7.3. Основные закономерности процесса горения топлива

Горение топливо-воздушной смеси в двигателе представляет собой сложный физико-химический процесс, который можно условно рассматривать состоящим из последовательно протекающих процессов:

а) распыливания топлива;

б) его испарения;

в) смешения паров топлива с воздухом;

г) воспламенения образовавшейся горючей смеси, т.е. химической реакции окисления (горения).

В действительности указанные процессы протекают не строго последовательно, а в значительной степени одновременно. Но такое разделение позволяет лучше уяснить сущность сложного процесса горения и проанализировать достаточно полно влияние на него различных факторов. Рассмотрим подробнее эти процессы.

Распыливание 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 сил сопротивления среды, в которую производится впрыск, а также внутренних сил, обусловленных турбулентным движением, возникающим в самой струе при ее течении. Распыл улучшается при увеличении перепада давления на форсунке и при повышении плотности среды. В ГТД применяются как струйные форсунки, так и центробежные форсунки, в которых поток топлива до выброса его в камеру сгорания предварительно закручивается, чтобы потом в распаде струи на капли приняли участие центробежные силы. Применяются также форсунки, в которых распыл происходит под воздействием сжатого воздуха (эмульсионные форсунки, работающие по принципу пульверизатора).

Испарение распыленного топлива сопровождается поглощением теплоты. Скорость испарения распыленного топлива определяется интенсивностью подвода теплоты от воздуха к каплям и скоростью отвода от них образовавшегося пара, т.е. температурой и давлением воздуха, скоростью его движения относительно капли, размером капель и их температурой.

Смешение паров топлива с воздухом происходит путем диффузии и в значительной мере вследствие турбулентного перемешивания. Скорость протекания процесса смешения определяются распределением капель топлива в воздушном потоке и интенсивностью турбулентного перемешивания.

Воспламенение горючей смеси топлива с воздухом происходит от факела пламени, непрерывно существующего в работающих камерах сгорания. Возможно также образование в смеси начального очага пламени в результате воздействия постороннего источника высокой температуры (струи горящей смеси, электрической искры и т.п.). Но образование начального очага пламени не всегда ведет к воспламенению всей смеси. При слишком богатой и слишком бедной смеси местное тепловыделение оказывается недостаточным для нагревания соседних слоев до температуры воспламенения. В результате пламя, возникшее у источника зажигания, гаснет. Предельные значения коэффициента избытка воздуха (и), при которых пламя от источника зажигания еще может распространяться по всему объему смеси, называютпределами воспламеняемости смеси. Понижение давления и особенно температуры смеси сужает эти пределы. Обычно пределы воспламеняемости однородных гомогенных смесей авиационных керосинов с воздухом составляют отдо.

Горение топливо-воздушной смеси представляет собой химическую реакцию окисления горючих веществ кислородом воздуха, сопровождающуюся выделением большого количества теплоты и образованием видимого пламени. В неподвижнойоднородной топливо-воздушной смеси процесс горения происходит в очень узкой светящейся зоне, перемещающейся в сторону еще не сгоревшей части объема смеси и называемойфронтом пламени. Перемещение фронта пламени при этом происходит с так называемойнормальнойскоростью горения(скорости перемещения фронта пламени по нормали к нему). Значениеопределяется во многом кинетикой химических реакций (поэтому такое горение однородной смеси часто называюткинетическим). Оно зависят, главным образом, от состава смеси (т.е. от рода топлива и коэффициента избытка воздуха) и ее температуры. Максимальная скорость распространения пламени достигается при значениях примерно 0,8…0,9, а с увеличением или уменьшением значительнопадает. С увеличением температуры смесисущественно возрастает, а при повышении давления несколько падает.

Но при этом важно отметить, что нормальная скорость горения керосино-воздушных смесей не превышает примерно 2 м/с.И если горючая смесь движется, то до тех пор, пока её течение имеет ламинарный характер, скорость распространения пламени относительно смеси остается практически такой же. Но, если поток турбулентный, то картина существенно изменяется. Турбулентность, искривляя фронт пламени, резко увеличивает его поверхность, повышая тем самым объем смеси, вовлекаемый в процесс горения в единицу времени. При большой степени турбулентости фронт пламени разрывается, и от него отделяются небольшие объемы, которые, проникая в свежую смесь, воспламеняют ее, еще больше ускоряя процесс. Горение идет уже в некотором объеме, называемомзоной горения.Скорость распространения пламени в турбулентном потоке зависит не столько от физико-химических свойств смеси, определяющих, сколько от степени турбулентности потока. Эта степень турбулентности в камерах сгорания ГТД такова, что скорость турбулентного распространения пламени в них во много раз больше. Но с понижением давления в потоке топливной смеси (например, при увеличении высоты полета) его турбулентность снижается из-за уменьшения числаRe. Это отрицательно сказывается на скорости горения .

В камерах сгорания ГТД топливо-воздушная смесь образуется непосредственно вблизи зоны горения. При этом в общем случае в зону горения поступает неоднородная топливо-воздушная смесь с частично не успевшими испариться каплями топлива, т.е. гетерогенная смесь. При горении такой смеси большую роль играет процесс диффузии паров топлива в воздушный поток (диффузионное горение). Исследования показывают, что скорость распространения пламени в таких смесях имеет тот же порядок, что и . Однако пределы значений коэффициента избытка воздуха (среднего по всему объему смеси), в которых возможно устойчивое горение, в этом случае расширяются, так как, например, при общем обеднении смеси местные концентрации паров топлива вокруг испаряющихся капель могут быть более благоприятными для воспламенения и сгорания.