Вихревые горелки

Рефераты по теплотехнике » 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 22

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.

(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 Gх и Gq постоянны т. е. являются инвариантами для данной струи.

Если использовать уравнение для количества движения в радиальном направлении и пренебречь слагаемыми то вклад давления в Gx 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 Gq и Gх 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 ωm 0 (при r=d/2 т.е. на стенке сопла). Если вклад давле­ния в Gх сводится к учету слагаемого ω2 /2 а турбулентными напряжениями пренебрегают то это дает

где Gхm 0 /um0 - 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 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 (φ и параметр закрутки S связаны приближенным соотношением

(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 φ 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

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:

(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 Mс - 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=ω11 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 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.

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 φ 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 Ω. 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 ω=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

т.е. отлична от нуля лишь x-компонента вектора ω. Во вра­щающихся течениях с распределением окружной скорости

ω=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

ω==c'r (1.12)

и называются вынужденными вихрями. Ясно что вектор ω 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 = 2πrω где ω не зависит от θ. Другим параметром является угловая скорость относительно центральной оси Ω = ω/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

Параметры Вынужденный вихрь (вращение среды как целого) Свободный (потенциальный) вихрь Составной вихрь (вихрь Рэнкина)
Окружная ско­рость ω ω=с’r ω=C/r
Угловая скорость Ω С’=const C/r2 (функция радиуса) Функция радиуса
Циркуляция Г 2πΩr2 2πC
Завихренность ω 4πΩ=const 0

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 ν называемый коэффициентом потока кинетической энергии кольцевого закрученного течения. Его значение зависит от типасозданного вихря внешнего и внутреннего диаметров трубы.

Рис.1.5. Коэффициент потока кинетической энергии ν в кольцевом закрученном течении в случае уравнения вихря ω = constrn .

Рис. 1.6. Эффективность закрутки ε 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 ν для различ­ных типов вихрей с ω = 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 ν 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 ε для различных значений параметра закрутки S и раз­личных типов закручивающих устройств.

Страницы: 1 2 3