книги / Неустойчивость горения

ных режимов, а уровень температуры окислительного газа обес­ печивает режим индукционного горения. Пример подобной си­ туации приведен на рис. 8.4, б. Из рисунка следует, что в камере сгорания в зависимости от температурного режима зоны рецир­ куляции устанавливается режим индукционного горения (ре­ жим I) или горения, скорость которого лимитируется процессом испарения капель (режим II). Конкретная реализация одного из двух типов горения зависит от предыстории процесса, напри­ мер от особенностей запуска, в процессе которого зона рецирку­ ляции может остаться «холодной» или, вспыхнув, перейти на верхний температурный режим. В обоих случаях полнота сгора­ ния при достаточно большой длине камеры сгорания практиче­ ски одинакова *.

Обычно о идентичности режимов работы камеры сгорания судят по ограниченному числу параметров: по расходам посту­ пающих в нее компонентов, давлению и полноте сгорания. Из факта существования двух режимов горения следует, что в об­ ласти гистерезиса совпадение этих параметров при различных реализациях стационарного режима камеры сгорания не гаран­ тирует идентичность процесса. В зависимости от того, каким способом был достигнут стационарный режим, горение в камере сгорания может происходить по одному из двух описанных ме­ ханизмов.

В задачах вибрационного горения существование двух режи­ мов горения может иметь принципиальное значение, в связи с тем, что различным типам горения отвечают различные условия устойчивости как по мягкому, так и по жесткому возбуждению. Если об идентичности условий работы камеры сгорания на ста­ ционарном режиме судить по обычному комплексу режимных параметров, то неоднозначная зависимость от них устойчивости системы может привести к кажущейся невоспроизводимое™ процесса возникновения колебаний. Действительно, одна и та же камера сгорания в процессе одного испытания может оказаться устойчивой, а при другом испытании неустойчивой, несмотря на то, что расход компонентов, давление и другие обычно измеряе­ мые параметры в обоих случаях имели одинаковые значения (различными были, однако, режимы работы, предшествовавшие рассматриваемому).

Аналогичная ситуация, при которой динамическое состояние системы из-за гистерезиса зависело от предыстории процесса, ранее уже рассматривалась в разд. 5. Описанная там неодно­ значность, так же как и здесь, вызвана нелинейностью. В обоих случаях наличие зон гистерезиса может привести к кажущейся невоспроизводимости результатов экспериментальных исследо­ ваний условий возникновения неустойчивости горения.

* Рассматриваемая модель описывает процессы на начальном участке, со­ ставляющем небольшую часть общей длины камеры сгорания. Поэтому вли­ яние изменения длины начального участка на полноту сгорания несущественно.

241

Рис. 8.5. Схема экспериментальной камеры сгорания [23]

8.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Для проверки качественных закономерностей, прогнозируе­ мых теорией, была создана экспериментальная камера сгорания по схеме, представленной на рис. 8.5. Камера сгорания пред­ ставляет собой трубу 1 диаметром 150 и длиной 600 мм. Она заканчивается соплом с критическим диаметром 90 мм, через которое осуществлялось сверхкритическое истечение продуктов горения. Форсуночная головка 2 пилонного типа отличалась от описанной в разд. 7.1 отсутствием разгонного диска. Помимо этого, конструкция головки позволяла проводить эксперименты с двумя основными вариантами системы смесеобразования: без обратных токов (вариант I) и с ними (вариант II). В последнем случае непосредственно за пилонами устанавливалась сменная турбулизирующая решетка, от размеров и конфигурации трубок которой зависели размеры зоны рециркуляции.

В качестве окислительного газа использовали воздух, в ко­ тором для получения заданной температуры предварительно сжигалось некоторое количество жидкого горючего — этанола. Основная камера сгорания также работала на этаноле. Система подачи горючего позволяла в процессе эксперимента изменять его расход и тем самым значение коэффициента избытка окис­

лителя.

Температурный режим зоны рециркуляции и начального уча­ стка камеры сгорания контролировался малоинерционными вольфрам-рениевыми термопарами, установленными на различ­ ных расстояниях от форсуночной головки.

В первой серии опытов использовалась форсуночная головка без обратных токов. На рис. 8.6 по оси абсцисс отложено значе­ ние коэффициента избытка окислителя ос, по оси ординат — тем­ пература окислительного газа, поступающего в камеру сгорания

2 4 2

ны тонкими линиями, снабжен­ ными стрелками, указывающи­ ми направление изменения а.

