Вихревые горелки

Содержание :

1. Характеристики закрученных потоков 3

2. Формирование закрученных течений 7

3. Топки, горелки и циклоны 11

4. Характерные особенности закрученных потоков 15

5. Изменение структуры потока с увеличением закрутки 18

6. Структура рециркуляционной зоны 20

7. Вихревые горелки, прецессирующее вихревое ядро

в потоке с горением

8. Горение в закрученном потоке 25

9. Пределы срыва и устойчивость пламени 28

10. Проектирование вихревых горелок 29

11. Список использованной литературы 31

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.

[pic] (1.1),

где величина

[pic] (1.2)

является потоком момента количества движения в осевом направлении и

учитывает вклад х - (-компоненты турбулентного сдвигового напряжения; а

величина

[pic](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, ? - компоненты скорости в направлении осей х, r, (

цилиндрической системы координат.

В свободной струе, распространяющейся в затопленном пространстве,

величины Gх и G( постоянны, т. е. являются инвариантами для данной струи.

Если использовать уравнение для количества движения в радиальном

направлении и пренебречь слагаемыми [pic], то вклад давления в Gx можно

выразить через ? следующим образом:

[pic] (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( и Gх при смещении вниз по потоку не

сохраняются.

Рассмотрим сначала случай, когда поток закручен как целое на выходе из

сопла, т.е.

[pic], [pic].

Иными словами, профиль осевой скорости и считается равномерным, а

скорость закрутки ? возрастает от 0 (при r=0) до ?m0 (при r=d/2, т.е. на

стенке сопла). Если вклад давления в Gх сводится к учету слагаемого ?2/2, а

турбулентными напряжениями пренебрегают, то это дает

[pic], [pic],

где Gх=?m0/um0 - отношение максимальных скоростей в выходном сечении

сопла. Таким образом, параметр закрутки S может быть представлен в виде

[pic] (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.

[pic]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 [pic]:

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:

[pic] (1.6),

также изображенное на рис. 1.1.

Течение может быть охарактеризовано также локальным параметром

закрутки Sx, в котором используется толщина слоя смешения rb, 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 (? и параметр

закрутки S связаны приближенным соотношением

[pic] (1.7),

где d и dh - 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 ? по отношению к

направлению основного потока и сообщающих потоку постоянную скорость

закрутки. Действительно, интегрируя выражения (1.2), (1.3) по r от Rh=dh/2

до R=d/2, получим

[pic], [pic],

откуда следует соотношение (1.7). В случае безвтулочного

закручивающего аппарата (или для аппарата с очень малым отношением dh/d)

приведенное выше выражение упрощается следующим образом:

[pic] (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 ? для закручивающего аппарата с плоскими

лопатками от угла установки лопаток ? и отношения шага установки лопаток к

длине хорды ?=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.

[pic] [pic]

Рис.1.3. Изменение угла выхода ? для закручивающего устройства с

плоскими лопатками в зависимости от угла установки лопаток ? и отношения

шага установки к хорде ?=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 ?, зависящего от угла установки задней кромки лопатки ?

(равного 180°-?) и отношения шага установки лопаток к длине хорды ?. Здесь

использованы следующие обозначения:

? - угол поворота потока,

? - конечный угол поворота лопаток,

? - угол отставания, равный ?-?,

? - угол хорды лопатки, равный 180°-?,

R - радиус кривизны,

с - длина хорды лопатки,

s - расстояние между лопатками (шаг установки лопаток),

и связь между этими параметрами выражается приближенным соотношением

Картера

[pic]

где Mс - функция угла хорды лопатки, которую можно аппроксимировать

выражением

Мс=0,002?+0,21.

И, наконец, в случае закручивающего устройства с адаптивным блоком

параметр закрутки определяется следующим выражением:

[pic], (1.9)

где ?=?1/v1 для радиально подводимого потока, R и Rh - внешний и

внутренний радиусы устройства, В - длина устройства.

Изучение камер сгорания различных размеров при использовании входных

сопел одинакового размера с одинаковым углом установки лопаток ? 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

[pic] (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.

[pic]

Рис.1.4 Закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом.

