WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

Известно, чтомаксимальная степень смешения природногогаза с потоком воздухазависит от соотношения энергий этихпотоков, причем необходимо обеспечитьмаксимально возможную величинукинетической энергии одного из них; проще всего это осуществить для газового потока.Энергия газового потокаявляется функцией скорости. Наиболеесущественное увеличение энергииобеспечивается за счет достижениясверхкритических скоростей газовогопотока. Основным средством получениясверхкритических скоростей являются соплаЛаваля. Сверхкритические скоростиистечения газового потока можно такжеполучить с помощью сопла, образованногоконической обечайкой и телом Коанда.Разработанные на базе тела Коандагорелочные устройства типа ГГТ (горелкагазовая турбулентная) хорошо себязарекомендовали во вращающихся печахизвестняково-доломитового производстваОАО «ММК», принеся многомиллионный годовойэффект.

Конструкция головкинового горелочного устройства (см. рис. 5),предложенная автором данной работы,подобна соплу с центральным теломТРД,предназначенного для создания тяги.Отличие предлагаемой конструкции горелки с центральнымтелом от классическоговарианта сопла заключается в том, что вместопрофилированных поверхностейобечайки и центрального тела берутсяпростые в изготовленииконические поверхности,причем конфузор отсутствует. Главноеназначение сопла ТРД – создатьоднородный тяговый поток газа на выходе, асопла горелочного устройства ГЦТ – создать структуру потока, наиболеетурбулизированного и обладающего эжектирующимисвойствами. Конструкция сопла,предложенного автором, обеспечиваетсверхзвуковую скорость истечения потокаприродного газа с небольшим числом Маха (М =1,2 – 1,5), иего можно классифицироватькак кольцевое сопло с нулевым наклономминимального сечения с двойным расширением.

Согласно теорииодномерных газовых течений сверхзвуковое истечение из сопла,возникновение сопутствующих волн Маха и ударной адиабаты (т. е.образование скачка уплотнения) возможны лишь в случае натеканияна выходныеэлементыголовки горелочного устройства потока соскоростью звука, т. е. с приведеннойскоростью1 = 1.

Толщина скачкауплотнения всегда очень мала, поэтомуформулы для расчетаплоскопараллельного(одномерного) косого скачкаприменимы и к осесимметричному скачку. Процесспреобразования давления в скорость всверхзвуковом и звуковом потокахпротекают без существенных потерь,т. е.примерно припостоянной энтропии и, следовательно,очень близок к идеальной адиабате. Поэтомуформулы длярасчета идеального сверхзвукового соплаприменимы для реальных сопел.

Размер кольцевогозазора сопла h приданной величине радиусакольцевогоотверстия r0в зависимости от числаМ0 можно определить согласно уравнению совместностипо следующей зависимости:

, (4)

где -табулированная газодинамическаяфункция.

Для одномерноготечения существует соотношение,связывающее изменение скорости вдоль трубыпостоянного сечения с работой трения.Полагая коэффициент трения постояннойвеличиной (=const), зависимостьприведенной скорости от длины трубы можнопредставить в виде:

, (5)

где 1– значениеприведенной скорости в начале трубы приx=0;

2– значениеприведенной скорости в произвольномсечении трубы на расстоянии x=x2 отначала; – коэффициент трения;

– приведенная длинатрубы.

Основываясь на теорииодномерных газовыхтечений, можноопределить приведенную скорость потока:

,(6)

где – скоростьпотока;

– значениекритической скорости;

– угол,характеризующий направление истеченияпотока;

k – показательадиабаты.

Воспользовавшисьстандартными газодинамическимифункциями приведенной скорости, можнорассчитать все остальныепараметры газового потока:

,(7)

,(8)

,(9)

,(10)

где Р, и Т – давление,плотность и температура на входе;

Р*, р*, Т* – полное давление,плотность и температура торможения;

– число Маха.

Зная эти величины,можно определить длину горелки, исходя изследующих соображений: во-первых,необходимо обеспечить максимально возможный расход газа,во-вторых, необходимо обеспечитькритическую скорость истечения потока навыходе горелочного устройства.

Сжигание природногогаза в разработанных автором горелочныхустройствах на базе сопла с центральнымтелом (ГЦТ) сопровождается разнообразнымифизическими процессами. На выходе трубыгорелки происходит формирование потокагаза с критической скоростью. При этом вспециальной конструкции головки соплаобразуются чередующиеся волны сжатия иразрежения. Это обеспечивает совершенноеперемешивание вдуваемого газа со спутнымпотоком воздуха для горения, за счет чегодостигается минимальная величинакоэффициента расхода воздуха 1,02 – 1,03, в общем-то,характерная для горелочных устройств спредварительным смешением. Но высокаяскорость истечения газового потока, и, какследствие, горючей смеси, может сдвинутьгорение факела на очень большое расстояниеот горелочного устройства, чтонежелательно в большинстве случаевэксплуатации печей. Поэтому, в горелкахтипа ГЦТ реализуется не только нормальноегорение, при котором скорость нагревасмеси за счет теплопроводности не можетпревышать (по данным Я.Б. Зельдовича) 10 м/с,но и частично детонационное горение,ускоряющее подготовку смеси к горению. Врезультате факел начинается практическисразу за срезом сопла, что для существующихгорелок, по мнению А. Михайлова-Вагнера,является недостижимым.

