книги из ГПНТБ / Найденов, Г. Ф. Газогорелочные устройства с регулируемыми характеристиками факела

I

относительный расход газа, что позволит сблизить расчет­ ные и опытные данные.

Экспериментальные исследования траектории струи, раз­ вивающейся в сносящем поперечном потоке, были проведены

вИнституте газа АН УССР * [42, 43].

Ввихревых горелках обычно газ подается струями в зак­ рученный поток дутьевого воздуха из центральной или пе­ риферийной газовой камеры. В первом случае струи газа пронизывают поток по направлению по оси цилиндриче­

ского канала к периферии, во втором — от стенки канала к его оси.

Аэродинамические исследования показали, что как при тангенциальном, так и при комбинированном подводах воз­ духа скорость сносящего потока в плоскости ввода газовых струй не является постоянной, а изменяется по радиусу ци­ линдрического канала (рис. 12, 16).

Вработе [42] определялась форма траектории струи в поперечном потоке с равномерно изменяющейся скоростью по его сечению. Опыты проводились с одиночной круглой струей подогретого до 513°К воздуха, развивающейся в потоке холодного воздуха 297°К.

Вслучае различных температур происходит искривление траектории струи, вызванное разностью плотностей струи и потока. Отношение подъемной силы единицы объема (Др =

=рп — рстр) к инерционной силе, пропорциональной ве­

личине pcrpFcTp/f/cTp, характеризуется критерием Архи­ меда Аг:

*В исследованиях принимали участие инженеры А. А. Луговской

иВ. Г. Назаренко.

60

где (Гетр — Тп) — разность между начальной температурой струи и температурой сносящего потока.

, Исследования, выполненные в ЦКТИ [36, 40], показы­ вают, что при Аг < 0,005 влияние разности плотностей по­ тока (среды) и струи на траекторию последней практически ничтожно. В наших опытах величина Аг была намного мень­ ше предельного значения, что позволило не учитывать вли­ яния неизотермичности на форму оси струи. Ю. В. Иванов [19], исследуя закономерности турбулентной струи, разви­ вающейся в поперечном однородном потоке, показал, что при развитом турбулентном движении, когда силы сопротив­ ления определяются не молекулярной вязкостью, а турбу­ лентным переносом, кинематика струи автомодельна отно­ сительно Re. Исследования условий моделирования газовых горелок, выполненные А. С. Иссерлиным [22], подтверж­ дают автомодельность в отношении числа Re в турбулентной области. Для обычных промышленных топочных устройств также имеет место гидродинамическая автомодельность при больших значениях Re [9].

При исключении влияния критериев Аг и Re траектория круглой струи в сносящем прямом равномерном потоке за­ висит от скорости струи.в устье W2, ее плотности р2, средней скорости потока и его плотности рх, коэффициента структуры струи а, диаметра струи в устье dCTp и угла атаки струи а [19].

В прямом потоке плотность остается постоянной по его сечению, а в закрученном — изменяется подвлиянием центро­ бежной силы. Однако в реальных условиях изменение плот­ ности в закрученном потоке вихревой горелки по сравнению с плотностью в прямоточном потоке не превышает 1%, что позволяет не учитывать влияния центробежной силы на изменение плотности закрученного потока по радиусу ци­ линдрического канала.

Предполагая, что неравномерность скорости по сечению сносящего потока влияет на траекторию струи, введем опре­ деляющий параметр, характеризующий изменение скорости

61

по сечению потока:

W — W tg(p = ^ ^ 7 -----(49)

где <р — угол наклона эпюры скоростей сносящего потока относительно плоскости поперечного сечения потока в мес­ те ввода струи; Ln — поперечный размер сносящего потока, равный глубине проникновения струи в поток.

Для выяснения влияния tg ср на форму траектории струи во время опытов значения Wlt W2, plt р2, a, dCTp выдержива­ лись постоянными, а угол атаки равнялся 90°. Тангенс угла наклона эпюры скоростей сносящего потока изменялся за счет изменений значений WMaKCи WMnu при постоянной сред­ ней скорости потока. Во время опытов меняли местами поло­

что положительное направление grad Wx совпадает с направ­ лением истечения струи.

Определение траектории струи в сносящем потоке с не­ равномерным по сечению полем скоростей пневмометрическими приемниками чрезвычайно сложно. Пневмоприемники при их введении в поток воздействуют на него и на струю. G их помощью невозможно определить границы струи в той зоне, где скорости струи и потока близки. Значительно за­ трудняет определение траектории струи с помощью пневмо­ приемников то обстоятельство, что в закрученном потоке траектория струи не лежит в одной плоскости. Проще по­ лучить информацию о влиянии неравномерного сносящего потока на форму струи при помощи методики, использу­ ющей визуализацию возмущений в потоке методом Теплера [64]. Поэтому при проведении исследований был использован метод фотографирования теплеровских картин аэродинами­ ческих процессов взаимодействия струи и потока при помо­ щи теневого прибора ИАБ-451 [67].

