Тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания

УЧЕНЫЕ
Том XXXIII
ЗАПИСКИ
ЦАГИ
2002
№ 1—2
УДК 536.46:533.6.011.5
629.7.015.3.036
ТЯГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЯМОТОЧНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
ЭЖЕКТОРНОГО ТИПА С РЕЗОНАТОРОМ ПРИ ВИБРАЦИОННОМ
ГОРЕНИИ ВОДОРОДА
В. К. БАЕВ, Д. Ю. МОСКВИЧЕВ, А. В. ПОТАПКИН
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния резонатора на
тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания. В качестве камеры сгорания
использовалась цилиндрическая трубка с конфузором на входе. К камере сгорания
присоединялся резонатор, представляющий из себя трубку с размещенным внутри поршнем,
перемещение которого позволяло менять линейный размер полости резонатора. Открытый
конец резонатора имел выход в камеру сгорания. Ось резонатора перпендикулярна оси
камеры сгорания. В качестве топлива применялся газообразный водород. Показано, что
тяговые характеристики камеры сгорания при вибрационном горении топлива зависят от
положения резонатора на камере и линейных размеров резонатора.
Экспериментальные исследования горения водорода в прямоточной эжекторной камере
сгорания постоянного сечения [1] показали, что существует область параметров (расход
водорода, положение инжектора), в которой наблюдаются интенсивные акустические колебания
с частотой, соответствующей характерным временам горения водорода (~ 1500  2000 Гц) при
уровне звука в пределах от 120 до 130 дБ, измеренного перед входом в камеру сгорания на
расстоянии, равном половине длины камеры сгорания.
Различаются две стадии вибрационного горения [3], [4] — начальная, характеризующаяся
относительно невысоким уровнем звука с частотой колебаний, соответствующей собственной
частоте колебаний камеры сгорания, и вторая, переход к которой сопровождается резким
возрастанием амплитуды пульсаций.
В [1] было установлено, что в отличие от начальной стадии вибрационного горения, когда
уровень звука составляет не более 120 дБ и измерения показывают наличие силы сопротивления
(силы, приложенной к камере сгорания и направленной в сторону истечения продуктов
сгорания), переход во вторую стадию горения сопровождается развитием интенсивных
пульсаций  130 дБ и возникновением тяги (силы, направленной против истечения продуктов
сгорания) при наличии конфузора на входе в камеру сгорания. В результате предварительных
экспериментов было установлено, что сила тяги приложена к конфузору и величина силы зависит
от формы поверхности конфузора. Предположение о возникновении колебаний в результате
критических явлений с точки зрения существования пламени допускало, что усиление эффектов
может быть достигнуто размещением на камере сгорания резонатора. Эксперименты [2]
проведены с резонатором в виде цилиндрической трубки с размещенным внутри поршнем,
положение которого изменялось при проведении эксперимента. Ось резонатора перпендикулярна
оси камеры сгорания. Расположение резонатора на камере сгорания изменялось: резонатор
размещался вблизи входа в камеру сгорания, в середине камеры или вблизи выхода из камеры
сгорания.
Схема установки и камера сгорания с резонатором показаны на рис. 1. Длина
цилиндрической камеры сгорания L  150 мм, внутренний диаметр D = 16 мм, внутренняя
71
поверхность конфузора имела форму тора с наибольшим диаметром 35 мм и длиной 17 мм,
резонатор с внутренним диаметром 11 мм имел горло длиной 15 мм и диаметром 9,8 мм.
Рис. 1. Схема установки:
 — вентиль,  — редуктор, м — манометр,
— расходомер, к — координатник,  — микрофон,
ТВ — тензовесы, 1 — резонатор, 2 — камера сгорания, 3 — ХА-термопара, 4 — факел, 5 — инжектор водорода,
ИП — измерительные приборы, ЗА — записывающая аппаратура
Камера сгорания:
6 — камера сгорания, 7 — игла подачи водорода, 8 — насадок (конфузор), 9 — резонатор, 10 — поршень
Камера сгорания с резонатором закреплялась на пантографе так, что возможно было только
ее продольное перемещение. Продольная сила (тяга или сопротивление) F регистрировалась
тензовесами, в прорезь штанги которых вводился язычок, закрепленный на камере сгорания.
