Файл: Найденов, Г. Ф. Газогорелочные устройства с регулируемыми характеристиками факела.pdf

Рис. 7. Графики изменения скорости воздушного потока в сечении цилиндрического канала на окружности максимальных скоростей при'различном значении интенсивности крутки п:

I _ 7 тр = 0,3D; 2 — ~drр = 0.5D.

по сечению цилиндрического канала в плоскости газовых сопел. По оси ординат отложено отношение замеренной в дан­ ной точке скорости потока к величине средней скорости на данной окружности (т. — количество точек измерения на окружности). По оси абсцисс дана развертка окружности максимальных скоростей. С ростом интенсивности крутки скоростная неравномерность на окружности потока умень-

Таблица 1

Скоростная неравномерность воздушного потока по окружности мак­ симальных скоростей в сечении цилиндрического канала при различныха значениях интенсивности крутки простого тангенциального подвода

шается. Увеличение диаметра осевой трубы dTp с 0,3 до 0,5 также снижает скоростную неравномерность.

В табл. 1 приведены значения скоростной неравномер­ ности. Под скоростью понимается скалярное значение век­ тора скорости.

На рис. 8 показано изменение значения скоростной не­ равномерности на концентрических окружностях с различ­ ными радиусами. С уменьшением радиуса скоростная нерав­ номерность на данной окружности возрастает, что объяс­ няется конструкцией простого тангенциального подвода

воздуха.

Расположение в цилиндрическом канале осевой трубы с диаметром, равным половине диаметра канала, улучшает скоростную равномерность потока. Так, коэффициент

29

скоростной неравномерности на окружности максимальных скоростей соответствует значению неравномерности закру­ ченного потока, выдаваемого улиточным устройством рав­ ной скорости [37].

Естественно, с удлинением полости цилиндрического канала скоростная неравномерность по окружности цилин­ дрического канала уменьшается, а сопротивление растет, так как под действием внешних сил происходит усреднение скорости по окружности потока.

По длине цилиндрического канала поток несколько раскру­ чивается, что выражается в уменьшении угла разноса факела при удлинении цилиндрической полости. Однако изменение вели­ чины отношения L/D не оказыва­ ет существенного влияния на ха­ рактеристику потока, поэтому размер L горелок без осевого подвода воздуха выбирается в основном из конструктивных соображений.

В горелках с комбинированным подводом воздуха жела­ тельно обеспечивать на выходе из осевой трубы симметрич­ ность потока относительно оси сечения. По условиям монта­ жа подача воздуха в осевую трубу обыкновенно происходит из воздухопровода, расположенного под некоторым углом к осевой трубе. При повороте потока центробежные силы вызывают повышение статического давления в направлении от центра кривизны. Так как полное давление в потоке ос­ тается постоянным вдоль радиуса кривизны, то повышение статического давления сопровождается падением скорости. Поэтому в месте изменения направления воздухопровода происходит нарушение симметричности потока. Скорость вблизи внутренней стенки колена возрастает, а вблизи внеш­ ней — падает.

30

При переходе из колена в прямой участок трубы возни­ кает застойная зона в виде вихря на внутренней стороне закругления. Площадь проходного сечения уменьшается на величину площади сечения застойной зоны, и, согласно уравнению неразрывности, скорость потока увеличивается. Максимум скорости смещается к внешней стенке канала. Чем больше радиус закругления потока, тем меньше нерав­ номерность потока и короче прямой участок за поворотом, необходимый для выравнивания скоростей.

Так как вихреобразование в основном возникает вблизи внутренней стенки поворота, то округление этой стенки наи­ более эффективно. Положительное влияние на распределе­ ние скоростей за поворотом оказывает также снижение ско­ рости в подводящем воздухопроводе, т. е. увеличение пло­ щади проходного сечения воздухопровода по сравнению с проходным сечением осевой трубы [21].

На образование зон завихрения и перераспределение скоростей в потоке тратится энергия, которая выражается в

При изменении направления потока в поворотных участ­ ках небольшой длины потеря напора относится к местным сопротивлениям. В данном случае коэффициент сопротивле­ ния, наряду с зависимостью от общих факторов: режима те­ чения, характеризуемого числом Рейнольдса (Re), шерохо­ ватости поверхности стенок канала,— главным образом, зависит от угла поворота и величины отношения радиуса кривизны поворотного участка к диаметру канала. Таким

31

образом, чем меньше потеря напора на поворотном участке воздухопровода, тем меньше неравномерность выходящего из него потока. В случае, когда величина отношения радиуса кривизны к диаметру канала равна 0,5, коэффициент со­ противления колена получается равным 0,27, в потоке пол­ ностью исчезает область завихрения и поле скоростей вы­ равнивается так, что на расстоянии двух с половиной калиб­ ров от колена величина отношения скоростей снижается до

1,25 [21].

Диаметр цилиндрического канала D является исходным для определения основных конструктивных размеров го­ релки. С одной стороны, увеличение диаметра приводит к трудностям, связанным с размещением горелок на стенах топочной камеры, с другой стороны, уменьшение диаметра при сохранении производительности горелки сопровожда­ ется резким увеличением гидравлического сопротивления воздушного тракта горелки. В настоящее время с ростом производительности горелок отдается предпочтение неко­ торому, допустимому с точки зрения имеющихся тягодутье­ вых мощностей, увеличению потерь напора [23].

