CC BY
71
Key words: ring adapter, contact resistance, light, slider, rotating object measurement.
Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical sciences, research engineer, alan-a@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.438
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВЫХ ГОРЕЛОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
С.Н. Вахнеев, Н.П. Коржов, Т.Н.Кравчик
Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик газодинамического потока в следе за вихревыми горелками, обеспечивающими подготовку гомогенной топливовоздушной смеси в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей и в других горелочных устройствах. Приведена картина потока соосных противоположно закрученных струй непосредственно за срезом горелки в зоне интенсивного циркуляционного течения, где при сжигании топлива происходит стабилизация процесса горения. Показаны условия, при которых возможна оценка устойчивости горения гомогенной смеси на стадии проектирования вихревых устройств.
Ключевые слова: камера сгорания, вихревая горелка, измерение, скорость, давление, температура, эксперимент.
Проектирование и расчет современных высокоэффективных основных камер сгорания (КС) воздушно-реактивных двигателей (ВРД) из-за сложности формализации рабочего процесса требуют большого объема экспериментальных данных результатов аэродинамических продувок элементов конструкции КС, тепловых процессов и устойчивости процесса горения.
Несмотря на широкое распространение и использование закрученных потоков газа и значительное количество теоретических и экспериментальных исследований [1, 2, 3, 4, 5], многие вопросы, связанные с их движением в вихревых устройствах, не имеют достаточно строгого математического описания и обстоятельного экспериментального обоснования, что необходимо при проектировании и расчетах КС.
В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований наиболее применяемых схем вихревых горелок фронтовых устройств, обеспечивающих подготовку гомогенной топливовоздушной смеси как основного фактора повышения эффективности основных КС.
Для определения влияния геометрических параметров горелки на физическую картину течения как основы для проектирования в качестве объекта исследования взята модель вихревой горелки с двумя соосными радиальными завихрителями (топливовоздушный (Т) и воздушный (В)), общей цилиндрической камерой закручивания и выходным патрубком (рис. 1).
Рис.1. Схема вихревой горелки
Лопатки завихрителей обеспечивают тангенциальный вход потока в камеры закручивания. Камера закручивания топливовоздушного завихри-теля имеет цилиндрическое сечение, а воздушного - кольцевое. Геометрически завихрители характеризуются проходной площадью каналов (шириной, межлопаточным расстоянием) и числом лопаток. Завихритель Т окружен улиткой, имеющей входной патрубок, через который подводятся воздух и при огневых запусках жидкое либо газообразное топливо. Камеры закручивания завихрителей имеют общий срез, за которым размещен входной патрубок горелки конической либо коническо-цилиндрической формы. Завихрители обеспечивают противоположную закрутку потоков для интенсификации процессов массообмена. При испытаниях варьировались степень закрутки завихрителей, угол раскрытия диффузора и его форма.
Исследовались пять типоразмеров горелок, отличающихся соотношением проходных площадей в диапазоне - 0,7.. .2.0 и закруткой в них потока: топливного - 3,6... 13,6, воздушного - 8,5...20,5; а также формой, образующей выходной патрубок (конический - с углом раскрытия 45...50° и такой же аналогичной конической с цилиндрическим участком на срезе).
Экспериментальная установка представляла ресивер с установленной на выходе горелкой и подводящей воздух магистралью с системой измерения расхода. В аэродинамическом следе за горелкой устанавливались измерительные насадки с возможностью продольного, поперечного пере-
113
мещения и вращения. В огневых экспериментах топливо к вихревой горелке подавалось струйной форсункой с помощью вытеснительной системы ввиду низкого потребного давления подачи.
В следе за горелками определялись поля осевых и окружных составляющих скоростей, распределение скоростных напоров, давлений, интенсивности турбулентности и поля температур при горении.
Измерение скоростей и давлений проводилось с помощью специальных аэродинамических насадков, позволяющих определять трехмерную картину течения, а также термоанемометрической системой. Измерение температуры при горении осуществлялось с помощью охлаждаемой термопары ПП антенного типа.