Штриховой линией на рис. 8.6 показана эксперименталь­ но полученная граница срыва горения, которая практически

совпадает с границей самовоспламенения. Таким образом, горе­ ние в камере сгорания без обратных токов, как и следовало ожи­ дать, наблюдалось только при температурах, обеспечивающих режим самовоспламенения. Наиболее низкое значение темпера­ туры самовоспламенения имело место при а ^ 1 и составляло 1050 К. При более низких температурах горение в камере сгора­ ния становилось невозможным при любых значениях а. Измере­ ние температур в первой серии опытов показало наличие протя­ женной (от 30 до 50 мм) зоны, температура газа в которой бы­ ла ниже температуры воздуха, поступающего в камеру сгорания. Таким образом, картина распределения температур вдоль на­ чального участка камеры сгорания указывает на^ндукционньш механизм горения. Заметное падение температур на начальном

решетки (светлые кружки соответствуют режиму горения, зачер­

щественно расширяла область температур, при которых возмож­ но горение. Граница срыва горения для этого случая представ­ лена сплошной линией. Эти результаты согласуются с выводами, приведенными в предыдущем разделе. Результаты эксперимен­ тов, полученные с одним из типоразмеров решетки, показаны на

243

Рис. 8.7. Пример гистерезисной зави­ симости температуры в зоне рециркуля­ ции от коэффициента избытка окислите­ ля [23]:

О — экспериментальные точки

и а, в которой наблюдался гистерезис, заштрихована. Снизу эта область ограничена участком границы самовоспламенения, свер­ ху — температурами, при которых в зоне рециркуляции может реализоваться только высокотемпературный режим (см. рис. 8 2). Справа и слева эта область в соответствии с рис. 8.3 также ограничена некоторыми предельными значениями а.

На рис. 8.7 представлена типичная картина гистерезиса. По оси абсцисс отложены значения коэффициента избытка окисли­ теля а, по оси ординат — отношение температуры в зоне рецир­ куляции к температуре воздуха, поступающего в эту зону За­

Результаты экспериментов подтверждают основные качест­ венные выводы, полученные в разд. 8.2, и подкрепляют гипотезу

значению которого вычислялось значение а, — дискретно на установившихся режимах.

244

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айзерман М. А. Теория автоматического регулирования. М.: Наука,

1966. 452 с.

2. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. Теория ракетных двигате­

лей. М.: Машиностроение, 1980. 531 с.

3. Андронов А. А., Вит А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. М.: Наука,

1981. 568 с.

4. Артамонов К. И. Термогидроакустическая устойчивость. М.: Машино­

строение, 1982. 260 с.

5. Барстейн С., Хамер С., Коста В. Модель горения струй распыленного топлива с учетом дробления капель.— В кн. Детонация и двухфазные течения.

М.: Мир, 1966, с. 243—269.

6. Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Нау­

ка, 1981. 205 с.

7. Боголюбов Н. Н., Митропольский Ю. А. Асимптотические методы в тео­

рии нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974. 503 с.

8. Ваничев А. П. Термодинамический расчет горения и истечения в области

высоких температур. М.: БНТ, 1947. 28 с.

9.Вильямс Ф. А. Теория горения. М.: Наука, 1971. 615 с.

10.Волынский М. С. Исследование дробления капель в газовом потоке.—

ДАН СССР, 1949, т. 2, с. 237—240.

И. Волынский М. С., Липатов А. С. Деформация и дробление капель в

потоку газа — ИФЖ, 1970, т. 18, № 5, с. 838—843.

12) Вулис Л. А. Тепловые режимы горения. М., Госэнергоиздат, 1954.

288с.

13.Вуянович В. Решение линейной и нелинейной задач теплопроводности

с помощью функции Лагранжа.— Ракетная техника и космонавтика, 1971. т. 9,

№1, с. 158— 162.

14.Гликман Б. Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных

двигателей. М.: Машиностроение, 1974. 396 с.

15.Гликман Б. Ф. Нестационарные течения в пневмогидравлических цепях.

М.: Машиностроение, 1979. 253 с.

16. Гликман Б. Ф., Гурьев В. А. Рассеивание энтропийных волн в газовых

трактах энергетических установок.— Изв. АН СССР. Сер. энергетика и транс­ порт, 1979, № 1, с. 149— 153.

17. Демидович Б. П., Майрон И. А., Шувалова Э. 3. Численные методы

анализа. М.: Наука, 1967. 368 с.

