Механизмы и условия возбуждения автоколебаний газа в установках с горением

Процесс самовозбуждения акустических колебаний газа, когда ему сообщается теплота, выделяемая при горении или путем теплопередачи от нагретых тел, известен с работ Хиггинса, Рэлея, Рийке, Зондхаусса. В литературе это явление называют также вибрационным, или пульсационным горением, неустойчивостью горения, термическим возбуждением звука, термоакустическими колебаниями [1−3, 5,6].

В камерах сгорания ракетных и газотурбинных двигателей колебания могут привести к частичному или полному разрушению элементов конструкции. Поэтому обеспечение устойчивости процесса горения является серьезной и актуальной проблемой, требующей больших материальных затрат, и занимает значительную часть времени в общей доводке двигателей.

В то же время установлено, что в колеблющихся потоках происходит существенное ускорение различных тепломассообменных процессов, увеличение теплонапряженности топочного объема, улучшение полноты сгорания топлива по сравнению с равномерным, устойчивым режимом горения. Эти преимущества могут быть использованы в энергетических установках, в которых амплитуда колебаний будет не такой большой, чтобы привести к каким-то серьезным последствиям.

В связи с ограниченными запасами природного топлива одной из главных задач энергетики является разработка эффективных, энергосберегающих способов сжигания основных видов топлива. Интенсификация процесса горения колебаниями — одно из возможных решений проблемы.

Другой современный аспект применения вибрационного горения связан с проблемой утилизации промышленных и бытовых отходов. Использование вибрационного режима горения является одним из перспективных направлений, поскольку одновременно решаются две задачи — получение энергии за счет сжигания отходов и их частичное или полное уничтожение. Кроме того, при вибрационном горении уменьшается содержание ряда токсичных веществ, содержащихся в продуктах сгорания, что очень важно с точки зрения экологии окружающей среды.

Одним из факторов, сдерживающих применение устройств вибрационного горения на практике является недостаточная теоретическая база для проведения расчетов на стадии проектно-конструкторских работ. Имеющиеся устройства, как правило, результат научно-технической интуиции их создателей и последующей кропотливой опытно-конструкторской доработки.

Фундаментальные исследования автоколебаний газа в установках с источниками теплоты и массы выполнили Рэлей, Б. В. Раушенбах, М. С. Натанзон, А. Д. Марголин, С. А. Абруков, М. А. Ильгамов, В. Н. Подымов, В. И. Кондратьев, L. Crocco, D.T. Harrje, F.H. Reardon, HJ. Merk, A.A. Putnam, N. Rott и другие.

Результаты многочисленных исследовательских и прикладных работ нашли отражение в ставших классическими книгах J1. Крокко и Чжень Синь-и, Б. В. Раушенбаха, М. С. Натанзона, F.H. Reynst, В. Н. Подымова, B.C. Северянина и Я. М. Щелокова, В. Г. Базарова и A.B. Андреева, под редакцией Г. Ф. Кнорре, Дж. Маркштейна, Д. Т. Харье и Ф. Г. Рирдона, а также в трудах ряда отечественных конференций и международных симпозиумов по вибрационному, пульсационному горению.

Недавно вышли монографии A.B. Андреева, В. А. Лебедева, В. М. Чепкина и М. А. Ильченко, В. В. Критченко, Ю. С. Мнацаканяна, Н. М. Кинкэ, A.C. Рудакова, А. Н. Руденко, Е. А. Фоломеева, B.JI. Эпштейна, в которых систематизированы работы российских ученых по изучению и отработке устойчивости процесса горения в двигателях летательных аппаратов.

Выдающуюся роль в развитии теории вибрационного горения сыграли труды Б. В. Раушенбаха, М. С. Натанзона, H.A. Аккермана, B.JI. Эпштейна, L. Crocco, H.J. Merk, A.A. Putnam, которые ввели в рассмотрение феноменологическое время запаздывания горения, передаточные функции для описания нестационарных процессов в зоне горения, разработали модель, в которой реальная зона горения заменяется плоскостью разрыва с расположенными на ней источниками теплоты и массы. Такой подход позволил решить целый ряд линейных задач по определению границ неустойчивости и частот колебаний, возникающих в классических лабораторных установках и промышленных камерах сгорания. Однако, разработка теоретической модели, которая позволит с единых позиций изучать термоакустические колебания в типовых установках (труба, резонатор Гельмгольца, емкость-труба, две последовательно соединенные трубы) осталась нерешенной задачей.