Свободный ход язычка в прорези составлял десятые доли миллиметра. Температура продуктов
сгорания измерялась ХА-термопарой, помещенной в факеле на расстоянии 20 мм за выходом из
камеры сгорания. Акустические измерения выполнялись конденсаторным микрофоном. Расход
водорода определялся по перепаду давления на гидросопротивлении. Водород подавался в
камеру сгорания через иглу инжектора с диаметром канала 1,2 мм, которая вводилась в камеру на
глубину Lu . Воспламенение водорода производилось открытым пламенем. Все показания
приборов выводились и записывались на шлейфовом осциллографе.
Типичная регистрограмма показана на рис. 2. Cплошными линиями изображены записи
изменения параметров в эксперименте, пунктиром — осреднение, которое использовалось при
обработке экспериментальных данных. Затемненная
область — запись амплитуды звуковых колебаний А, F  и
F  — запись силы сопротивления и тяги соответственно, T
— температура, Q — расход водорода (объем
газообразного водорода при нормальных условиях в
единицу времени), t — изменение времени при записи.
Вертикальная штрихпунктирная линия делит рисунок на
две области. Область слева от линии — зона увеличения
расхода
водорода
(зона
I),
область
справа — зона уменьшения расхода водорода (зона II). Все
представленные ниже зависимости относятся к первой
зоне.
Результаты расшифровки регистрограмм показаны на
рис. 3—5. На рис. 3 приведены графические зависимости
силы F = F ( L p 2 L ; Lu 2L; Ln 2 L ; Q) и уровня звука
А = А ( L p 2 L ; Lu 2L; Ln 2 L ; Q), где по осям аппликат
Рис. 2. Регистрограмма
72
отложены значения измеренных сил F (в граммах силы) и
амплитуд колебаний A (в децибелах). Положительное значение F — сила тяги, отрицательное —
сила сопротивления. По осям ординат отложены объемные расходы водорода Q (л/с), по осям
абсцисс Ln 2 L — линейные размеры резонатора (в долях длины звуковой волны λ = 2L).
Зависимости F и A построены для положения инжектора Lu 2L  0,169 и трех положений
резонатора L p 2 L .
Рис. 3. Корреляция тяги и акустических характеристик:
Lu 2L  0,169; а) L p 2L  0,137; б) L p 2L  0, 208; в) L p 2L  0, 251
73
На рис. 3, а представлены результаты измерений при положении резонатора вблизи входа
в камеру сгорания Lp 2L  0,137. Максимальное значение 𝐹 + = 13,5 Г, тяга возникала при
значениях Ln 2L  0,225 в диапазоне 2  Q  3 л/с. Для других значений Ln 2 L и Q
регистрировалась сила сопротивления. Прослеживается корреляция между амплитудой A и силой
F. При достижении амплитудой величины 120 дБ появлялась тяга. Наибольшее значение тяги
𝐹 + = 13,5 Г соответствует наибольшей величине амплитуды A ~ 128 дБ. В то же время величина
F не является монотонной функцией от A.
При положении резонатора между входом и серединой камеры сгорания, Lp 2L  0,208
(рис. 3, б), во всей области изменения параметров Lu 2 L и Q, за исключением нескольких точек,
регистрировалась сила сопротивления. Наибольшее значение силы сопротивления 𝐹 − = −7 Г
получено при Ln 2L  0,297, Q = 2,5 л/с. Тяга формировалась при Ln 2L  0,153, Q = 2,5 л/с и
0,368  Ln 2L  0,43, Q = 3 л/с. Амплитуда А достигала величин ~ 131 ÷ 133 дБ, с увеличением
амплитуды уменьшалась сила сопротивления, что приводило к возникновению тяги.
