Вихревые горелки

      Содержание  

1. Характеристики  закрученных потоков                                        3-8
2. Формирование закрученных течений                                      9-13
3. Топки, горелки и циклоны                                      14-19
4. Изменение структуры потока с увеличением закрутки                        20-22
5. Структура рециркуляционной зоны                           23-25
6. Вихревые горелки, прецессирующее вихревое ядро

    в  потоке с горением                                                                                     26-27 

7. Горение в закрученном потоке                                                                 28-31  
8. Проектирование вихревых горелок                                                          32-33
9. Список используемой литературы                                                                34

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАКРУЧЕННЫХ  ПОТОКОВ 

      Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие  течения хорошо известно и изучается  на протяжении многих лет. Когда эффект закрутки оказывается полезным, конструктор старается создать закрутку, наиболее подходящую для решения его задач; если же подобные эффекты нежелательны, конструктор предпринимает усилия для регулирования или устранения закрутки. Закрученные течения имеют широкий диапазон приложений. В случае отсутствия химических реакций сюда относятся, например, течения в вихревых реакторах, циклонных сепараторах и трубах Ранка - Хилша, при срыве вихревой пелены с крыльев самолета, в водоворотах и торнадо, в устройствах для распыления аэрозолей в сельском хозяйстве, в теплообменниках, струйных насосах, а также теория бумеранга и полета пчелы. В течениях с горением широко используется сильное благоприятное влияние закрутки инжектируемых воздуха и горючего на улучшение стабилизации высокоинтенсивных процессов горения и при организации эффективного чистого сгорания во многих практических устройствах: в бензиновых и дизельных двигателях, в газовых турбинах, промышленных печах, бойлерах и других технических нагревательных аппаратах. В последнее время усилия исследователей были направлены на понимание и описание аэродинамики закрученных течений с процессами горения газообразных, жидких и твердых топлив. Экономичное конструирование и экологичность работы технических устройств с горением могут быть значительно улучшены дополнительными экспериментами и модельными исследованиями. При этом экспериментальная и теоретическая аэродинамика течений с горением используется вместе со сложными методами вычислительной гидродинамики. Развитие и совершенствование этих методов позволят значительно снизить затраты времени и средств на программы развития новых устройств.

      Закрученные течения являются результатом сообщения  потоку спирального движения с помощью  закручивающих лопаток, при использовании  генераторов закрутки с осевым и  тангенциальным подводом или прямой закруткой путем тангенциальной подачи в камеру с формированием  окружной компоненты скорости  (называемой также тангенциальной или азимутальной компонентой скорости). Экспериментальные  исследования показывают, что закрутка оказывает крупномасштабное влияние на поле течения: на расширение струи, процессы подмешивания и затухания скорости в струе (в случае инертных струй), на размеры, форму и устойчивость пламени и интенсивность горения (в случае реагирующих потоков). На все эти характеристики влияет интенсивность закрутки потока. Интенсивность закрутки обычно характеризуется параметром закрутки, представляющим собой безразмерное отношение осевой компоненты потока момента количества движения к произведению осевой компоненты потока количества движения и эквивалентного радиуса сопла, т. е.

       (1.1),

      где величина

       (1.2)

      является  потоком момента количества движения в осевом направлении и учитывает  вклад х - q-компоненты турбулентного сдвигового напряжения; а величина

       (1.3)

      является  потоком количества движения в осевом направлении и учитывает вклад  турбулентного нормального напряжения и давления (осевая тяга), d/2—радиус сопла, и, v, ω - компоненты скорости в направлении осей х, r, q цилиндрической системы координат.

      В свободной струе, распространяющейся в затопленном пространстве, величины G_х и G_q постоянны, т. е. являются инвариантами для данной струи.

      Если  использовать уравнение для количества движения в радиальном направлении  и пренебречь слагаемыми , то вклад давления в G_x можно выразить через ω следующим образом:

       (1.4).

      Эту характеристику зачастую трудно измерить с хорошей точностью, поэтому  используются альтернативные упрощенные варианты. Иногда величину S рассчитывают без учета турбулентных напряжений, иногда пренебрегают вкладом давления. В этих случаях величины G_q и G_х при смещении вниз по потоку не сохраняются.

      Рассмотрим  сначала случай, когда поток закручен как целое на выходе из сопла, т.е.

       , .

      Иными словами, профиль осевой скорости и считается равномерным, а скорость закрутки ω возрастает от 0 (при r=0) до ω_m0 (при r=d/2, т.е. на стенке сопла). Если вклад давления в G_х сводится к учету слагаемого ω²/2, а турбулентными напряжениями пренебрегают, то это дает

       , ,

      где G_х=ω_m0/u_m0 - отношение максимальных скоростей в выходном сечении сопла. Таким образом, параметр закрутки S может быть представлен в виде

       (1.5),

      где связь S и G проиллюстрирована на рис.1.1, где также приведены экспериментальные значения измеренных независимо величин S и G. Соотношение S ~ G для вращения газа как целого правдоподобно описывает реальный случай истечения из генератора закрутки при G < 0,4 (S » 0,2). Однако при более интенсивности закрутки распределение осевой скорости значительно отклоняется от равномерного; большая часть потока выходит из отверстия вблизи внешней кромки; в качестве примера на рис.1.2 приведены распределения осевой, окружной и радиальной скоростей в кольцевом выходном сечении генератора закрутки с тангенциальным и осевым подводом, полученные экспериментально при нескольких значениях параметра закрутки. Указанная теоретическая зависимость 
 

      Рис.1.1. Соотношение между параметрами  S и G, характеризующими закрутку. 