Для нахождения амплитуды установившихся колебаний газа, которая в первую очередь влияет на интенсификацию процессов горения и теплообмена необходимо учитывать нелинейный характер изучаемого явления. Такие задачи являются чрезвычайно сложными, так как приводят к необходимости исследовать не просто нелинейные колебания газа, а их взаимодействие с тепловым источником, теплоотдача которого — тоже нелинейный процесс, а в установках с горением — цепочка взаимосвязанных нелинейных процессов.

Методы численного анализа пока не нашли должного применения из-за трудностей, с которыми приходится сталкиваться при постановке и разработки алгоритмов решения задач теории автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

Имеется несколько аналитических подходов к решению нелинейных задач теории термоакустических колебаний. Один из них приводит к необходимости решать волновое уравнение, в правой части которого находится нелинейная функция, описывающая влияние колебаний давления или скорости газа на скорость теплоотдачи источника. Граничные условия, как правило, тоже нелинейные. Используются методы теории нелинейных колебаний. Другой подход основан на анализе соотношений, связывающих акустические возмущения параметров потока на границах области теплоподвода с учетом нелинейной зависимости скорости тепловыделения от акустического давления или скорости. В результате получается система нелинейных алгебраических уравнений, которая решается только численными методами. Методики расчета, основанные на этих подходах, — весьма громоздкие, так как включают последовательное решение ряда задач: исследование собственных колебаний газа (начальное приближение), определение частоты колебаний линейного приближения и границ неустойчивости, анализ условий самовозбуждения колебаний, и только после этого, определение частоты и амплитуды установившихся колебаний с заданной точностью.

Сравнительно простым и наглядным с физической точки зрения является энергетический подход, который использовали в своих работах Б. В. Раушенбах, М. С. Натанзон, К. И. Артамонов, В. И. Фурлетов, Р. Г. Галиуллин, A.A. Putnam, N. Rott. Однако, возможности этого подхода для определения амплитуды автоколебаний в установках с источниками теплоты и массы пока мало изучены.

При исследовании термоакустических колебаний обычно считается, что поток газа состоит из двух частей — холодной и горячей, разделенных плоскостью, в которой происходит скачок температуры, а ее распределение по оси канала имеет ступенчатый характер. В достаточно длинных камерах сгорания, а также при наличии охлаждающих устройств, температуры газа в зоне горения и на выходе из установки значительно отличаются. Появляется продольный градиент скорости звука, учет которого, а также присутствия в потоке плохообтекаемого тел — стабилизаторов пламени, вносит существенные изменения в постановку задач исследования термоакустических колебаний. В настоящее время не разработана методика, которая сравнительно просто позволила бы, во-первых, проводить расчеты границ неустойчивости, частот и амплитуд автоколебаний газа в конкретных типовых установках с тепловыми источниками и, во-вторых, построить обобщенную теоретическую модель термоакустических колебаний. Есть основания полагать, что энергетический подход даст возможность решить эти задачи. Энергетическое условие, соответствующее границе неустойчивости и колебаниям с установившейся амплитудой, — одинаковое и заключается в равенстве акустической энергии, генерируемой тепловым источником, ее потерям. Появляется возможность упростить расчеты, так как условия, соответствующие границе неустойчивости (когда амплитуда колебаний равна нулю), автоматически определяются в процессе вычисления амплитуды установившихся колебаний. Энергетическое условие записано в общем виде, входящие в него акустические энергии определяются по одной и той же классической формуле гидродинамики для потока энергии, а вычисления не вызывают каких-либо затруднений.

Обширные исследования акустической неустойчивости горения в ракетных и реактивных двигателях были выполнены в НПО «Сатурн» под общим руководством академика А. Н. Люльки и Генерального конструктора, д.т.н. В. М. Чепкина.

В последние годы интенсивная работа по созданию и внедрению камер пульсирующего горения ведутся в акустической лаборатории КФВАУ совместно с теплофизиками Казанского государственного университета.

Для исследования автоколебаний газа, возникающих при горении в промышленных камерах сгорания, широко используются лабораторные и стендовые модели, которые позволяют с наименьшими материальными затратами изучить интересующие аспекты вибрационного горения, оценить выдвигаемые гипотезы о механизмах обратной связи автоколебаний и результаты расчетов. Ряд моделей камер сгорания ГТД предложили.