Так как методом исследования является теневое фотогра­ фирование, то под осью струи понимается ее оптическая ось, которая не соответствует понятию траектории струи как ее

62

оси, проходящей через точки, имеющие максимальное зна­ чение скорости в поперечных сечениях струи. Проекция лиции максимальных значений скорости на плоское изображе­ ние струи будет несколько смещена относительно ее геомет­ рической оси, особенно в районе участка максимальной кривизны, что обусловлено деформацией струи набегающим потоком [19].

Естественно, переход от светлой к затемненной части струи не дает четкой границы. Однако теневой метод позво­ ляет получить наглядную и достоверную качественную ин­ формацию об исследуемом объекте, и поэтому этот метод нашел широкое применение при изучении взаимодействия струи и потока [66].

Проведенные исследования показали, что скоростная не­ равномерность по сечению сносящего потока в направлении истечения струи оказывает значительное влияние на траек­ торию струи. В том случае, когда скорость по сечению пото­ ка уменьшается в направлении истечения струи, уже вблизи

по мере углубления ее в поток и падения скорости струи, происходит резкое искривление ее траектории под действием возрастающей скорости потока. В обоих случаях на выходе из сносящего потока наклон траектории струи к горизон­ тали примерно одинаков. Этот факт позволяет сделать пред­ положение, что на глубину проникновения струи в поток те оказывает существенного влияния величина и направление grad Wx сносящего потока, а только средняя скорость пото­ ка на участке дальнобойности струи.

Видимая ширина струи в поперечном сечении, проходя­ щем через точку встречи оси струи с внешней границей по­ тока, больше в случае расположения №макс у сопла. В этом случае и длина осевой линии струи несколько больше, т. е.

63

струя проходит больший путь. К тому же угол встречи меж­ ду частью потока с максимальной скоростью и соответству­ ющим участком струи также больше. Так как местные зна­

чения р2 ^г/р1 ^ 1уменьшаются от оси к границам струи, пе­ риферийные области струи движутся по более крутым тра­ екториям, приобретая направление сносящего потока. В том случае, когда участок с максимальной скоростью находится вдали от сопла, угол встречи потока и соответствующего участка струи меньше, поэтому боковые области струи дви­ жутся по траекториям, более совпадающим с направлением оси струи.

С целью установления соответствия принятого нами по­ нятия траектории струи с траекторий струи как линией, проведенной по точкам максимальных скоростей, на экспе­ риментальной установке было проведено также фотографи­ рование струи, развивающейся в равномерном сносящем по­ токе (tg ср = 0). При этом все параметры струи и потока вы­ держивались такими же, как при tg ф = var.

Видимая траектория qch струи при tg ф = 0 удовлетвори­ тельно описывалась уравнением, выведенным Ю. В. Ива­ новым по данным экспериментального исследования зако­ номерностей свободной круглой струи, развивающейся в равномерном поперечном потоке, при значении а = 0,065, что соответствует коэффициенту структуры струи с «естест­ венной» турбулентностью [18]:

(50)

На рис. 24 представлен график функции у = f (х) в ло­ гарифмическом масштабе, из которого видно, что траектории струй при равномерно изменяющемся по сечению поле ско­ ростей сносящего потока описываются уравнениями (как и при равномерном сносящем потоке) вида

(51)

64

или при а = const dc = const

Взависимости от величины и направления grad ^ к о э ф ­ фициент Л и т изменяются.

Вслучае расположения максимального значения скорос­ ти сносящего потока у корня струи т уменьшается с ростом угла ср. Если у сопла находится минимальная скорость

Рис. 23. Траектории круглых струй (сплошные линии — расчетные траек­ тории струй при положительном на­ правлении grad Wx, пунктирные — при отрицательном направлении grad Wx).

Рис. 24. График функции у = f (х) в ло­ гарифмическом масштабе:

сносящего потока, то с ростом угла ср значение показателя

но описывающие траекторию оси струи в пределах измене­

б) для случая, когда скорость потока в направлении ис­ течения струи уменьшается,

При tg ф = 0, т. е. при равномерном поперечном потоке, уравнения (53) и (54) переходят в уравнение (51).

Таким образом, на траекторию струи, развивающуюся в сносящем потоке с изменяющимся по сечению полем ско­ ростей, оказывают влияние величина и направление градиен­ та скорости сносящего потока. Однако глубина проникнове­ ния струи в сносящий поток практически зависит только от средней скорости сносящего потока на участке дальнобой­ ности струи.