При радиальном подводе воздуха к закручивающему устройству радиальные

и тангенциальные углы лопаток могут быть изменены на месте при реализации

закручивающего устройства с адаптивным блоком, что в конечном итоге

аналогично использованию тангенциального подвода. Система с адаптивным

блоком эффективна в том случае, когда необходимо создать определенный

уровень закрутки при относительно низком перепаде давления, поскольку при

этом можно получить высокую интенсивность закрутки. В случае осевого

течения в трубе закручивающее устройство или закручивающий лопаточный

аппарат состоит из фиксированных лопаток с углом установки ? относительно

направления основного потока. Эти лопатки отклоняют поток и придают ему

вращательное движение. Такой метод используется в топках и газотурбинных

камерах сгорания. Обычно лопатки устанавливаются на центральной втулке и

располагаются в кольцевой области вокруг нее. С целью улучшения условий на

выходе делались попытки использовать закручивающие устройства без втулок,

однако срыв потока на лопатках обусловливает сложную картину течения и

приводит к нарушению осевой симметрии. Закрутка может быть также создана

непосредственным вращением потока. Так, в одном из экспериментов

использовался цилиндр, вращающийся с частотой 9500 об/мин и создающий

закрутку силами трения на стенке цилиндра, действующими на проходящий через

него поток. Вследствие относительно низкой вязкости воздуха таким методом

можно создать лишь небольшую закрутку. Силы трения могут быть значительно

увеличены установкой во вращающую трубу перфорированных пластин, пучков

труб или пористых дисков. На выходе из таких систем получаются профили

скорости, соответствующие закрутке газа как целого, аналогично случаю

увлечения частиц жидкости диском, вращающимся с постоянной угловой

скоростью ?. В вязкой жидкости вращающиеся течения (т.е. вихри) всегда

содержат центральное ядро с вращением жидкости как целого (или вынужденный

вихрь). Вне центральной области могут преобладать условия свободного (или

потенциального) вихря, что наблюдается при образовании в атмосфере смерчей,

пылевых бурь, торнадо, ураганов и циклонов. Огневые смерчи, возникающие при

лесных и городских пожарах, могут быть смоделированы в лабораторных

условиях вращением большого цилиндрического экрана из проволочной сетки над

разлитым жидким горючим или над газовым факелом, когда пламя располагается

по центральной вертикальной оси цилиндра.

Для классификации и оценки этих типов течений целесообразно

рассмотреть движение жидкости в цилиндрических координатах. Предполагаются

осевая симметрия и равенство нулю радиальной и осевой скоростей (u=v=0).

Тогда единственной ненулевой компонентой скорости оказывается окружная,

зависящая только от радиуса ?=f(r). Завихренность со определяется как ротор

вектора скорости. В простом случае вращающейся жидкости, когда u=v=0 и

скорость закрутки зависит только от радиуса г, завихренность равна

[pic],

т.е. отлична от нуля лишь x-компонента вектора ?. Во вращающихся

течениях с распределением окружной скорости

?=c/r (1.11)

завихренность равна нулю (со==0). Такие течения являются

потенциальными (безвихревыми) и называются потенциальными или свободными

вихрями.

Течения с вращением жидкости как целого имеют распределение скорости

?==c'r (1.12)

и называются вынужденными вихрями. Ясно, что вектор ? в них отличен от

нуля и такие течения называются завихренными.

В любом случае циркуляция Г вдоль одной из концентрических траекторий

вращательного движения определяется выражением Г = 2?r?, где ? не зависит

от ?. Другим параметром является угловая скорость относительно центральной

оси ? = ?/r. Общие характеристики вихрей приведены в табл.1.1.

Все три типа вихрей в реальных жидкостях имеют центральное вихревое

ядро с ненулевой завихренностью. Окружная скорость равна нулю на оси

симметрии. Свободные и вынужденные вихри можно различить по радиальному

положению максимума окружной скорости; т. е. в свободном вихре максимум

расположен вблизи оси симметрии, в то время как в вынужденном вихре

максимум находится на внешней границе вихря. Все величины для составного

вихря Рэнкина (или свободно-вынужденного вихря) определяются выражениями

для вынужденного вихря при малых r и выражениями для свободного вихря при

больших r.

Таблица 7.7.

Общие характеристики вихрей

|Окружная |?=с’r |?=C/r |[pic] |

|Циркуляция|2??r2 |2?C |[pic] |

|Г | | | |

|Завихренно|4??=const |0 |[pic] |

|сть ? | | | |

При выборе закручивающего устройства решающим фактором является его

эффективность, поскольку лишь часть падения давления на горелке переходит в

кинетическую энергию получающегося закрученного струйного течения,

остальная часть механической энергии теряется. Можно ввести параметр ?,

называемый коэффициентом потока кинетической энергии кольцевого

закрученного течения. Его значение зависит от типа созданного вихря,

внешнего и внутреннего диаметров трубы.

[pic]

Рис.1.5. Коэффициент потока кинетической энергии ? в кольцевом

закрученном течении в случае уравнения вихря ? = const rn.

[pic]

Рис. 1.6. Эффективность закрутки ? в зависимости от параметра закрутки

S для различных закручивающих устройств:

1 - закручивающее устройство с адаптивным блоком (R = 80 мм); 2 -

закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом; 3 -

закручивающее устройство с направляющими лопатками (R = 62 мм).

И от распределения окружной и осевой скоростей, которые могут не

соответствовать вращению газа как целого. Значения ? для различных типов

вихрей с ? = Сгn приведены на рис. 1.5. Можно видеть, что для любого

заданного значения параметра закрутки вихрь при движении газа как целого

(n=1) представляет собой случай минимума кинетической энергии, а свободный

вихрь (n=-1) дает максимум кинетической энергии. Вихри с постоянной

окружной скоростью (n=0) представляет собой промежуточный случай между

вихрем с распределением скорости, соответствующим движению газа как

целого, и свободным вихрем, и в случае, когда момент количества движения в

значительной степени сконцентрирован во внешней части потока (n=3),

получаются значения ?, лишь незначительно превышающие значения,

соответствующие движению газа как целого.

Эффективность закрутки в при заданной интенсивности закрутки

представляет собой отношение кинетической энергии закрученного потока,

протекающего через горло горелки, к падению статического давления между

входным сечением и горлом. На рис.1.6 представлены экспериментальные

значения ? для различных значений параметра закрутки S и различных типов

закручивающих устройств.

1. Закручивающее устройство с осевой и тангенциальной подачей наиболее

эффективно при малых интенсивностях закрутки, но малоэффективно при больших

интенсивностях закрутки. Например, при S=1 его эффективность ?=40%. Столь

низкая эффективность связана главным образом с большой площадью внутренней

Страницы: 1, 2

МЕНЮ

Вихревые горелки

Вихревые горелки

ИНТЕРЕСНОЕ