液体燃料燃烧.ppt

第八章液体燃料燃烧,要求了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃油雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴的雾化特性，掌握油珠、油雾燃烧特性，了解液体燃烧装置工作过程。,第一节液体燃料燃烧过程,液体燃料燃烧系统,1、供油系统2、供气系统3、燃烧系统,第一节液体燃料燃烧过程,液体燃料燃烧特点,1、扩散燃烧2、非均相燃烧,液体燃料燃烧过程,1、雾化2、蒸发3、掺混4、燃烧,第二节燃油雾化过程,燃油雾化现象,第二节燃油雾化过程,燃油雾化现象,第二节燃油雾化过程,燃油雾化现象,第二节燃油雾化过程,燃油雾化过程,液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形油珠。在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。,第二节燃油雾化过程,油珠破碎过程,,气动力,,表面张力,第二节燃油雾化过程,油珠破碎准则,油珠破碎,两种力,外力气动力、惯性力内力表面张力、粘性力,,第三节燃油雾化装置－喷嘴,一、喷嘴类型,直流喷嘴离心喷嘴气动喷嘴旋转喷嘴,,第三节燃油雾化装置－喷嘴,直流喷嘴,特点,结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便雾化角小，雾化质量差多用于加力燃烧室、冲压发动机等,第三节燃油雾化装置－喷嘴,离心喷嘴,特点,雾化锥角大，雾化质量好采用双油路，可获得更大的供油能力,第三节燃油雾化装置－喷嘴,离心喷嘴,第三节燃油雾化装置－喷嘴,气动喷嘴,特点,雾化质量高排气冒烟少贫油熄火范围窄可采用特殊的气化剂,第三节燃油雾化装置－喷嘴,其它喷嘴,第三节燃油雾化装置－喷嘴,一、喷嘴类型,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,流体为无粘性的理想流体；不计喷嘴内部流动的径向分速度；喷嘴处于最大流量状态工作。,基本假设,1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程,根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为,不计粘性时，流体的动量守恒，故有,空气涡核,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流通面积为一圆形，其值为,取轴向长度为1的环形微元体，其质量为,微元体旋转时产生离心力正好与径向压力差相平衡，故有,轴向速度,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,,积分得,,（与r无关）,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用ε表示,,在燃油与空气核的交界面上有,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,空气核界上的切向速度为,又据连续方程有,,,A称为离心喷嘴的几何特性参数，表示离心喷嘴几何相似的准则,,,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,,为轴向速度系数,,,为流量系数,,,,,,流量,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,,最大流量原理,流量系数,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,雾化锥角,雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定,,第三节燃油雾化装置－喷嘴,二、离心喷嘴理论,第三节燃油雾化装置－喷嘴,三、离心喷嘴设计计算程序,设计程序1、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数A2、确定流量系数3、确定喷嘴的孔径4、确定喷嘴其它尺寸,已知条件供油能力（供油量）、供油温度和压力、燃油物性参数（密度、粘度）,第四节燃油喷嘴的雾化特性,一、油珠群的平均直径,算术平均直径,表面积平均直径,体积平均直径,第四节燃油喷嘴的雾化特性,一、油珠群的平均直径,Sauter平均直径,质量中间直径MMD,大于与小于MMD的油珠质量各占50。,第四节燃油喷嘴的雾化特性,二、油珠群的尺寸分布,积分分布,小于（或大于）给定直径的油珠所具有的质量M占油珠群总质量M0的百分数,微分分布,直径在范围内的油珠质量所占有的百分数,第四节燃油喷嘴的雾化特性,三、油珠群几种典型分布,Rosin-Rammler,Ppsi,均匀指数,,第四节燃油喷嘴的雾化特性,三、油珠群几种典型分布,Nukiyama-Tanasawa,正态分布,第四节燃油喷嘴的雾化特性,四、计算SMD的经验公式,离心喷嘴在静止空气中雾化,离心喷嘴在气流中雾化,直流喷嘴在静止空气中雾化,第五节油珠的蒸发与燃烧,蒸发或燃烧时的油珠温度,Twb为蒸发平衡温度（或湿球温度）,第五节油珠的蒸发与燃烧,Stefan流,在油珠表面,为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反向的流动称为Stefan流。且有,在油珠表面上净空气通量为零,第五节油珠的蒸发与燃烧,Stefan流,Stefan流－点源,第五节油珠的蒸发与燃烧,Stefan流,Stefan流存在的条件,在相的分界面上有物理或化学过程存在，这个过程要求表面排除或吸入净的质量流上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成,第五节油珠的蒸发与燃烧,高温环境中相对静止油珠的蒸发速率,,,物质交换系数,扩散项,Stefan流项,,,第五节油珠的蒸发与燃烧,高温环境中相对静止油珠的能量平衡,加热油珠至蒸发温度油珠蒸发加热油蒸气,,,,,第五节油珠的蒸发与燃烧,相对静止油珠的燃烧,第五节油珠的蒸发与燃烧,相对静止油珠的燃烧,在火焰面上,rf的确定,第五节油珠的蒸发与燃烧,强迫对流条件下油珠的蒸发与燃烧,折算薄膜,把一个真实的二维轴对称对流传热、传质问题转化为一个假想的等值球对称分子导热与扩散问题1、不考虑蒸发和燃烧，把液滴看成只和气流有对流换热的固球2、不考虑对流的存在，只研究这个假想的有分子导热和扩散的球层内的蒸发和燃烧，从而找到蒸发和燃烧速度,第五节油珠的蒸发与燃烧,直径平方定律及油珠的寿命,,设任一瞬间的油珠直径为d，经过时间后直径减小d,,直径平方定律,,,油珠寿命,,第五节油珠的蒸发与燃烧,直径平方定律及油珠的寿命,在强迫对流条件下,第六节油雾燃烧,油雾燃烧的特点,油雾中的每一个油珠所处的环境（温度与浓度等）随时间、空间不断变化两颗油珠体系随着滴间距离的减小，燃烧常数先增加后减小；多油珠体系中央燃烧常数高，四周低。