A.B. Андреев, Ю. П. Марчуков, Е. Ю. Марчуков, В. Н. Подымов, В. М. Ларионов, устройств вибрационного горения твердого топлива — B.C. Северянин,.

B.Н. Подымов, Т. П. Назаренко, Ф. Н. Имамутдинов, A.B. Кочергин, Г. И. Павлов и другие. Возникла необходимость детального экспериментального исследования автоколебаний газа в этих установках.

В диссертации изложены результаты работ автора, выполненных в Казанском государственном университете, в рамках научного направления «Физика конденсированного состояния», а также по договорам с НПО «Сатурн» и ОАО «Казанский вертолетный завод».

Цель работы:

1. Разработка методик расчета границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний газа в типовых установках вибрационного горения, создание обобщенной теоретической модели автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

2. Определение механизмов и условий возбуждения автоколебаний газа на основании результатов измерений, выполненных на лабораторных моделях камер сгорания ГТД и установок для сжигания твердого кускового топлива.

Анализ экспериментальных и теоретических работ по теме диссертации, обоснование и формулировка задач исследования приводятся в главе 1.

Теоретическая часть работы изложена в Главах 2−5 и является основным содержанием диссертации. Известно, что любая автоколебательная система включает собственно колебательную систему и источник энергии, которые взаимодействуют между собой. Исходя из этого общего представления, а также с учетом основных положений энергетического подхода к изучению термоакустических колебаний были рассмотрены следующие вопросы:

1. Исследование собственных колебаний газа в основных типовых устройствах с учетом продольного градиента скорости звука и влияния плохообтекаемых тел. Анализ причин, приводящих к потерям акустической энергии.

2. Изучение процесса генерации акустической энергии областью теплоподвода вследствие воздействия колебаний скорости потока и давления на тепловой источник.

3. Анализ соотношения между акустической энергией, получаемой газом от источника, и ее потерями. Определение условий, при которых периодический теплоподвод к газу приводит к самовозбуждению акустических колебаний, а с течением времени к колебаниям с установившейся частотой и амплитудой.

В общем виде, но отдельно для трубы и установок типа емкость-труба, были получены выражения, на основании которых предложена методика проведения расчетов по определению границ неустойчивости, частот и амплитуд автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

Для оценки эффективности разработанной методики были выполнены расчеты для конкретных типовых установок, в которых теплота, необходимая для возбуждения колебаний, выделялась в результате сгорания топлива. Учитывалась степень изученности механизмов обратной связи автоколебаний, возможность их математического описания, чтобы сократить количество используемых эмпирических зависимостей и констант, а также практическая значимость. Исследовалось вибрационное горение предварительно подготовленной топливно-воздушной смеси. Использовались типовые установки с многоканальной горелкой (газовой форсункой) на входе и труба, в которой горение происходило за плохообтекаемым телом. Такие устройства широко применяются для изучения вопросов, относящихся к возбуждению акустических колебаний в камерах сгорания двигательных установок. Были получены экспериментальные данные, необходимые для оценки результатов вычислений, а также для определения значений некоторых величин, расчет которых вызывает серьезные затруднения.

Обобщение теоретических результатов предполагалось выполнить с целью разработки единого подхода к исследованию термоакустических колебаний в типовых установках. Предложено обобщенное устройство, состоящее из двух последовательно соединенных труб. Применение разработанной методики позволило получить обобщенные уравнения для анализа границы неустойчивости и определения частоты колебаний газа, а также обобщенную формулу для амплитуды установившихся колебаний давления в трубе, устройствах типа емкость-труба, а также в установках, занимающих промежуточное положение.

