Физика горения и взрыва №5 2000 (308,00 руб.)

Стр.1

Стр.2

Стр.3

Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, N◦ 5 УПРАВЛЕНИЕ ТЯГОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПРЯМОТОЧНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ АКУСТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ В. К. Баев, Д. Ю. Москвичев, А. В. Потапкин Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, 630090 Новосибирск Экспериментально исследовано влияние резонатора на тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания при вибрационном горении водорода. В качестве камеры сгорания использовалась цилиндрическая труба с конфузорным входом. Ось резонатора перпендикулярна оси камеры сгорания. Показано, что тяговые характеристики камеры сгорания зависят от положения резонатора относительно камеры и от линейных размеров резонатора. В работе [1] описаны результаты исследования горения водорода в прямоточной эжекторной камере сгорания постоянного сечения. Обнаружено, что существует область параметров (расход водорода, положение инжектора), в которой наблюдаются интенсивные акустические колебания с частотой 1500 ч 2000 Гц, хорошо соответствующей характерным временам горения водорода [2] при уровне звукового давления в пределах 120 ч 130 дБ, измеренного относительно эффективного давления 2 · 10−5 Па на расстоянии 75 мм перед входом в камеру сгорания. При описании вибрационного горения воспользуемся терминологией [3, 4], где различаются две стадии вибрационного горения: начальная, характеризующаяся невысоким уровнем звукового давления с частотой колебаний, соответствующей собственной частоте камеры сгорания, и стадия, переход к которой сопровождается резким возрастанием амплитуды пульсаций. В экспериментах [1] было установлено, что в отличие от начальной стадии вибрационного горения, когда уровень звукового давления не превышает 120 дБ и измерения показывают наличие силы сопротивления (т. е. силы, приложенной к камере сгорания и направленной в сторону истечения продуктов сгорания ), переход во вторую стадию горения сопровождается развитием интенсивных пульсаций (≈ 130 дБ) и тяги (силы, направленной навстречу струе продуктов сгорания) при наличии конфузора на входе в камеру сгорания. В результате предварительных экспериментов было установлено, что сила тяги приложена к конфузору и ее величина зависит от формы поверхности конфузора. Основываясь на предположении о возникновении колебаний в результате критических (с точки зрения существования пламени) явлений, было высказано предположение, что увеличение тяги может быть достигнуто размещением на камере сгорания резонатора — полости, замкнутой по отношению к окружающей атмосфере и имеющей открытый выход в зону горения. Эксперименты проведены с резонатором в виде цилиндрической трубки с размещенным внутри поршнем, положение которого изменялось при проведении эксперимента. Ось резонатора перпендикулярна оси камеры сгорания. Резонатор размещался вблизи входа, в середине камеры или вблизи выхода из камеры сгорания [5]. Схемы установки и камеры сгорания с резонатором показаны на рис. 1. Цилиндрическая камера сгорания собиралась из трубчатых элементов, к одному из которых присоединялся резонатор. Перестановка элементов позволяла менять положение резонатора относительно камеры сгорания, при этом длина цилиндрической части камеры сгорания L менялась от 147 до 150 мм. Внутренний диаметр D = 16 мм, внутренняя поверхность конфузора имела форму тора с наибольшим диаметром 35 мм и длиной 17 мм. Камера сгорания с резонатором закреплялась на пантографе так, что имелась возможность только продольного перемещения. 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 измеря3 УДК 536.46+621.43.05