Эксперименты проводились при постоянной температуре воздуха Т0=300 К и атмосферном давлении Р0. Перепад давлений на горелке ДР выбирался из условия получения таких же скоростей течения, какие наблюдаются при работе горелки в камерах сгорания (с=30...50 м/с), что соответствует в принятых условиях эксперимента ДРК~4...10 КПа. При этом сохранялась автомодельность течения в следе за горелкой, так как числа Яе были велики ( 11е~2.. .5 хЮ5).
Для выяснения общих закономерностей течения определялась структура потока в поперечных сечениях струи при отсутствии горения. Типичное распределение скоростного напора в поперечных сечениях течения представлено на рис. 2 для горелки с конической формой выходного патрубка.
Рис. 2. Распределение скоростного напора в поперечных сечениях струи
В следе за горелкой возникает развитая зона возвратного течения, размеры которой зависят от диаметрального размера среза выходного патрубка с1к. Так, максимальный диаметр зоны обратных токов в варианте ко-
нической формы выходного патрубка составляет 0,8 dк и находится на расстоянии ~ 0,35 dк от его среза. Длина зоны обратного тока соответствует ~ 0,9.. .1,0 dк. Граница струи непосредственно за горелкой несколько расширяется до расстояния ~0^к, где поперечный размер достигает величины ~ 1,5 dк, и далее сохраняется практически неизменным. При цилиндрической форме среза выходного патрубка происходит заметная перестройка течения. Зона развитого возвратного течения сильно сокращается по длине (~0,35 dк). Слабое приосевое обратное течение наблюдается на длине до ~ 0,8.1,0 dк. Граничный диаметр струи имеет практически постоянное значение по длине, равное диаметру dк.
Течение характерно автомодельностью по расходу воздуха. Значение коэффициента расхода воздуха ц в зависимости от величины расхода через горелку О0 сохранялось практически постоянным для исследованных горелок в рабочем диапазоне перепада давлений на горелке (ЛРк ~ 4... 10 КПа).
Исследование распределения разрежения как разности статических давлений в потоке и окружающем пространстве, отнесенное к значению перепада давлений на горелке, и скоростного напора вдоль оси струи показало, что до расстояния, равного примерно 0,6 длины зоны обратного тока, отсчитываемой от среза выходного конуса, разрежение на оси струи сохраняется практически постоянным. Далее происходит его падение, и к концу зоны возвратного течения разрежение составляет приблизительно половину от значения на выходе из горелки. В области же развитого циркуляционного течения, в которой наблюдается активный обратный ток, изменение статического давления еще меньше, и к концу этой области разрежение снижается по сравнению с начальным на 15.20 %. В пределах выходного конуса горелки статическое давление на оси несколько выше, чем в зоне развитого циркуляционного течения. Наличие разрежения внутри камеры закручивания топливовоздушного завихрителя показывает, что возвратное течение проникает достаточно глубоко в горелку и что имеет место эжекция из приосевой области в струю прямого тока уже в пределах топливовоздушного завихрителя.
Измерения вектора скорости и его составляющих, распределения статического давления и температур в поперечных сечениях струи проводились с помощью специальных насадков, а интенсивности турбулентности - термоанемометром. На рис. 3, а, б показано типичное распределение составляющих полного вектора скорости (осевой й и окружной ^), отнесенное к среднерасходной скорости течения в сечении среза завихрителей (~30 м/с) на расстоянии X от среза горелки. Координата линейного расстояния X отнесена к значению радиуса общего среза завихрителей горелки.
а б
Рис. 3. Поля осевых и и окружных м? составляющих скорости в следе за горелкой на X = 1,6 : а - конический выходной патрубок; б - коническо-цилиндрический
выходной патрубок
Структура профилей характерна для сильно закрученных струй: вблизи оси наблюдается развитая зона обратных токов, прямой ток располагается по периферии сечения, максимум окружных скоростей располагается чаще внутри зоны обратных токов, радиальная составляющая относительно мала.