Наилучшим значениемугла конусности центрального тела 1(см. рис. 5),является величина, приводящая к наиболеевысокой скорости истечения при данном значениидавления на входе в трубу горелки. Темсамым обеспечивается наилучшее смешениевытекающего газового потока со спутнымпотоком воздуха. Наилучшаявеличина угла конусности центрального тела1, равная углу наклона обечайки1, может быть найдена либо методом характеристик,либо спомощьюматематического моделирования сиспользованием пакета прикладных программ Б.Сполдинга «PHOENICS».

Расчет теченийметодом характеристик производится дляслучаев обтекания тупых углов с определениемотражений скачков от твердой стенки, от свободной границы струи, а такжевзаимодействия скачков уплотнения и волнразряжений. При встречетрансзвуковой струи с любым препятствием,тормозящим ее протекание, возникаетскачок уплотнения или ударная волна.Возникновение ударной волны (адиабаты), атакже параметры истекающего из соплагазового потока можно определить, рассмотревслучай пересечения двух косых скачковуплотнения, образованных в результатеповорота двух противоположных стенок канала наразные углы 1 и 2(рис. 8).

Параметры течения закосыми скачками АВ и А1В определяются поизвестнымпараметрам до скачков приведеннойскорости 1: давлению Р1, температуреТ1 и углам 1 и 2, если эти углы меньшесоответствующего максимального значения mахдля данного вектора скорости 1.

Рис.8. Схеманормального пересечения двух косыхскачков в головке горелки ГЦТ (rшт,rтр, rц.т., rс– радиусыштока, трубы горелки, максимальногорадиуса центрального тела и сопла,соответственно)

Параметры на выходе изсопла находятся, исходя из граничныхусловий для линии тока, проходящей черезточку В, принимая, что направленияскоростей идавленияодинаковы. Задаваясь значением давления навыходе из сопла, определенном приматематическом моделировании Р2=0,3 МПа, находимуглы наклона отраженных скачков АВ иА1В поформулам:

, (11)

,(12)

где – уголскачка; M1– скоростьперед головкой горелки.

Если во всех точках навыходе из сопла давления одинаковы, тоскорости, температуры и плотности заскачками ВС и ВС1будут различными. Вдоль линии тока,проходящей через точку В, образуетсятангенциальный разрыв скоростей в результатечего в вязком газе возникает вихрь. Этотвихрь в свою очередь способствует лучшемуперемешиванию топлива и воздуха.Результирующий угол отклонения потока всечении СС1можно найтипри помощи диаграммы косых скачков.

Как отмечалось выше,формулы для расчетаидеального сверхзвукового сопла применимыдля реальных сопел. Решение задачи об обтекании внешнеготупого угла (угла конусности центральноготела) сверхзвуковым потоком газа сводится копределениюприведенной скорости потока после егообтекания по выражению(6). Зная приведеннуюскорость, можно определить остальныепараметрыгаза по уравнениям (7 – 10).

При обтеканииконической поверхности центрального телатонким слоем вязкого газа образуетсяпограничный слой. Прибольшой интенсивности падающего скачкауплотнения возникает отрыв пограничногослоя и возникает вихревая зона. Вниз попотоку от точки отрыва начинаетсяперемешивание оторвавшихся струек газа с воздухом инарастание нового пограничного слоя настенке. Поскольку толщина газового потокасоизмерима с толщиной пограничного слоя, возможенразрыв и самого газового потока, чтоприводит к дальнейшему улучшениюперемешивания.

Примерныераспределения давления и скоростейгазовых потоков по длине горелочногоустройства и зоны горения представлены нарис. 9. Предельная длина горелки (зона I нарис. 9) обеспечивает при заданной скоростигаза на входе в горелочное устройствокритическое значение приведенной скоростина выходе. Головка горелки (зона II)обеспечивает создание скачка уплотненияво внутренней зоне, приводящего квозникновению детонационной волны исозданию чередующихся зон разрежения исжатия на конической поверхностиусеченного центрального тела. Поскольку толщина скачка всегдаочень мала, формулы для расчетаплоскопараллельного косого скачкаприменимы и к осесимметричному скачку.Продвижение детонационнойволны вниз по потоку ускоряет подготовкусмеси к горению и, тем самым, сдвигаетначало горения к срезу сопла.