Стр.1

4 Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, N◦ 5 Рис. 1. Схема установки (a). Камера сгорания (б): 1—баллон с водородом, 2—редуктор, 3—манометр, 4—пульт, 5—расходомер, 6—координатник, 7 — инжектор водорода, 8 — резонатор, 9 — камера сгорания, 10 — термопара, 11 — тензовесы, 12 — микрофон, 13 — измерительные приборы, 14 — записывающая аппаратура лась хромель-алюмелевой термопарой, помещенной в факеле, на расстоянии 20 мм за выходом из камеры сгорания. Акустические измерения выполнялись конденсаторным микрофоном М-101. Расход водорода определялся по перепаду давления на гидросопротивлении с помощью преобразователя разности давлений Сапфир-22ДД. Водород подавался в камеру сгорания через иглу инжектора, которая вводилась в камеру на глубину Lи. Все показания приборов записывались на шлейфовом осциллографе Н-117. Типичная регистрограмма показана на рис. 2. Кроме записей изменения параметров в эксперименте, приведены осредненные значения, которые использовались при обработке экспериментальных данных. Вертикальная штрихпунктирная линия делит рисунок на две области: слева от линии — зона увеличения расхода водорода (зона I), справа — зона уменьшения расхода водорода (зона II). Все представленные ниже зависимости относятся к зоне I. сопротивления F− и тяги F+ от объемного расхода водорода Q при температуре водорода На рис. 3,а показана зависимость силы 16 ч 20 ◦C и нормальном атмосферном давлении. Соответственно на рис. 3,б приведены уровни измеренного звукового давления. Данные соответствуют положению инжектора Lи/L = 0,338 и положению поршня в резонаторе Lп/L = 0,736. На кривых уровня звукового давления переход из начальной стадии вибраРис. 2. Регистрограмма: cплошные линии—эксперимент, штриховая линия— осреднение; затемненная область — запись амплитуды звуковых колебаний A, F− —сила сопротивления, F+ — сила тяги, T — температура факела, Q — расход водорода, t—время; I—зона увеличения расхода водорода, II — зона его уменьшения ционного горения во вторую стадию виден как мгновенный рост амплитуды звуковых колебаний A при увеличенииQ. Смещение резонатора вниз по потоку приводило к уменьшению расхода водорода, при котором этот переход наблюдался. На начальной стадии вибрационного горения перемещение резонатора от входа в каме

Стр.2

В. К. Баев, Д.Ю. Москвичев, А. В. Потапкин 5 Рис. 3. Влияние положения резонатора и расхода водорода на тяговые (а) и акустические (б) характеристики камеры сгорания: Lp/L: 1 — 0,274, 2 — 0,502, 3 — 0,724 ру к ее выходу приводило к увеличению звукового давления и снижению сопротивления при неизменном расходе водорода. При неизменном же положении резонатора увеличение расхода водорода приводило к возрастанию сопротивления при росте звукового давления. Противоположная картина наблюдалась за точкой перехода во второй режим горения. Максимальный уровень пульсаций достигался при среднем положении резонатора. В этом режиме наблюдалось трехкратное увеличение тяги по сравнению с тягой в случае размещения резонатора вблизи входа в камеру сгорания (кривые 2 и 1 соответственно). При размещении резонатора вблизи выхода из камеры сгорания возникло сопротивление (кривая 3), а сам резонатор выполнял роль глушителя, так как увеличение расхода водорода сопровождалось снижением звукового давления. Из представленных результатов видно, что с точки зрения получения максимальной тяги наиболее выгоден второй режим вибрационного горения вблизи точки перехода с резонатором, расположенным в средней части камеры сгорания. Причем увеличение расхода водорода, хотя и сопровождаРис. 4. Зависимость тяговых (а) и акустических (б) характеристик камеры сгорания от размеров и положения резонатора: Lр/L: 1 — 0,274, 2 — 0,502, 3 — 0,724 ется ростом амплитуды пульсаций, приводит к медленному нарастанию тяги. Влияние размеров резонатора и его положения на тяговые и акустические характеристики камеры сгорания приведены на рис. 4 при Lи/L = 0,338 и Q = 2,5 дм3/с. В случае расположения резонатора вблизи входа в камеру сгорания (кривая 1) изменение размеров резонатора приводило к последовательной смене тяги на сопротивление. В диапазоне Lп/L = 0,52÷0,74 наблюдалось развитие тяги до F+ = 0,15 Н, что соответствует максимальным амплитудам пульсаций. При Lп/L > 0,74 снижение амплитуды пульсаций сопровождалось уменьшением тяги. Аналогичная картина наблюдалась при расположении резонатора в средней части камеры сгорания (кривая 2) при более резких переходах от сопротивления к тяге, и при этом сопротивление и тяга были примерно в три раза больше, чем в предыдущем случае. Максимум тяги достигался в диапазоне Lп/L = 0,70 ч 0,74, что также согласуется с максимумом амплитуды

Стр.3