В главе 2 рассматриваются продольные колебания газа в трубе, устройствах типа емкость-труба. В отличие от работ других авторов учитывается понижение температуры газа и скорости звука после скачкообразного увеличения в плоскости теплоподвода. Аналитически решено волновое уравнение для газа, в котором скорость звука уменьшается по линейному закону. Получено обобщенное уравнение для расчета частот собственных колебаний газа в трубе с произвольными условиями на концах, произвольным расположением плоскости теплоподвода, с учетом акустического сопротивления плохообтекаемых тел, используемых для стабилизации пламени. На примере трубы, открытой на концах, и трубы, закрытой на входе, открытой на выходе, показано, что усреднение скорости звука в горячей части потока является некорректной операцией. В общем виде решена задача по определению частот колебаний газа в установках, состоящих из акустической емкости, в которой расположен тепловой источник, и трубы, включая устройства типа резонатора Гельмгольца. В заключение дан анализ причин приводящих к потерям акустической энергии, приведены формулы для количественной оценки потерь, связанных с поглощением звука на стенках и с его излучением на открытом конце трубы.

В главе 3 в результате линеаризации уравнений сохранения импульса и энергии получены соотношения, связывающие акустические возмущения параметров течения газа до и после области теплоподвода, имеющей свойства акустической емкости. Показано, что частным случаем найденных выражений являются уравнения, соответствующие модели Раушенбаха-Мерка для трубы постоянного сечения, содержащей плоскость теплоподвода. В общем виде получена формула для акустической энергии, генерируемой областью теплоподвода под воздействием акустических колебаний газа. Задача по определению амплитуды автоколебаний решалась в «квазилинейном» приближении. Считалось, что фазовый сдвиг между колебаниями скорости тепловыделения и колебаниями скорости потока на входе в область теплоподвода такой же, как и в линейном случае. Амплитуды колебаний указанных параметров связаны соотношением, в котором к линейной части добавлен дополнительный отрицательный член, пропорциональный квадрату амплитуды колебаний скорости потока, что позволяет учесть замедление темпа генерации акустической энергии по мере увеличения амплитуды колебаний газа. Аналогично связывались амплитуды колебаний давления и скорости газа на концах колебательной системы, где происходит излучение звука. В этом случае дополнительный член имеет положительный знак и отражает тот факт, что при усилении колебаний доля акустической энергии, излучаемой из системы, возрастает. Пристеночные потери определялись в линейной постановке. С учетом выражений для акустических возмущений, полученных во второй главе, выделяемая акустическая энергия и ее потери были представлены формулами, в которых они зависят от одного и того же параметра — амплитуды колебаний давления в области теплоподвода. Из анализа соотношения между получаемой и теряемой газом акустической энергии в линейном приближении было получено условие (критерий) самовозбуждения колебаний газа и уравнение границы неустойчивости, а с учетом нелинейных эффектов — формула для амплитуды установившихся колебаний давления в области теплоподвода. Задача по определению частоты термоакустических колебаний в трубе и устройстве типа емкость-труба решалась раздельно из-за существенного отличия акустических свойств этих систем. Находилась мнимая часть «характеристического» уравнения, которое является следствием соотношений, связывающих акустические возмущения параметров газа на входе и выходе из области теплоподвода. В общем виде получены выражения, определяющие частоты колебаний газа в типовых устройствах. На основании проведенного анализа предложен «комбинированный» метод исследования автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками, который является результатом развития и синтеза энергетического подхода и метода, связанного с анализом характеристического уравнения автоколебательной системы.

В главе 4 содержатся приложения общей теории, разработанной в предыдущей главе, к исследованию вибрационного горения в трубе, резонаторе Гельмгольца и устройстве типа емкость-труба с многоканальной горелкой на входе. Была разработана кинематическая модель переходного процесса пламени при скачкообразном изменении скорости истечения однородной газообразной смеси, истекающей из круглого отверстия и определена передаточная функция пламени.

Комбинированным методом были рассчитаны, а также определены экспериментально зависимости границ неустойчивости, частот и амплитуд колебаний давления в зоне горения от состава пропано-воздушной смеси и характерных геометрических параметров каждого типового устройства. Результаты вычислений количественно согласуются с экспериментальными данными.

В первой части главы 5 исследуется самовозбуждение колебаний газа в трубе при горении пропано-воздушной смеси за плохообтекаемым телом. В предположении, что причиной, вызывающей вибрационное горение, является волнообразование начального, ламинарного участка фронта пламени, была разработана кинематическая модель колеблющегося плоского пламени и определена его передаточная функция. Для трубы, акустически закрытой на входе, содержащей стабилизатор пламени, имеющий форму клина, были получены экспериментальные данные о влиянии состава смеси и скорости обтекания стабилизатора на границы неустойчивости, найдены частоты возбуждаемых колебаний. Аналогичное исследование было выполнено комбинированным методом. Результаты вычислений и измерений количественно согласуются.