       Рис. 1.2. Радиальные распределения осевой, окружной и радиальной скоростей  на выходе из закручивающего устройства со смешанной тангенциально-осевой подачей, демонстрирующие влияние  изменения степени закрутки :

      а — осевая скорость; б — окружная скорость; в — радиальная скорость. 

      S ~ G дает в этом случае заниженные значения S при заданных значениях G, так что фактически более реальным оказывается следующее соотношение между S и G:

       (1.6),

      также изображенное на рис. 1.1.

      Течение может быть охарактеризовано также  локальным параметром закрутки S_x, в котором используется толщина слоя смешения r_b, а не радиус сопла d/2. Кроме того, закрутка потока может выражаться непосредственно через угол установки лопаток закручивающего аппарата и геометрические параметры сопла, через тягу и вращающий момент закручивающего устройства, через угол расширения струи вниз по потоку от сопла и через другие параметры. Целесообразно связать угол установки лопаток закручивающего аппарата с создаваемым им значением параметра закрутки. В этой связи для сравнения следует заметить, что угол установки лопаток (φ и параметр закрутки S связаны приближенным соотношением

       (1.7),

      где d и d_h - соответственно диаметры сопла и втулки закручивающего аппарата. Это соотношение вытекает из предположения о распределении осевой скорости в кольцевом канале, соответствующем движению газа как целого, и допущению о малой толщине лопаток, имеющих постоянный угол φ по отношению к направлению основного потока и сообщающих потоку постоянную скорость закрутки. Действительно, интегрируя выражения (1.2), (1.3) по r от R_h=d_h/2 до R=d/2, получим

       , ,

      откуда  следует соотношение (1.7). В случае безвтулочного закручивающего аппарата (или для аппарата с очень малым отношением d_h/d) приведенное выше выражение упрощается следующим образом:

       (1.8),

      так что, например, углы установки лопаток 15°, 30°, 45°, 60°, 70° и 80° соответствуют  значениям S, равным примерно 0,2; 0,4; 0,7; 1,2; 2,0 и 4,0 соответственно. Здесь предполагается 100%-ная эффективность закручивающего аппарата, но в действительности она уменьшается при увеличении угла установки. На рис.1.3 приведен примерный вид зависимости угла выхода потока воздуха θ для закручивающего аппарата с плоскими лопатками от угла установки лопаток φ и отношения шага установки лопаток к длине хорды σ=s/c. Следует также отметить, что целесообразно использовать изогнутые лопатки в решетках закручивающих аппаратов, и по некоторым экспериментальным данным известно, что эффективный угол закрутки, сообщаемой потоку, определяется углом установки задней кромки.

                      

      Рис.1.3. Изменение угла выхода θ для закручивающего устройства с плоскими лопатками в зависимости от угла установки лопаток φ и отношения шага установки к хорде σ=s/c, полученное на основе данных для каскада плоских лопаток (а) и данных для каскада криволинейных лопаток (б). 

      На  рис.1.3 б, приведены соответствующие обозначения для угла выхода потока воздуха θ, зависящего от угла установки задней кромки лопатки φ (равного 180°-γ) и отношения шага установки лопаток к длине хорды σ. Здесь использованы следующие обозначения:

      θ - угол поворота потока,

      φ - конечный угол поворота лопаток,

      δ - угол отставания, равный φ-θ,

      γ - угол хорды лопатки, равный 180°-φ,

      R - радиус кривизны,

      с - длина хорды лопатки,

      s - расстояние между лопатками (шаг установки лопаток),

      и связь между этими параметрами  выражается приближенным соотношением Картера

      

      где M_с - функция угла хорды лопатки, которую можно аппроксимировать выражением

      Мс=0,002γ+0,21.

      И, наконец, в случае закручивающего устройства с адаптивным блоком параметр закрутки определяется следующим выражением:

       ,  (1.9)

      где σ=ω₁/υ₁ для радиально подводимого потока, R и R_h - внешний и внутренний радиусы устройства, В - длина устройства.

      Изучение  камер сгорания различных размеров при использовании входных сопел одинакового размера с одинаковым углом установки лопаток φ показало, что размер и форма центральной тороидальной рециркуляционной зоны (ЦТРЗ) зависят от диаметра камеры сгорания. Для описания реализующихся в этом случае типов течений удобно использовать модифицированный параметр закрутки

       (1.10),

      в котором диаметр сопла заменяется диаметром камеры сгорания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННЫХ  ТЕЧЕНИЙ 

      Закрутка  потоков создается тремя основными методами:

• использованием тангенциального подвода (генератор закрутки с осевым и тангенциальным подводом);
• применением направляющих лопаток (закручивающее устройство);
• непосредственным вращением (вращающаяся труба).

      На  рис.1.4 показано закручивающее устройство (с осевым и тангенциальным подводом), широко используемое для создания однородных устойчивых струй для подробных экспериментальных исследований. Количество подаваемого воздуха может регулироваться и измеряться отдельно, так что простым изменением расходов воздушных потоков можно изменять степень закрутки от нулевой до очень высокой, приводящей к образованию сильно закрученных струй с обратными токами. Для таких систем требуется относительно высокий уровень полного давления, и в промышленных горелках часто используются системы с направляющими лопатками, в которых лопатки расположены таким образом, что они изменяют направление потока.