,1、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增高，燃烧过程加速。2、油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓。,第六节油雾燃烧,油雾燃烧模型,预蒸发型燃烧滴群扩散燃烧复合燃烧气相燃烧加液滴蒸发,,第六节油雾燃烧,油雾燃烧模型,,预蒸发型燃烧,雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。,加力燃烧室,第六节油雾燃烧,油雾燃烧模型,,周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），进入燃烧区时油珠基本未蒸发，只有滴群的扩散燃烧，此时反应动力学因素影响不大。,滴群扩散燃烧,燃气轮机,内燃机,第六节油雾燃烧,油雾燃烧模型,,复合燃烧,介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧发生作用。,火箭发动机冲压发动机,第六节油雾燃烧,油雾燃烧模型,,部分预蒸发型气体燃烧加液滴蒸发,部分小油珠已经蒸发完毕，另一部分液滴进入火焰区时其直径已过小而着不了火，只能蒸发，因此没有滴群扩散火焰，只有部分预混的气体火焰。,工业炉,第六节油雾燃烧,滴群扩散燃烧,Probert滴群扩散燃烧模型,影响燃烧效率的因素,均匀油珠群,1、雾化细度2、燃烧常数3、均匀指数,第七节乳化油及其燃烧,基本概念,燃油与水在少量乳化剂及乳化装置的搅拌下形成稳定、均匀的油水乳化液。,乳化油,目的,1、提高燃烧效率、节约燃料2、降低污染,类型,1、油包水型HLB＝262、水包油型HLB＝1218,HLB－乳化剂的亲憎平衡值HLB＞20亲水、不溶于油HLB＝0不亲水、只溶于油,第七节乳化油及其燃烧,乳化油的燃烧特点,1、二次雾化2、水的催化作用,碳氢燃料在高温缺氧条件下下析碳，水气对析出碳粒有催化作用,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气（涡）轮（发动）机,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气（涡）轮（发动）机,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气（涡）轮（发动）机,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,作用,主燃烧室把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧提高温度，然后流向涡轮膨胀做功。,加力燃烧室利用经涡轮膨胀后燃烧室燃烧所剩余的氧气再补充喷油燃烧，提高气流温度，增加做功能力，使发动机增加推力。,燃料的化学能,热能,机械能,动能,,,,,大气,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,工作特点,1、进口气流速度高，组织燃烧困难。2、燃烧室容积小，且要求在短时间内发出大量的热3、出口气流温度受到限制4、要求工作范围宽,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,要求,1、点火可靠,点火高度89km，补氧后1213km,2、燃烧稳定,不熄火不产生破坏性的振荡燃烧,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,要求,3、燃烧完全,燃烧完全系数,燃烧效率,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,要求,4、出口温度场符合要求,除点火过程外，火焰不得伸出燃烧室。沿涡轮进口环形通道的圆周方向温度均匀沿叶高温度分布,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,要求,5、压力损失小,损失因素摩擦损失、扩压损失、小孔进气损失、掺混损失、热阻损失等。,总压恢复系数,阻力系数,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,要求,6、尺寸小、质量轻7、排气污染少8、寿命长,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,基本结构,扩压器喷油嘴火焰筒旋流器点火器联焰管,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室,基本类型,单管燃烧室环管燃烧室环形燃烧室,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室工作过程,燃烧室分区,主燃区中间区掺混区,,燃烧区,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室工作过程,气流流型,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室工作过程,燃料分布,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室工作过程,燃烧过程,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室工作过程,火焰筒进气分配及功用,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室特性,燃烧效率特性,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室特性,贫富油熄火特性,第八节典型液体燃料燃烧装置,航空燃气轮机燃烧室特性,流阻特性,