Если резонатор размещался в середине камеры сгорания Lp 2L  0,251 (рис. 3, в), то тяга
возникала в областях параметров 0,153  Ln 2L  0,225 и 0,368  Ln 2L  0, 43 при 2,5 ≤ Q ≤ 3 л/с.
Наибольшее значение амплитуды А ~ 129 дБ.
Из сопоставления результатов измерения F и A был сделан вывод, что при любых
положениях резонатора можно добиться появления тяги подбором параметров Lu 2 L , Ln 2 L и
Q. Положение резонатора в середине камеры сгорания приводило к максимальным значениям
тяги, и тяга в этом случае являлась монотонной функцией от амплитуды. Рост амплитуды
колебаний сопровождался ростом тяги. Причем необходимым условием возникновения тяги
являлось условие A > 120 дБ. При других положениях резонатора наблюдалась обратная картина,
т. е. рост амплитуды колебаний мог сопровождаться развитием силы сопротивления, а тяга не
являлась монотонной функцией от А. Таким образом, условие А > 120 дБ не является
достаточным условием развития тяги.
Поля изолиний удельной тяги I  F Q как линий постоянного уровня функции I  I  Lu ,
Рис. 4. Удельная тяга:
L p 2L  0, 251: а) Q  2,5 л/с; б) Q  3 л/с
74
Lп , L p  const, Q  const  представлены на рис. 4. Здесь: Q — весовой расход водорода. На
рисунках по горизонтальной оси отложена величина Ln 2 L (относительна длина полости
резонатора), по вертикальной оси — относительное положение инжектора Lu 2 L .
Прямоугольная сетка нанесена на каждом рисунке. Узлы сетки — точки, в которых
проставлялись результаты измерений. Сплошные линии с отметками значения уровня функции I,
с учетом знака функции F, показывают наличие тяги, пунктирные линии — наличие
сопротивления. Изолинии с отрицательными значениями I носят качественный характер, так как
точность вычисления I для малых значений силы сопротивления F оказалась невысокой. Поля
изолиний построены для случая Lp 2L  0,251 (резонатор расположен в середине камеры
сгорания), Q = 2,5 л/с (рис. 4, а) и Q = 3 л/с (рис.4, б).
Размещение резонатора в середине камеры сгорания оказалось наиболее перспективным
с точки зрения получения больших положительных значений I. При расходах водорода Q ≤ 2 л/с
формировалось в основном поле отрицательных значений I, для расхода Q > 2 л/с выделялись
характерные точки Lu 2L  1,169; Ln 2L  0,189; 0,368, в которых удельная тяга достигает
отметок более 100 с и 200 с. Узкие области положительных значений I хорошо выделяются на
рисунках, вне этих областей отрицательные значения I достигают значений ~ 20 с.
Увеличение расхода водорода при реализовавшемся развитом вибрационном горении
приводило к незначительному росту тяги и снижению удельной тяги (рис. 4, б). Наиболее
выгодным по величине удельной тяги оказывался расход водорода вблизи области смены режима
горения.
Сопоставление полей удельной тяги позволило сделать вывод, что одной из причин
формирования отрицательных значений удельной тяги является взаимодействие струи продуктов
сгорания с входом в резонатор. Входное отверстие резонатора в стенке камеры сгорания создает
дополнительное гидросопротивление для истекающих продуктов сгорания. Положительные
значения удельной тяги I > 100 c получаются только в узких
областях исследованных параметров, в некоторых характерных
точках, причем, кратность линейных относительных размеров
резонатора Ln 2L  0,189 и Ln 2L  0,368 указывает на
акустический характер влияния резонатора на удельную тягу
камеры сгорания.
Сравнение результатов измерений для камеры сгорания без
резонатора и с резонатором показало увеличение максимального
значения силы тяги F  от 25 до 50 Г при увеличении удельной
тяги от 150 с до 200 с в зоне I (см. рис. 2). При переходе в зону II
наблюдался гистерезис в поведении амплитуды звуковых
колебаний [5], [6]. При снижении расхода водорода сохранялись
режимы с интенсивными пульсациями. Вследствие этого эффекта
удельная тяга достигала величины  200 с в эксперименте без
резонатора и  300 с — с резонатором.
