Основные понятия о процессе горения топлива

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

Если фактическое 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 авиадвигателе представляет собой сложный физико-химический процесс, который состоит из последовательно протекающих процессов распыления топлива, испарения топлива, смешения паров топлива с воздухом, воспламенения образовавшейся горючей смеси и собственно химической реакции горения (окисления). 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 газотурбинных двигателях происходят исключительно в газовой фазе, т. е. только после испарения и смешения его паров с воздухом. Рассмотрим подробнее некоторые из этих процессов.

Распыливание топлива представляет собой процесс его дробления на мелкие капли. Уменьшение диаметра капель увеличивает их общую поверхность, что ускоряет прогрев и испарение жидкости и облегчает последующий процесс смешения. В газотурбинных двигателях распыливание осуществляется в процессе впрыска топлива через форсунки. Вытекающая из форсунки струя топлива распадается на капли. 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 газотурбинных двигателях применяются как струйные, так и центробежные форсунки. Струйные форсунки создают довольно узкий факел распыла – угол конуса струи составляет обычно 15—20 град. Центробежные форсунки широко применяются в камерах сгорания авиадвигателей, 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.

Испарение топлива сопровождается поглощением тепла. Скорость испарения топлива определяется интенсивностью подвода тепла от воздуха к каплям и скоростью отвода от них образовавшегося пара, т. е. в конечном счете температурой воздуха, размером капель и давлением насыщенных паров топлива.

Смешивание паров топлива с воздухом происходит путем диффузии и вследствие турбулентного перемешивания потока. Скорость протекания процесса смешения и степень однородности смеси в конечном счете определяются распределением капель топлива в воздушном потоке и интенсивностью вихревых течений воздуха.

Воспламенение 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.

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

Химическая реакция горения, 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.

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

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, увеличивает его поверхность, повышая тем самым объем смеси, вовлекаемый в процесс горения. 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 зависит от степени турбулентности потока. 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 газотурбинных двигателей 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.