Вторая часть главы 5 посвящена обобщению результатов, полученных для основных типовых устройств. Рассматривается установка, состоящая из двух последовательно соединенных труб. В первой, более широкой трубе, расположена плоскость теплоподвода. Горячий газ выходит через вторую, более узкую, резонансную трубу. Так как импедансы на концах труб не конкретизируются, размеры труб — произвольные, схема отражает основные характерные признаки промышленных камер сгорания, устройств вибрационного полезного назначения и лабораторных установок для проведения физических экспериментов. Показано, что при соответствующем выборе геометрических параметров труб установка трансформируется в одну трубу, устройство, состоящее из акустической емкости и трубы, резонатор Гельмгольца. На основании теоретических положений, изложенных во второй и третьей главах, получены обобщенные уравнения, определяющие границы неустойчивости и частоты колебаний, а также формула для амплитуды установившихся колебаний давления в плоскости теплоподвода (зоне горения). Нет необходимости начинать исследование термоакустических колебаний в какой-нибудь установке с выяснения, какого она типа. Тем более, что это связано с неопределенностью количественной оценки условий, при которых получается тот или иной тип устройства. Полученные обобщенные выражения позволяют избежать указанных затруднений.

В главе 6 приведены результаты экспериментальных исследований, имеющих конкретную практическую направленность. Были изучены особенности самовозбуждения колебаний газа в двухконтурной модели камеры сгорания ГТД. Установлено, что вибрационное горение возникает при определенных соотношениях расхода воздуха, поступающего из второго (внешнего) контура, и расхода топлива, вводимого в поток газа, выходящего из первого контура. Подтверждена гипотеза о том, что уменьшая расход воздуха во внешнем контуре и подавая недостающее количество воздуха за стабилизатор пламени, можно сократить область значений параметров, при которых возникает неустойчивость процесса горения.

Была создана одноконтурная лабораторная модель камеры ГТД для исследования влияния впрыска водяного пара на устойчивость процесса горения. Пар вводился в поток топливно-воздушной смеси до стабилизатора пламени и в рециркуляционную зону, причем конструкция стабилизатора такова, что пар мог подаваться вдоль створок стабилизатора и по центру рециркуляционной зоны.

Введение

пара любым из перечисленных способов повышает устойчивость процесса горения. Впрыск пара в центр рециркуляионной зоны оказался наиболее эффективным. В этом случае удалось полностью устранить колебания газа. На основании полученных результатов совместно с конструкторским бюро НПО «Сатурн» была разработана экспериментальная (стендовая) камера сгорания, а также предложен ряд новых технических решений, обеспечивающих устойчивость процесса горения в промышленных установках.

Исследование вибрационного горения твердого кускового топлива в трубе и установке типа емкость-труба показало, что процессы самовозбуждения колебаний в рассматриваемом случае и в установке «капиллярное поющее пламя» аналогичны и имеют диффузионный характер. Обнаружено, что автоколебания газа могут иметь «жесткий» характер возбуждения. Для этого нет необходимости в начальном импульсе давления, а достаточно, чтобы амплитуда автоколебаний, возникающих «мягко» (в результате усиления бесконечно малых акустических возмущений), достигла некоторого критического значения. «Жесткий» режим приводит к более интенсивному горению топлива, чем «мягкий». Для установки типа емкость-труба найдены условия, при которых амплитуда автоколебаний газа максимальна, а режим горения — наиболее интенсивный. Результаты выполненного исследования были использованы при разработке печей типа трубы и емкость-труба для огневой утилизации твердых производственных отходов ОАО «Казанский вертолетный завод».

Важным, с практической точки зрения, приложением теории, изложенной в главах 2 и 3, являются формулы для действительной и мнимой части передаточной функции зоны горения в трубе, открытой на концах. На их основании предложен простой, по сравнению с имеющимися, метод экспериментального определения этой функции и дана его иллюстрация на примере горения образцов из органического стекла. Открываются широкие возможности для исследования влияния акустических колебаний на скорость тепловыделения при горении различных видов топлива, построения теоретических моделей вибрационного горения, необходимых для проектирования и создания энергетических установок с вибрационным режимом горения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методики расчетов частот продольных колебаний газа в трубе и установках типа емкость-труба с учетом градиента температуры и наличия плохообтекаемых тел.

