3.2. Основные понятия о процессе горения топлива

Количество действительно подведенного к топливу воздуха в двигателе, как правило, отличается от теоретически необходимого. Их соотношение характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

Если действительное количество воздуха меньше необходимого, такая смесь называется богатой (топливом), если наоборот - бедной.

При составе смеси, близком оптимальному (коэффициент избытка воздуха равен 1), температура горения достигает максимального значения. Обогащение смеси приводит к снижению температуры продуктов сгорания за счет затраты тепла на нагрев и испарение лишнего топлива (не участвующего в процессе горения), а обеднение - за счет затраты тепла на нагрев лишнего воздуха.

В общем случае смесь топлива с воздухом может быть гомогенной (когда топливо полностью испарилось) или гетерогенной, когда в ней присутствуют неиспарившиеся капли топлива. Кроме того смесь может быть однородной, когда значение коэффициента избытка воздуха во всех точках занятого ею объема одинаково, и неоднородной, если он меняется от точки к точке.

Горение топливовоздушной смеси в двигателе представляет собой сложный физико-химический процесс, который можно условно рассматpивать состоящим из последовательно протекающих процессов распыления топлива, его испарения, смешения паров топлива с воздухом, воспламенения образовавшейся горючей смеси и собственно химической реакции окисления (горения). В действительности указанные процессы протекают не строго последовательно, а в значительной степени одновременно, оказывая существенное влияние друг на друга. Тем не менее такое разделение позволяет лучше уяснить сущность сложного процесса горения и проанализировать достаточно полно влияние на него различных внешних факторов.

Кроме того, основанием для такого разделения служит тот факт, что воспламенение и сгорание топлива в ГТД происходят исключительно в газовой фазе, т.е. только после испарения и смешения его паров с воздухом. Рассмотрим подробнее некоторые из этих процессов.

Р а с п ы л и в а н и е представляет собой процесс дробления жидкого топлива на мелкие капли. При уменьшении среднего диаметра капель общая их поверхность увеличивается, что ускоряет прогрев и испарение жидкости и облегчает последующий процесс смешения. В ГТД распыливание происходит в процессе впрыска топлива под давлением через форсунки. Вытекающая из форсунки струя топлива распадается на капли под воздействием внешних сил сопротивления среды, в которую производится впрыск, и внутренних сил, обусловленным турбулентным движением, возникающим в самой струе при ее течении. Интенсивность действия внешних (аэродинамических) сил зависит от скорости истечения, которая определяется прежде всего перепадом давлений на форсунках, и от плотности той среды, в которую производится впрыск топлива. При увеличении скорости истечения (перепада давления на форсунке) и повышении плотности среды распыл улучшается. Внутренние силы также зависят от скорости истечения из форсунки и, кроме того, от диаметра струи, формы и состояния поверхности каналов ее сопла. Они могут быть усилены искусственно путем закрутки топлива в распылителе, а в некоторых случаях - столкновением отдельных струй.

В ГТД применяются как струйные, так и центробежные форсунки. Струйные форсунки создают довольно узкий факел распыла - угол конуса струи составляет обычно 15-20 град. Они находят применение главным образом в форсажных камерах сгорания. Центробежные форсунки широко применяются в камерах сгорания ГТД, так как позволяют получить хороший распыл при сравнительно невысоких давлениях впрыска.

Угол конуса струи в центробежных форсунках составляет обычно 90-120 град. Значения угла конуса струи и длины факела распыла зависят от размеров и формы каналов и сопла форсунки и (в меньшей мере) от давления топлива. Засорение форсунки может существенно повлиять на эти параметры и соответственно на качество процесса смесеобразования, так как они определяют характер распределения капель топлива в потоке воздуха.

И с п а р е н и е распыленного топлива сопровождается поглощением тепла. Скорость испарения распыленного топлива определяется интенсивностью подвода тепла от воздуха к каплям и скоростью отвода от них образовавшегося пара, т.е. в конечном счете температурой воздуха, скоростью его движения относительно капли, размером капель и давлением насыщенных паров топлива.

С м е ш е н и е паров топлива с воздухом происходит путем диффузии и в значительной мере вследствие турбулентного перемешивания макрочастиц потока. Скорость протекания процесса смешения и степень однородности смеси в конечном счете определяются первоначальным распределением капель топлива в воздушном потоке и интенсивностью вихревых течений воздуха.