Следует отметить особенность течения, формируемого двумя противоположно закрученными потоками в горелках с исследованными геометрическими параметрами: во всех сечениях за выходным конусом горелки поток имеет одностороннее направление вращения. Направление вращения определяется тем завихрителем, из которого вытекает поток с большим моментом количества движения. Критерием, определяющим суммарное направление закрутки, может служить отношение моментов количества движения воздушного потока топливного (Мт) и воздушного (Мв) завихрителей:
_ М
М- т-2_
где |д - коэффициент расхода; F, г, Ь - геометрические характеристики.
При значениях А/<1,0 направление закрутки потока определяется воздушным завихрителем, при М > 1,0 - топливным.
Влияние геометрии выходного патрубка проявляется, главным образом, в «гашении» радиальной составляющей вектора скорости при истечении струи из горелки. Цилиндрический участок на срезе патрубка (рис. 3, б) уменьшает поперечное расширение струи, сокращается длина зоны интенсивного обратного течения.
При любой форме патрубка в исследованных горелках возвратного или отрывного течения вдоль него не наблюдается по всей длине образующей.
На рис. 4, 5 представлены результаты исследования распределения температур и интенсивности турбулентности в поперечных сечениях и по длине струи при горении.
а б
Рис. 4. Поля температур в аэродинамическом следе за горелкой при а0 = 1,0 в сечениях X =0; X =1,6:
а - конический выходной патрубок; б - коническо-цилиндрический
выходной патрубок
Рис. 5. Распределение интенсивности турбулентности в аэродинамическом следе за горелкой на X = 1,65
117
Эксперименты показали практически постоянное статическое давление во всем объеме зоны обратного течения. Температура газа также сохраняется практически неизменной по всему объему циркуляционной зоны и близка по абсолютным значениям к температуре горения топлива (см. рис.4). Равномерное распределение температуры является следствием высокой интенсивности процессов турбулентного обмена в циркуляционной зоне. Последнее подтверждается результатами измерения интенсивности турбулентности (рис.5). Измерения, выполненные с помощью термоанемометра на расстоянии от среза горелки с максимальным значением размеров циркуляционной зоны, представлены на рис.5. Значение величины интенсивности турбулентности в определялось как отношение средней квадратичной составляющей пульсационной скорости к максимальному
сивности турбулентности весьма высок - в среднем 20 %. Наибольшее ее значение (-30 %) наблюдаются на границе между прямым и обратным током, а минимальное - вблизи оси и на границе струи прямого тока с окружающим пространством. Однако следует иметь в виду, что при расчете в
величины <\](ТГ)2 относились к одному и тому же значению скорости ит .
Так как вблизи оси значение осредненной скорости ниже, величины в, рассчитанные по местной скорости, должны быть здесь выше.
На основании проведенных исследований структуры течения и процесса горения можно схематично представить структуру течения и влияние на нее геометрии параметров вихревой горелки.
Воздух в горелку подводится через завихрители Т и В (см. рис.1). Поток смеси завихрителя Т, проходя узкой пристеночной кольцевой закрученной струей внутри камеры закручивания до общего среза завихри-телей, активно эжектирует массу из приосевой области горелки. На общем срезе камер закручивания завихрителей потоки образуют две пристенные кольцевые струи, имеющие противоположную закрутку. При движении вдоль образующей патрубка эти струи быстро перемешиваются и в результате формируется кольцевая топливовоздушная струя с односторонней закруткой, направление вращения и результирующий момент которой определяются соотношением моментов количества движения исходных потоков. При смешении струй отдельных завихрителей часть кинетической энергии потоков преобразуется в энергию турбулентности и, таким образом, увеличивается эжекционная способность объединенной струи.
