РАЗДЕЛ 2
АНАЛИЗ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ В НИЗКОЭМИСИОННЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГТУ
Нарушение устойчивой работы газотурбинных установок - одна из проблем при их эксплуатации. Наряду с такими формами неустойчивости как помпаж, вращающийся срыв, флаттер в последние годы все чаще проявляется вибрационное горение топлива в камерах сгорания. Причем, если вибрационное горение в форсажных камерах - достаточно известное явление, то в основных камерах сгорание оно мало изучено [1,10,87]. Эта проблема усугубилась в связи с созданием низкоэмиссионных камер, в зоне горения которых стехиометрические условия заменены на "бедные" по топливовоздушным смесям [64,40].
При вибрационном горении повышаются тепловые и вибрационные нагрузки на элементы конструкции, нарушается устойчивость горения с возможным срывом и погасанием пламени, возбуждаются колебания потока рабочего тела в примыкающих к камерам сгорания устройствам - компрессоре, турбине, сверхзвуковом воздухозаборнике прямоточного двигателя, межрубашечном пространстве камеры сгорания ракетного двигателя и т.п. Несмотря на то, что исследованию вибрационного горения посвящено большое количество исследований [9,11,13,26,28,31,60-65], многие процессы, связанные с данной формой термической неустойчивости, требуют изучения. Сложность проблемы заключается в одновременном протекании при горении различных по природе процессов: физико-химических превращений, гидродинамических нестационарных вихревых течений, акустических залповых явлений и др. В связи с этим, при эксплуатации ГТУ наблюдаются несколько видов вибрационного горения, которые разделяют в основном по частотному спектру и объясняют различными причинами, порождающими тот или иной вид неустойчивости.
При низкочастотных колебаниях ухудшается полнота сгорания топлива вследствие его избытка в полупериод пониженного давления и когда топливо не успевает сгореть, при высокочастотных колебаниях полнота сгорания может повыситься за счет улучшения смешения и испарения топлива.
Однако на сегодня не существует единого мнения по формированию механизмов обратной связи, требует детализации механизм "запаздывания" в моделях вибрационного горения.
2.1. Схема возникновения вибрационного горения
Горение обычного топлива - это быстрая реакция окисления, в ходе которой его химическая энергия превращается в основном в тепловую, а само топливо - главным образом в газообразные продукты [26,28,88]. Сущность окисления заключается в переходе валентных (внешних) электронов от атомов горючего элемента к атомам элемента-окислителя. Реакции окисления - цепные. Они состоят из ряда повторяющихся звеньев, в ходе которых образуются активные частицы - свободные атомы и радикалы. Ничтожно малого количества активных промежуточных продуктов достаточно для непрерывного протекания цепного превращения, в которое звено за звеном втягивается большая масса исходных веществ. Чтобы окисление происходило в форме горения, должны существовать условия для быстрого перемещения активных частиц и разветвления цепных реакций [10,30,34].
Как известно, вибрационное горение - это вид неустойчивого горения, характеризуемый низкочастотными (с частотой 5...50 Гц) и высокочастотными (с частотой 400...600 Гц) автоколебаниями давления газа в КС [9,10,82]. Причина - чувствительность смесеобразования и горения к колебаниям давления газа в камере.
Система вибрационного горения является типичной автоколебательной системой, которая состоит из источника энергии (энергии топлива), собственной колебательной системы (камеры сгорания), прямой и обратной связи. Примером такой системы горения является вибрационное распространение пламени по газовой смеси в узких трубах [9,62,63,68]. Взаимосвязанная цепочка колебательных параметров представлена на рис 2.1.
Рис.2.1. Схема возникновения вибрационного горения:
- изменения скорости газа;
- изменения площади пламени;
- изменения теплоподвода;
?? - сдвиг фаз между изменением теплоподвода и изменением давления;
- изменения давления газа
На рис.2.1. обозначены фазовые соотношения между звеньями представленной взаимосвязанной цепочки. Обратная связь (ОС) является откликом возмущения площади пламени на возмущение скорости продуктов сгорания.
В основе прямой связи процессов, происходящих в КС, лежит критерий Рэлея, согласно которому усиление колебаний топливо-воздушной смеси и продуктов сгорания тем больше, чем меньше сдвиг фаз между и [64]. При этом он не должен превышать . В целом усиление колебаний зависит как от фазовых, так и амплитудных соотношений между и , а также от акустических потерь в резонаторе, которым является КС.
Основные механизмы возбуждения и поддержания термоакустических колебаний до конца не известны. Однако следует отметить, что механизмы неустойчивости, обусловленные феноменологическими запаздываниями процессов: горения, теплоотдачи при высоких температурных градиентах и объемной тепломассообменной релаксацией, незначительно увеличивают амплитуду колебаний, а также незначительно сдвигают границу области устойчивости горения.
2.2. Анализ условий возникновения вибрационного горения в низкоэмиссионных камерах сгорания
Анализ известных экспериментальных исследований [12,19,23] позволяет выделить следующие особенности возникновения вибрационного горения в низкоэмиссионных камерах сгорания ГТУ:
- основной причиной возникновения вибрационного горения в низкоэмиссионных камерах сгорания ГТУ является существенное увеличение времени протекания реакции горения при обеднении топливо-воздушной смеси;
- основным механизмом возникновения автоколебательного процесса является влияние пульсаций давления газа в камере сгорания на расход топлива через форсунки;
- основным условием возникновения автоколебаний является равенство времени запаздывания между колебаниями расхода топливного газа через форсунки половине периода резонансных колебаний давления в камере сгорания.
Однако перечисленные особенности нельзя