В о с п л а м е н е н и е горючей смеси при запуске двигателя происходит от постороннего источника пламени (электрической свечи, вспомогательного факела пламени и т.д.). В последующем свежая смесь воспламеняется от факела пламени, непрерывно существующего в камерах сгорания.

Опыт показывает, что образование начального очага пламени не всегда ведет к воспламенению всей смеси. При слишком богатой и слишком бедной смеси тепловыделение оказывается недостаточным для нагревания соседних слоев до температуры воспламенения. В результате пламя, возникшее у источника зажигания, гаснет. Предельные значения коэффициента избытка воздуха, при которых пламя от источника зажигания еще может распространяться по объему смеси, называют пределами воспламеняемости смеси.

Пределы воспламеняемости однородных гомогенных смесей авиационных топлив с воздухом составляют 0,5...1,7.

Х и м и ч е с к а я р е а к ц и я г о р е н и я, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и образованием видимого пламени, протекает со скоростью, зависящей, главным образом, от состава смеси и ее температуры. С увеличением температуры скорость реакции резко возрастает. Повышение давления также ведет к росту скорости реакции.

Важное значение для правильного понимания особенностей рабочего процесса камер сгорания имеет знание законов распространения пламени в горючих смесях.

Рассмотрим вначале особенности распространения пламени в гомогенной однородной смеси. Пусть заранее подготовленная газообразная горючая смесь находится в длинной стеклянной трубке и поджигается у одного из ее концов. Около воспламенителя образуется очаг пламени, которое затем начинает распространяться по смеси. Наблюдения показывают, что вдоль трубки распространяется узкая светящаяся зона, называемая фронтом пламени. Перемещение пламени по смеси происходит от слоя к слою путем их последовательного поджигания, вызванного совместным влиянием нагрева вследствие теплопроводности и излучения и процесса диффузии активных центров из фронта пламени. Химическая реакция и предшествующий ей разогрев свежей смеси происходят в весьма тонком слое смеси. Поэтому фронт пламени практически представляет собой поверхность, которая отделяет несгоревшую смесь от продуктов сгорания и распространяется в пространстве по нормали к каждому элементу этой поверхности.

Скорость распространения фронта пламени относительно нетурбулизированной свежей смеси называется нормальной скоростью горения. Она зависит в основном от рода топлива, состава и начальной температуры смеси.

Максимальная скорость распространения пламени достигается для большинства топлив при значениях коэффициента избытка воздуха, близких к 0,85-0,95, а при его увеличении или уменьшении падает. Предельные значения коэффициента избытка воздуха, при которых пламя может распространяться, близки к пределам воспламенения (0,5...1,7).

Если горючая смесь движется, то до тех пор пока ее течение имеет ламинарный характер, скорость распространения пламени относительно смеси остается практически равной нормальной скорости горения. В турбулентном потоке картина существенно меняется. Турбулентность, с одной стороны, ускоряет процесс передачи тепла и диффузию активных центров от пламени к свежей смеси, а с другой, искривляя фронт пламени, резко увеличивает его поверхность, повышая тем самым объем смеси, вовлекаемый в процесс горения в единицу времени. При большой степени турбулентности фронт пламени разрывается и от него отделяются небольшие объёмы, которые, проникая в свежую смесь, воспламеняют ее, еще больше ускоряя процесс. Горение идет уже в некотором объеме, называемом зоной горения.

Скорость распространения пламени в турбулентном потоке зависит не столько от физико-химических свойств смеси, сколько от степени турбулентности. Степень турбулентности потока в камерах сгорания двигателей такова, что скорость турбулентного распространения пламени в них во много раз больше нормальной скорости горения.

В камерах сгорания ГТД топливовоздушная смесь образуется непосредственно вблизи зоны горения. В зависимости от расстояния между форсункой и зоной горения, среднего размера капель (тонкости распыливания), сорта топлива, температуры, давления и скорости потока доля топлива, успевшего испариться до поступления смеси в зону горения, может быть различной. В общем случае в зону горения поступает неоднородная топливовоздушная смесь с частично не успевшими испариться каплями топлива, т.е. гетерогенная смесь.