Распространяясь далее вдоль образующей выходного патрубка до среза патрубка и далее в свободном пространстве, кольцевая струя интенсивно эжектирует газ из зоны обратного тока (на границе которой реализуются повышенные уровни турбулентности), создавая в ней некоторое
значению скорости в данном сечении: 8
. Общий уровень интен-
и
т
разрежение. Под действием этого разрежения кольцевая струя в свободном пространстве сжимается к оси и в некотором сечении циркуляционная зона исчезает, кольцевая струя превращается в круглую. При этом в зону приосевого возвратного течения отводится часть массы струи. Струя эжек-тирует также воздух из окружающего пространства, поэтому значение коэффициента избытка воздуха в топливовоздушной струе оказывается существенно большим начального, определяемого расходами топлива и воздуха по горелке.
Высокая интенсивность турбулентности в циркуляционной зоне, а также равномерное распределение температуры в ней при сжигании гомогенной топливовоздушной смеси позволяют сделать предположение, что в зоне циркуляции создаются благоприятные условия для реализации эффективного протекания объемно-массовой реакции. Поэтому приближенно можно считать, что циркуляционная зона представляет собой гомогенный реактор, и величина коэффициента воздуха на границе устойчивости горения (особенно на бедных смесях) будет определяться значением параметра GB / VPP2 для циркуляционной зоны и начальной температурой смеси.
Приведенные результаты могут быть использованы при проектировании вихревых устройств, расчетах камер сгорания с вихревыми горелками, а также при моделировании трехмерных турбулентных движений жидкости в системе FlowVision [6].
Список литературы
1. Цыганов А.М. Влияние вихревых горелок на характеристики камер сгорания газотурбинных двигателей // Вестник СГАУ. 2007. №2(13).
2. Сугак Е.В., Сугак А.В. Моделирование турбулентных закрученных потоков // Современные проблемы науки и образования. 2013. №1. URL: http://www.stience-education.m/107-8312">www.stience-education.ru/ 107-8312.
3. Евланова О.А., Евланов А. А., Николаева Е.В. Идентификация параметров эрозионного горения топлива по данным огневых стендовых испытаний // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. Ч. 1. 2014. С. 64 - 70.
4. Звягин К.В., Золотухин В.И., Варьяш Г.М. Совершенствование конструкции смесителя интенсивного действия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 11. С. 336 -344.
5. Ланский А.М., Матвеев С.Г., Лукачев С.В. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД . Самара: СНЦ РАН, 2009. 335 с.
6. Аксенов А.А., Сельвачев А.Ю., Клименко С.В. Интерактивная анимация для визуализации движения жидкости. URL: http://www.researchgate.net/publication/267794779.
Вахнеев Сергей Николаевич, канд. техн. наук, доц., vsn@mai.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (МАИ) (Национальный исследовательский университет),
Коржов Николай Петрович, канд. техн. наук, доц., nikolpetr.knp@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (МАИ) (Национальный исследовательский университет),
Кравчик Татьяна Николаевна, канд. техн. наук, доц., t.kravchik@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (МАИ) (Национальный исследовательский университет)
ACCOUNTING INFLUENCE OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF SWIRL BURNERS
IN DESIGN
S.N. Vahneev, N.P. Korzhov, T.N.Kravchik
The article is devoted to experimental studies of gas-dynamic characteristics of the flow in the wake of the vortex burners, provides training homogeneous fuel-air mixture in the combustion chambers of air-breathing jet-motion motors and other burner. Shows picture of the flow of pro-coaxial oppositely swirled jets immediately after the cut in the burner zone inten-sive circulation flow, where fuel combustion occurs stabilization of the combustion process. Showing the conditions under which the assessment of possible US-combustion stability of a homogeneous mixture at the design stage of vortex-mouth other components.
Key words: combustion chamber, swirl burner, measurement, speed, pressure, temperature, experiment, anemometer
Vahneev Sergey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, vsn@mai.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (MAI) (National Research University),
Korzhov Nikolai Petrovich, candidate of technical sciences, docent, nikolpetr. knp@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (MAI) (National Research University),
Kravchik Tatiana Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, t.kravchik@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (MAI) (National Research University)
