Организация рабочего процесса в камерах сгорания двигательных и энергетических установок нового поколения Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
261
144
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Егоров А. Г., Пивнева С. В.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

BURNING PROCESS IN COMBUSTION CHAMBERS OF NEW GENERATION POWERPLANTS

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.

Текст научной работы на тему «Организация рабочего процесса в камерах сгорания двигательных и энергетических установок нового поколения»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.