2. Теоретический подход к исследованию автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками. Методика и алгоритм проведения расчетов границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний газа в типовых установках с горением.

3. Физические механизмы и математические модели колебаний пламени однородной смеси, истекающей из отверстия, и при обтекании стабилизатора.

4. Обобщенная теоретическая модель автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

5. Результаты экспериментального исследования акустической неустойчивости горения на лабораторных моделях камер сгорания ГТД и рекомендации по устранению колебаний.

6. Экспериментальные данные и физические механизмы возбуждения колебаний газа при горении твердого топлива в трубе и установке типа емкость-труба.

7. Метод определения передаточных функций процесса горения и его обоснование.

Научная новизна диссертации, в целом, состоит в том, что в результате развития энергетического подхода разработана новая методика решения общих и прикладных задач теории автоколебаний газа в энергетических установках с тепловыми источниками. На моделях камер сгорания ГТД и установок для сжигания твердого топлива обнаружены и исследованы ранее неизвестные особенности возбуждения колебаний газа при подводе теплоты, выделяющейся в результате сгорания топлива.

Новым в работе является следующее:

1. Постановка, теоретическое решение задачи и результаты экспериментального исследования собственных, продольных колебаний газа в трубе и установке «емкость-труба» с учетом охлаждения газа и влияния плохообтекаемых тел.

2. Общий алгоритм и методики расчетов границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний давления при вибрационном горении в основных типовых установках.

3. Теоретические модели колебаний пламени при горении однородной смеси за стабилизатором и в случае ее истечения из отверстия.

4. Обобщенная теоретическая модель автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

5. Впервые на лабораторных установках смоделирован и изучен процесс возбуждения колебаний газа в форсажной камере двухконтурного ТРД. Установлено, что наиболее эффективным средством, обеспечивающим устойчивость процесса горения, является подача пара в рециркуляционную зону стабилизатора пламени.

6. Обнаружен эффект постепенного перехода от автоколебаний с «мягким» самовозбуждением к режиму, который соответствует «жесткому», нелинейному характеру возбуждения колебаний газа при горении твердого топлива в трубе.

7. Теоретическое обоснование и примеры использования нового, сравнительно простого метода экспериментального определения передаточной функции зоны горения.

Достоверность полученных результатов. Теоретические модели разрабатывались на основе фундаментальных физических законов и уравнений, основополагающих результатов, полученных ранее другими учеными. Применялись строгие математические методы и надежное программное обеспечение. Результаты расчетов подвергались тщательной экспериментальной проверке. Использовались аттестованные приборы, апробированные методики получения данных, обработки результатов измерений, оценки их точности.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанный в диссертации теоретический подход, обобщенную модель термоакустических колебаний можно оценить как заметный вклад в общую теорию автоколебаний газа в установках с источниками теплоты и массы. Предложенные методики проведения расчетов и экспериментальные данные являются необходимой основой для создания энергетических установок с вибрационным режимом горения топлива, в частности печей для утилизации твердых промышленных и бытовых отходов. Результаты исследования неустойчивости горения на лабораторных моделях газотурбинных двигателей дали возможность разработать рекомендации по обеспечению устойчивости рабочего процесса в промышленных установках.

Реализация результатов. На основании результатов лабораторных исследований, разработанных рекомендаций и последовавших стендовых испытаний были разработаны конкретные меры по устранению автоколебаний газа в камерах сгорания энергетических установок, выпускаемых НПО «Сатурн». Комбинированный метод и полученные в работе экспериментальные данные были использованы при создании опытного промышленного образца печи для утилизации отходов ОАО «Казанский вертолетный завод», воздухоподогревателя электромоторного оборудования ГУП «Татвториндустрия». Автор выражает признательность A.B. Андрееву, Е. Ю. Марчукову, И. С. Бугакову, О. Х. Ягофарову, Г. И. Павлову за содействие в практической реализации результатов работы.

Теоретические разработки и лабораторные установки используются в учебных курсах «Устойчивость теплофизических систем с горением»,.

Гидродинамика горения", читаемых автором на физическом факультете Казанского государственного университета.