Скоростьраспространения ударной адиабаты aaвдоль оси горелки представляет собойпроизведение скорости движения ударнойадиабатыa на косинус угла скачка :

.(13)

Приведенная скоростьударной адиабаты за косым скачкомуплотнения:

. (14)

Рис. 9. Схемараспределения давления и скоростейгазовых потоков по длине горелочногоустройства и зоны горения (lтр.– длинатрубы)

При внешнем обтеканииза кормовой областью усеченного центрального тела образуется отрывная зона,давление в которой будет меньше давленияокружающейсреды. Это, в свою очередь, также улучшаетсмешение топлива с воздухом. Зона смешенияприродного газа с воздухом (зона III) обеспечиваетдостижениенижнего предела концентрации топлива,необходимого для начала процесса горения. Еедлина составляет приблизительно 3-4 калибра(под калибром понимается средний диаметр проходногосечения сопла), что подтвержденонатурнымииспытаниями,которые проводились на горелке типа ГЦТ.Зоны IV иVсоответствуют детонационному и нормальномугорению, а VIзона –движению продуктов сгорания.

Следует подчеркнуть,что основные результаты, полученные дляплоских случаев истечения газового потока,применимы и для описания истечения потокаиз кольцевого зазора сопла, причем погрешность такогоприменения будет тем меньше, чем меньшебудет относительная ширина зазора, т.е.отношения величины зазора к среднему радиусузазора.

Рациональное горениевысокоскоростных потоков газовоздушнойсмеси невозможно обеспечить только за счетмеханизма нормального горения, т. е.за счет нагрева смеси теплопроводностью.Необходим другой, детонационный механизмподготовки смеси к горению. По современнымпредставлениям в механизме горения детонационная волна,распространяющаяся в горючей газовой среде,является двухслойной. Первый слой (зонаIV) представляет собойадиабатическую ударную волну, припрохождении через которую газ сильноразогревается. В химически активном газеэтот разогрев, если он достаточноинтенсивен, может вызвать воспламенение. Всвязи с тем, что толщина ударной волны мала (порядкадлины свободного пробега молекулы), впределах ее процессгорения развиться не всостоянии. Поэтому область, в которойпротекаетгорение, образует второй, болеепротяженный слой (зона V), непосредственно примыкающий к ударной волне(рис. 9).Разогрев газа при прохождении его черезударнуюволну в детонационномгорении заменяет собой, в сущности,подогрев его теплопроводностью принормальном горении.

Изменение температурыгаза в скачке уплотнения (в зоне IV):

.(15)

Поскольку началодетонационной зоны определяется верхним пределомконцентрации топлива, необходимого дляначала процесса горения, аскорость смеси 4определяется через уравнение энергии:

,(16)

где – плотностиприродного газа, воздуха и смеси,соответственно;

– скорости газа ивоздуха перед зоной смешения;

– скорость горючейсмеси перед зоной детонационногогорения.

Для расчета состояниягаза в области горения (в зоне V) используетсясоотношениемежду температурой торможения иприведенной скоростью. Тогда для рассматриваемогослучая горения с использованием сопла с центральнымтелом скорость продуктов сгоранияопределяется по формуле:

. (17)

При расчетах необходимоучесть, что профиль сопла уже определен порезультатам математическогомоделирования.

Следует отметить, чтонедостатки применения сопел с центральнымтелом в турбореактивных двигателях(например: взаимодействие волн разряженияи сжатия, отрыв пограничного слоя ссозданием зон разрежения, образование зонразрежения за кормовой частьюукороченного центрального тела,завихренности газового потока и т. д.)становятся достоинствами прииспользовании сопла в качествегорелочного устройства.

Испытания горелки напромышленных газоиспользующих установках– обжиговыхвращающихся печах (что допускаетсяМежгосударственным стандартом ГОСТ-29134-97«Горелки газовые промышленные. Методыиспытаний») –подтвердили высокие характеристикигорелки, такие как зависимость расходагаза от давления газа перед горелкой,зависимость расхода воздуха от давлениявоздуха перед горелкой и зависимостьдавления воздуха от давления газа передгорелкой. Это свидетельствует о широкихпределах регулирования, высокойустойчивости горения и эффективностиразработанных горелочных устройств.Коэффициент расхода воздуха достигалрасхода воздуха, характерный для горелок спредварительным смешением, что вразработанной горелке обеспечиваетсяхорошим смешением газового потока из соплагорелки со спутным потоком воздуха. Приэксплуатации горелки с центральным теломсрыв пламени не наблюдался.

Таким образом,разработанная теория горелочногоустройства с центральным телом позволяетобъяснить природу основных достоинстввысокоскоростных горелок типа ГЦТ:

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»