В работе [43] приведены результаты опытов по проверке последнего предположения. В поле зрения прибора ИАБ451 устанавливали плоскую модель цилиндрического канала с тангенциальным подводом воздуха. Днищами цилиндри­ ческого канала служили плоскопараллельные пластины из оптического стекла КВ. Модель была выбрана плоской по­ тому, что плоскопараллельные стенки не вносят оптических помех в теневую картину.

66

Скорость в поперечном сечении закрученного потока из­

менялась вдоль радиуса по закону, близкому -Jfr- — const.

При обработке экспериментального материала определя­ ли глубину проникновения струи в поток по ее наружному контуру и сравнивали с расчетной глубиной, подсчитанной по выражению

Hp = h +

где Я р — расчетная глубина проникновения струи по ее наружному контуру.

Результаты проведенных исследований подтверждают применимость для расчета газовых горелок, где определяю­ щим является не форма струи, а ее дальнобойность, формулы (38) и в тех случаях, когда сносящий поток имеет неравномер­ ное по сечению поле скоростей. Средняя скорость (расходная) должна быть заменена при этом средней скоростью потока на участке взаимодействия струи и потока.

ФАКЕЛ ГОРЕЛКИ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПОДВОДОМ ДУТЬЕВОГО ВОЗДУХА

Факел вихревой горелки характеризуется большим углом раскрытия, противотоком движения раскаленных газов в осе­ вой области устья горелки, повышенной эжекдионной спо­ собностью и относительно малой аэродинамической и тепло­ вой дальнобойностью. Все эти качества факела являются в основном результатом закрутки воздушного потока.

Осевая дальнобойность факела зависит от интенсивности крутки, с изменением которой изменяется и соотношение тан­ генциальных и аксиальных скоростей в воздушном потоке. На размеры факела влияют конфигурация амбразуры, ка­ чество смешения, тепловое напряжение огневого сечения, коэффициент избытка воздуха,, характеристика топки и вза­ имное расположение горелок в ней.

Исследования, проводившиеся на огневых моделях [54] {в горелках обеспечивалось пропорциональное распределе­ ние газа в потоке воздуха согласно методике Ю. В. Ивано­ ва), показали, что с изменением крутки от 1,86 до 4,0 при постоянных расходе газа и коэффициенте избытка воздуха длина факела сокращается примерно в 1,5 раза. Ниже при­ ведены значения ориентировочной длины факела вихревой

бытка воздуха значительно влияет на длину факела только при общем недостатке воздуха или в случае плохого пере­ мешивания газа с воздухом внутри горелки.

Размеры и форма амбразуры оказывают заметное влияние на структуру факела. Исследования горения предварительно подготовленных газовых смесей [16] показали, что процесс выгорания смеси определяется гидродинамическими свой­ ствами, а также условиями теплообмена в туннелях.

Вкотельной практике применяются различные по форме

иразмерам амбразуры вихревых горелок. Продольный раз­ мер амбразуры обычно определяется толщиной обмуровки топки котла в том месте, где устанавливается горелка. Пе­ риферийные газовые камеры утапливают в кладку или рас­ полагают с некоторым зазором от стенки. В первом случае фактическая глубина амбразуры уменьшается, а во втором —■ возрастает. При этом изменяется отношение длины амбразуры

68

1ак ее диаметру Da. У горелок большой производительности, как правило, l JDa меньше, чем у горелок малой производи­ тельности. Разнообразны формы применяемых амбразур: цилиндрические, конические, с пережимом, с внезапным рас­ крытием и т. д.

Исследования, проведенные в Институте газа АН УССР под руководством И. Я. Сигала [54], показали, что форма ам­ бразуры значительно влияет на выгорание газа и распре­ деление температуры в устье вихревой горелки. Для цилинд­ рической амбразуры характерна большая неравномерность концентраций продуктов горения по сечению. На расстоя­ нии l JDa = 0,4 от периферийной газовой камеры горение у стенки амбразуры еще не происходит. Это подтверждается также распределением температуры. На периферии темпера­ тура не превышает 770°К, а в осевой области, за счет заса-

.сывания раскаленных продуктов горения, температура дог стигает 1700°К-

В конической амбразуре поля температуры и концент­ раций более равномерны. На таком же расстоянии от пе­ риферийной газовой камеры максимальная температура 1530°К находится также в. осевой области, а вблизи устья амбразуры по всему сечению температуры близка к

1550° К.

В амбразуре с внезапным раскрытием топливо практиче­ ски полностью выгорает до выхода в топку, температурное поле в устье более равномерно, чем у конической.

Ориентировочные размеры факелов, вихревой горелки,

15%. Было выяснено также, что с увеличением длины ци­ линдрической амбразуры в два и три раза температура про­ дуктов сгорания возрастала в выходном сечении с 1720 до 1900 и 1970°К соответственно. Эти данные показывают, что значительное удлинение амбразуры может привести к ее оплавлению.

69