Пути дальнейшей реализации. Разработанный в диссертации теоретический подход открывает широкие возможности для исследования автоколебаний газа, возникающих при горении в установках более сложных типов — сдвоенные, коаксиальные камеры сгорания, устройства с многоступенчатым сжиганием (дожиганием) топлива и пр. Полученные обобщенные уравнения и формулы дают возможность проводить расчеты, необходимые для проектирования и создания промышленных установок вибрационного горения различного назначения, в том числе для утилизации промышленных и бытовых отходов. Рекомендации по устранению колебаний в камерах сгорания ГТД могут быть использованы при разработке мер по обеспечению устойчивости процесса горения в двигателях новых поколений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных межвузовских конференциях «Газотурбинные и комбинированные установки» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1986, 1991 гг.), V и VI Международных конференциях «Нелинейные колебания механических систем» (Н. Новгород, 1999, 2002 гг.), III и V Международные конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Москва, 2000 г., Самара, 2004 г.), XIII — XVI Всероссийских конференциях «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 1999;2004 гг.), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.), VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» (Казань, 2002 г.), XVI сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды (Казань, 2002 г.), Международной конференции «Advanced Problems in Thermal Convection» (Пермь, 2003 г.), ежегодных итоговых конференциях Казанского государственного университета.

Содержание диссертации отражено в 34 основных работах. Из них — 1 монография, 1 методическая разработка, 16 статей, 5 авторских свидетельств, 11 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Научные положения и результаты выполненной работы можно квалифицировать как крупное научное достижение, развивающее общую теорию автоколебаний газа в установках с источниками теплоты и массы, позволяющее решать такие важные практические задачи, как: обеспечение устойчивости процесса горения в газотурбинных двигателяхсоздание энергетических установок, работающих в автоколебательном режиме горения. Основные результаты и выводы:

1. Разработаны методики расчетов собственных частот продольных колебаний газа в трубе, установках типа емкость-труба с учетом линейного распределения скорости звука в горячем газе и при наличии плохообтекаемых тел. Установлено, что при непрерывном перемещении пламени вдоль трубы частоты изменяются не монотонно — имеются максимумы и минимумы, а влиянием плохообтекаемых тел на частоты колебаний можно пренебречь, если степень перекрытия сечения трубы меньше 0.85. Показано, что только с учетом градиента скорости звука в горячем газе результаты вычислений качественно и количественно согласуются с экспериментальными данными.

2. Построены кинематические модели колебаний пламени и определены его передаточные функции при горении однородной смеси, истекающей из отверстия и обтекающей стабилизатор.

3. На основании энергетического подхода, в квазилинейном приближении разработана новая методика расчета границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний давления в типовых установках с тепловыми источниками. Результаты вычислений, полученные для устройств с многоканальной горелкой на входе и при горении за стабилизатором пламени в трубе, качественно и количественно согласуются с экспериментальными данными.

4. Показано, что труба, устройство типа емкость-труба с тепловыми источниками являются частными случаями установки, состоящей из двух последовательно соединенных труб, в одной из которых, более широкой, расположена плоскость теплоподвода. Разработана обобщенная теоретическая модель, позволяющая с единых позиций проводить расчеты границ неустойчивости, частот и амплитуд автоколебаний газа не только в типовых энергетических установках, но и в тех, которые занимают промежуточное положение.

5. Экспериментально обоснованы и реализованы на практике следующие рекомендации по устранению автоколебаний газа в камерах сгорания газотурбинных двигателей: впрыск водяного пара в количестве, примерно равном расходу топлива, и перепуск из внешнего контура около 0.1 общего расхода воздуха в рециркуляционную зону за стабилизатор пламенисмещение створок стабилизатора в осевом направлении относительно друг друга.

6. Установлено, что при горении твердого топлива в трубе и установке типа емкость-труба самовозбуждение колебаний газа происходит «мягко», вследствие периодического тепловыделения, вызванного колебаниями скорости воздуха, обтекающего слой топлива. Обнаружены прямой и обратный переходы между «мягким» и «жестким» режимами автоколебаний газа в трубе.

7. Теоретически и экспериментально обоснован простой, по сравнению с имеющимися, метод определения передаточной функции зоны горения. Показано, что для этого достаточно найти координаты, характеризующие положения зоны горения, между которыми наблюдаются автоколебания газа в открытой на концах трубе, измерить соответствующие частоты колебаний и подставить их в полученные формулы для действительной и мнимой части передаточной функции.