Диаметр цилиндрического канала горелки рассчитывает­ ся исходя из условной величины теплового напряжения се­ чения цилиндрического канала [49], выбираемого в пределах

<7УС= (12 -f- 15) 109 кдж/см2, ■ч:

(6)

где В — часовой расход газа; Qh — низшая теплотворная способность газа.

ИНТЕНСИВНОСТЬ КРУТКИ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ПОДВОДЕ ВОЗДУХА

Применение закрученных струй как аэродинамической основы факельного процесса сжигания объясняется рядом особенностей закрученного потока. Факел вихревой горелки

32

по сравнению с прямоточным имеет больший угол раскры­ тия и меньшую осевую дальнобойность. Наличие зоны разре­ жения по оси закрученного потока и в связи с этим возник­ новение встречного движения из зоны горения газов с вы­ сокой температурой создает источник зажигания в корне факела и стабилизирует фронт горения.

Так, например, в работе [68] показано, что факел, выда­ ваемый вихревой горелкой, стабилизируется в свободном пространстве при скоростях до 30 м/сек, а в условиях топки до 210 м/сек. Основные положительные особенности закру­ ченного факела связаны с его турбулентной структурой.

Д. Н. Ляховским [39] было проведено исследование тур­ булентности изотермической закрученной струи. Измеря­ лись аксиальный, радиальный и тангенциальный компоненты усредненной скорости, пульсация аксиального компонента скорости и частота пульсации компонента.

Данные измерения пульсационной скорости и пути сме­ шения показывают, что коэффициент турбулентной диффу­ зии DT = u'l [1 ] закрученной струи превосходит DT пря­ моточной струи на практически важном участке ее распро­ странения, что свидетельствует о лучшем перемешивании потоков в случае закрученного движения. С увеличением интенсивности турбулентности возрастает скорость турбу­ лентного распространения пламени как при горении пред­ варительно перемешанных смесей, так и в случае диффузион­ ного сжигания газа [77]. Таким образом, закрутка воздуш­ ного потока в значительной степени определяет параметры факела, выдаваемого горелкой, и соответственно влияет на температурное поле в камере горения.

Закрученность потока, т. е. степень отклонения винтово­ го потока в цилиндрическом канале горелки от течения незакрученной жидкости, характеризуется соотношением тан­ генциальной и аксиальной составляющих скорости.

Относительная закрученность потока изменяется по длине цилиндрического канала, но в среднем достаточно хорошо определяется отношением скорости воздуха на

выходе из тангенциального патрубка в канал WBX к средней расходной скорости по сечению цилиндра [24].

Очевидно, что с ростом WBXвозрастает значение момента количества движения относительно оси цилиндра:

— расстояние по радиусу от центра вращения потока до точки, в которой приложена равнодействующая скорости потока в тангенциальном направлении. Увеличение М при­ водит к изменению распределения тангенциальной скорости по сечению цилиндрического канала, так как поток в боль­ шей степени отжимается к периферии.

С распределением по радиусу цилиндрического канала тангенциальной скорости связано распределение статиче­ ского давления, обеспечивающего равновесие потока.

В случае потенциального вращения теоретическое соот­ ношение между давлением в двух точках определяется урав­ нением [45]

щейся жидкости; со — угловая скорость; Рх — статическое давление на радиус /у > г2; Р2 — статическое давление на радиус г2 в том же сечении камеры.

На периферий закрученного потока давление имеет мак­ симальное положительное значение, а на оси — максималь­ ное отрицательное.

Считая характер потока неизменным по длине канала, можно утверждать, что существует цилиндрическая поверх­ ность, на которой статическое давление Рстравно давлению среды Рсрд, в которую происходит истечение потока.

34

Осевая скорость потока распределяется по сечению ци­ линдрического канала в соответствии с распределением дав­ ления. На периферии потока, где Рсг Д> РСрд, осевая ско­ рость имеет положительное направление (к выходному от­ верстию цилиндрического канала), в осевой области, где Per < Рсрд) возникает зона обратных токов. Эта зона огра­ ничена поверхностью, на которой Р ст = Р СрД-

Ширина периферийного кольца, поселению которого ак­ сиальная составляющая скорости имеет только положитель­ ное значение (рабочая зона /р),

где г0бр — радиус зоны обратных токов.

Возвратное течение по оси закрученного потока берет свое начало за обрезом цилиндрического канала, поэтому расход воздуха по периферийному кольцу больше расхода по тангенциальному патрубку на величину рециркулирую­ щей массы воздуха.

Усредненное положительное значение аксиальной состав­ ляющей скорости Wg может быть получено из выражения

патрубка; WlP6P — среднее значение скорости обратных то­ ков в данном сечении закрученного потока.

Углубляясь в канал, обратный ток приобретает враща­ тельное движение, средняя осевая скорость его уменьша­ ется, так как периферийная закрученная струя, вследст­ вие интенсивного турбулентного обмена, рассасывает об­ ратный ток и вовлекает его во вращательное движение.

Взаимодействие периферийного и осевого потоков приво­ дит к уменьшению тангенциальной скорости в осевой об­ ласти. На периферии поток тормозится о стенки цилиндри­ ческого канала. Это приводит к тому, что с увеличением