Влияние размеров резонатора и его положения на тяговые и
акустические характеристики камеры сгорания приведены на
рис. 5, а, б соответственно. Здесь кривые 1, 2 и 3 соответствуют
положению резонатора на камере сгорания Lp 2L  0,137; 0,251;
0,362 и величина d  Ln 2L — относительная длина резонатора
при положении инжектора Lu 2L  0,169. Данные приведены для Рис. 5. Зависимость тяговых и
акустических характеристик камеры
фиксированного расхода водорода Q = 2,5 л/с.
При расположении резонатора вблизи входа в камеру сгорания от размеров и положения
резонатора:
сгорания (кривая 1) изменение размеров резонатора приводило к
Q  2,5 л/с; Lu 2L  0,169; d  Ln 2L ;
небольшому изменению тяги F  на сопротивление F  , и при
1 — L p 2L  0,137; 2 — L p 2 L  0,251;
дальнейшем увеличении d от 0,26 до 0,37 наблюдалось
3 — L p 2L  0,362
75
увеличение
тяги
до
15
Г,
что
соответствует
максимальным
амплиF
тудам пульсаций. Для d > 0,37 снижение амплитуды пульсаций сопровождалось уменьшением
тяги F  . Аналогичная картина наблюдалась при расположении резонатора в средней части
камеры сгорания (кривая 2) при более резких переходах от сопротивления к тяге, при этом
сопротивление и тяга примерно в три раза больше, чем в предыдущем случае. Максимум тяги
достигался для d от 0,35 до 0,37, что также согласуется с максимумом амплитуды пульсаций.
Противоположная картина поведения силы F наблюдалась при положении резонатора вблизи
выхода из камеры сгорания (кривая 3). Для значений d < 0,27 уменьшение амплитуды пульсаций
сопровождалось уменьшением тяги, однако в области d > 0,32, рост пульсаций приводил к
увеличению сопротивления F.
Режимы вибрационного горения с интенсивными пульсациями, при которых развивалась
максимальная тяга, сопровождались снижением температуры продуктов сгорания примерно на
15%. Наибольшие зарегистрированные значения температуры ~ 1000С.
Представленные результаты показывают, что величиной тяги прямоточной камеры
сгорания можно управлять с помощью положения резонатора, изменением его линейных
размеров и расхода топлива. При этом экстремальные значения удельной тяги I  F  Q в
экспериментах без резонатора достигали ~ 200 с, а с резонатором  300 с.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б а е в В. К., П о т а п к и н А. В., Ч у с о в Д. В. Влияние термоакустических
процессов на силовые характеристики камеры сгорания/Сб. Математическое моделирование,
аэродинамика и физическая газодинамика.— Новосибирск. 1995.
2. B a e v V. K., M o s k v i c h e v D. Y u, P o t a p k i n A. V. The influence of acoustic resonator on the air-breathing combustor operation under pulsation burning of hydrogen//International
conference on the method of aerophysical Research. Part III.— Novosibirsk.— 1998.
3. А в в а к у м о в А. М., Ч у ч к а л о в И. А., Щ е л о к о в Я. М. Нестационарное
горение в энергетических установках.— Л.: Недра.— 1987.
4. Р а у ш е н б а х Б. В. Вибрационное горение.— М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит.—1961.
5. Нестационарное распространение пламени/Под ред. Маркштейна Дж. Г., пер.
с англ. — М.: Мир.— 1968.
6. B a r d a k h a n o v S. P., P o t a p k i n A. V. Hysteresis regimes in fuel burning
processing//Proceedings the third Russion-Korean International Symposium on Science and Technology, Korus-99.— Novosibirsk.—1999. Vol. 1.
________________
Рукопись поступила 14/III 2000 г.
76