18. Дорошенко В. Е., Зайцев С. Ф., Фурлетов В. И. О двух'режимах ра­

боты модельной камеры сгорания как термоакустической автоколебательной

системы.— ПМТФ, 1967, № 1, с. 64—70.

t 19. Дорошенко В. Е., Силеверстов В. М. Исследование устойчивости го­

рения однородной смеси в камере с акустическими поглотителями.— ПМТФ,

1975, № 1, с. 76—82.

20. Дорошенко В. Е., Силеверстов В. М. Экспериментальное исследование

волн энтропии при неустойчивом горении в камере газотурбинного двигате­

ля.— ФГВ, 1981, № 1, с. 27—34.

21. Дорошенко В. Е., Фурлетов В. И. О воздействии звука на турбулентное

пламя.— ФГВ, 1969, № 1, с. 114— 124.

22. Дорошенко В. Е., Фурлетов В. И. Стробоскопические исследования

турбулентного пламени при акустическом воздействии.— В кн.: II Всесоюзный симпозиум по горению и взрыву АН СССР. Черноголовка: Наука, 1969,

с.55—58.

23.Дубинкин Б. Н., Натанзон М. С., Чамьян А. Э. О двух режимах горе­

245

26.Клячко Л. А., Кудрявцев А. В. Горение капель топлива в потоке на­ гретого воздуха.— ПМТФ, 1963, № 6, с. 80—86.

27.Колесников К. С., Самойлов С. А., Рыбак М. М. Динамика топливных систем Ж РД. М.: Машиностроение, 1975. 172 с.

28.Коссов О. М., Натанзон М. С. Приближенный метод учета диссоциа­ ции в рабочем процессе энергетических установок. Изд. АН СССР. Сер. энер­

825с.

32.Ламбарский С., Комба С. Л. Экспериментальное изучение стационар­ ного горения в ракетной камере смеси жидкого кислорода с керосином и тео­ рия горения распыленного топлива.— В кн.: Детонация и двухфазные течения.: Мир, 1966. с. 270—300.

33.Ланда П. С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М.: Наука, 1980. 359 с.

34.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М, Механика. М.: Наука, 1965. 203 с.

35.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. М.: Гостехиздат, 1954. 795 с.

36.Лапина 3. С., Натанзон М. С. Механизм потери устойчивости капель горючего в потоке окислительного газа.— Изв. АН СССР. Сер. энергетика и

транспорт, 1985, № 5, с. 150— 158.

37.Лебединский Е. В., Натанзон М. С., Никифоров М. В. Эксперименталь­ ный метод определения динамических свойств газовых потоков.— Акустический журнал, 1982, т. XXVIII, вып. 2, с. 660—664.

38.Лебединский Е. В., Натанзон М. С., Ярлыкова Н. И. Акустические

с.35—40.

40.Математическая теория горения/Я. Б. Зельдович, Г. И. Беренблатт,

В.Б. Либрович, Г. М. Михвиладзе. М.: Наука, 1980. 478 с.

41.Морс М. Ф., Фейшбах Г. Методы математической физики. Т. 1. М.: ИЛ, 1960. 930 с.

42.Морс М. Ф. Фейшбах Г. Методы математической физики. Т. 2. М.: ИЛ, 1960. 883 с.

43.Натанзон М. С. Амплитудно-фазовый метод исследования вибрацион­

ного горения.— Изв. АН СССР. Сер. энергетика и транспорт. 1981, № 5,

с.138— 146.

44.Натанзон М. С. Матрицы частотных характеристик процесса горения.—

Изв. АН СССР. Сер. энергетика и транспорт, 1983, № 2, с. 110— 119.

45. Натанзон М. С. Продольные автоколебания жидкостной ракеты. М.: Машиностроение, 1977. 205 с.

46. Натанзон М. С., Лапина 3. С., Меркулов И. В. Устойчивость горения в камере сгорания.— Изв. АН СССР. Сер. энергетика и транспорт, 1985, № 4, с 137— 146.

47. Неустойчивость горения Ж РД/Под ред. Д. Т. Харрье и Ф. Г. Рирдо­ на М.: Мир, 1975. 872 с.

48. О режимах дробления капель и критериях их существования/А. А. Бо­ рисов, Б. Е. Гельфанд, М. С. Натанзон, О. М. Коссов — Инженерно-физический

журнал, 1981, т. ХХХХ, № 1, с. 64—70.

49. Осипов А. А. Распространение трехмерных акустических возмущений в каналах переменной площади поперечного сечения при частотах, близких к частоте отсечки.— Изв. АН СССР. Сер. механика жидкости и газа, 1980, № 6,

с. 149— 159.

2 4 6