Диагностика и управление неустойчивым горением в энергетических установках с помощью модулированного плазмотрона тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Чувашский государственный университет имени И. II. Ульянова

Til отг~

а ш « г. На правах рукописи

- 1 ÍÍAR 1993

КИТАЕВ Александр Иванович

УДК 530.-10

ДИАГНОСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ НЕУСТОЙЧИВЫМ ГОРЕНИЕМ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ С ПОМОЩЬЮ МОДУЛИРОВАННОГО ПЛАЗМОТРОНА

Специальность 01.02.U5 — механика жидкостей, газа и плазмы

\ li i о р и ф i: i> л г

диссершции на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ч ПВО К САРЫ

1992

Рабсна выполнена в Чувашском государственном университете имени И. Н. Ульянова

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Абруков С. А., кандидат физико-математических наук, профессор Кидин Н. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Дрегалин А. Ф., кандидат физико-математических наук, доцент Самсонов В. П.

Ведущая организация: Казанский государственный университет имени В. И. Ульянова-Ленина

Защита состоится . Я. " С^Ь/ЛЛ-Лсд_ 1993 г. на заседании

Специализированного Совета К064.15.02 при Чувашском государственном университете им. И. Н. Ульянова по адресу: 428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15, ЧувГУ.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке ЧувГУ. Автореферат разослан . - СОеЛ/ / оил^] 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К 064.15.02

кандидат физико-математических наук В. В. Никитин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ."

Актуальность. Одной из проблей на пути создания высокофор-сирозанных камер сгорания является неустойчивость горения, проявляющая себя в вице интенсивных колебаний давления, скорости, температура и других параметров продуктов сгорания. Неустойчивость горения набладается в авиационных и ракетных двигателях, в проиыаленных печах и топках тепловых электростанций вне зависимости от типа используемого топлива. При этом могут вози»-'кать высокие механические напряжения (вибрации), нарушающие нормальный режим горения и способные вызвать разр'упениэ отдельных узлов и даже всей энергетической установки. С другой стороны, неустойчивое или вибрационное горение увеличивает полноту сгорания, повывает теплонапряженность камер сгорания и экономичес-куп эффективность процесса» уменьшает вредные выбросы в окрузэ-ищуп среду. Поэтому проблема диагностики и управления неустойчивым горением представляет практический интерес.

Общим признаком различных ткпов неустойчивого- горения язлявт-ся'колебания давленая в камере сгорания.с определенной частотой. Самым разрушительным тшо» неустойчивости является высокочастотная неустойчивость, нззестная также как акустическая неустойчи- -вость или вибрационное (резонансное),горение» Частоты колебаний в этом случае близки к соотватствупщкй частота» акустических резонансных колебаний в камере сгорания. Наиболее распространенным методом диагностики неустойчивости (определение резонансных частот и других акустических характеристик) в настоящее время является метод искусственного возг5уяденкг акустических колебаний в камере сгорания и исследование реакция (отклика) процесса горения на возмущения. Для возбуждения колебаний ияроко применяются методы, основанные на введении в каперу сгорания кратковременного импульсного возмущения, генерируемого обычно.с пононьв взрывча- * тых веществ. Другой подход.основан на создании в камера сгорания гармонических колебаний давления больной амплитуды в иироком диапазоне частот. Последний метод не нашел широкого применения в исследованиях из-за отсутствия излучателей, способных генерировзть гармонические возмущения давления в высокотемпературной среде при

высоких скоростях потока. Использование излучателей типа сирены.

пиропатронов, специальных злектропневмэтнческнх иди электродинамических излучателей в энергетических установках ограничено из-за искажений газодинамики потока, узкого диапазона возмущений или невозможностью размещения в камере сгорания.

В 1967 году Бабкок В. и Каттанео А. для диагностики и управления неустойчивым горением предложили метод генерирования акустических колебаний в камере сгорания при помощи ионизованного газового потока (модулированного электрического разряда). Первые экспериментальные исследования данного метода диагностики и управления были проведены в начале 80-х годов во время научной стажировки в Англии доцента ЧувГУ Медведева H.A. и сотрудника ИПМ АН Кидина Н.И. (г. Москва). Однако исследования, проведенные на.простейших лабораторных моделях излучателей и горелочных систем не позволяют судить о возможности применения этого метода для диагностики и управления.неустойчивом горением в натурных энергетических установках. Дальнейшие экспериментальные исследования в этом направлении были продолжены в Чувашском госуниверситете. Автор выражает благодарность и признательность (Медведеву H.A.) , под руководством которого была начата данная диссертационная рабог

Целью работы являлось экспериментальное исследование метода диагностики и управлении неустойчивым горением с помощью модулированного электрического разряда на энергетических установках, близких к натурным.Эта цель определила основные задачи исследования:.

1. Разработать конструкцию и исследовать .основные электроакустические характеристики излучателя на основе модулированного электрического разряда, способного работать в - высокотемпературной • сре^ае при высоких скоростях'потока.

2. Изучить основные закономерности процесса горения в модельной энергетической установке для обеспечения необходимых условий при экспериментальной проверке исследуемого метода.

3. Исследовать отклик камеры сгорания энергетической установки при горении жидкого и газообразного -топливе на гармонические возмущения. генерируемые модулированным электрическим разрядом.

Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:

1. Разработаны и испытаны различные-тют возмущгэг-ях устройств (излучателей) та оонозе модулированного электр-нчесг.ото разряда з канале плазмотрона я различные схема создания модулированного разряда. Исследованы электроакустичесяие харавтериотяхи модулированного электрического разряда в канале плазмотрона и электрохимической горелки с разлучники рабочими газами.

2. Впервые экспериментально исследованы амплитудно-частотные характеристики отклика камера сгорания онергеткчзскса установки, близкой к натурной, з рабочем рекике с различии«!•тняаяи топлива -на гармсничесакз возмукзнгд; генерируекза модулированным плазмотроном. Показана зозмозкос'т&'определения основная акустических характеристик камеры сгорания (резонансные-частоты, декремент затухания, добротность), необходимая для- диагностики неустойчивого горения, по частотикм -хараетзриотякая отклика на гармонические возмущения.

3. Экспериментально показана возиокиость управления резонансными яояебакЬшя дазлеши в камере сгорания•энергетачесясЯ установки при воздействии на зояу- горгнвт высокотемпературной струя плазмотрона. .

Практическая- ценность ра-боты.-Метод диагностики а разработанное- источники- гармшяческпх. вогмукеякй на основе- модулированного злехтряческога разряда могут- бет»- полояенн в - основу- ряда прикладных мзтоаж анализа устоЯчязости процесса горения в энергетических установках и дгл. иссдегозания и- упразяен:<я. процессамив различных техкологячесяях- устройствах с'васооттеаггературзой-средой и skcokk-н:т скоростная.потока.

Работа вкполнялась з соответствия-.с Координационным планом Академик Kays по программе "Процесса горения и взрыва" на период до 1390 года. Результата-дяссертадпоннсЯ работа составили оснозу ■ исследований по договору с Казанским азяационшм гас тагу той, НПО "Энергия" я переданы для внедрения- на зкеперккентальных диагно-стирувщих стендах.

Кх задзту вносятся основные рзгульгатн-исследования петода диагностики и управления неустсЯчязы« горением-з эквргстачесхяя установках с помечая мозулярэгаквого плазмотрона.

Апробация работы. Осиовяне результата диссертационной'работа

докладывались на:

- УШ, IX и X'Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Ташкент, 1986 г., Суздаль, 1989 г., Черноголовка, 1992 г.).

- У11-Х1У Всесоюзных семинарах но электрофизике горенда (Караганде, 1984-89 г., Чебоксары, 1990 г., Челябинск, 1991 г.)»

- II Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1985 г.),

-У Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов ( Кшинвв, 1985 г.), ...

- научных семинарах Казанского авиационного института и Казанского госуааверзитета (1992 г.), научных конференциях и сеншарах Чувевакоро госуниверситета (1983-92 г.).

Публикации. По -материалам диссертации опубликовано 29 работ, в том числе 3 авторских свидетельства и I положительное решение по заявке.

Объем -работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, А глав, заключен® и списка литературы. Работа содержит №5 страниц малшшшкского -гтекста^Т-«'. 6 f рисунков. Список литературы содержит /30 -наюгейований.

КРАТКОЕ СОДЕЕШШЕ РАБОТЫ

Во введении приведена ойщая характеристика работы, обоснована актуальность лйгиы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследований-.

В главе I проведен анализ литературных данных по диагностике и упраменш) неустойчивым горением в камерах сгорания энергетических установок. Структурно глава состоит из.двух разделов. В первом анализируются работы по методам оценки устойчивости процесса горения в камерах сгорания энергетических установок и устройства для создант возмущений давления. Рассмотрены методы диагностики, основанные на создании импульсных и гармонических возмущений давления. Отмечается, что метод создания гармонических возмущений ие «вяеоГ широкого применения в исследованиях из-за от-сутств® излучателей, способных генерировать акустические возмущения в высокотемпературной среде при высоких скоростях потока. Во втором разделе рассматриваются основные способы уменьшения

вероятности возникновения вибрационного горения в энергетических установках. Наряду с традиционными способами демпфирования колебаний (механические, химические, аэродинамические) рассмотрены методы управления неустойчивостью, основанные на активном воздействии периодических возмущений, генерируемых внешними источ- . пиками.

В работах Медведева H.A., Абрукова G.A., Либровича Б.Б., Кицина H.H.,'Вуллермоуса Н-, Робертса Дн. на лабораторных моделях типа "поющего пламени" экспериментально показана возможность определения основных акустически* характеристик резонансной системы и возможность управления неуйтййчиаостыэ с помощью метода генерирования акустически* тзбашш модулированным электрическим разрядом в пламени. Однако проведенные.эксперименты не позволяют судить о возможности применения данного метода для диагностики и управления неустойчивым горением з натурных камерах сгорания энергетических установок, что и првдспрз делило постановку данной работы. - "

В главе II описываются генератор, акустических колебания на основа модулированного электрического раз-ряда в канале плазмотрона, применяемого в качестве источника внутрикамерных возмущений для диагностики неустойчивости, модельная энергетическая установка, аппаратура и методика исследования реакции (отклика) камеры сгорания на внутрикамерные возиутзания.

Модулированный элегстркчестсиЯ разряд..в канале плазмотрона создавался' с помоцьа амплитудной модуляции выходного высоковольтного напряжения ВЧ-генератора БЧГ-1-25 (несущая .частота ¥t0 кГц) или с; помощью НЧ-усилителя УПВ-15 мощйзстъв 15 кВт при инициировании разряда дежурной дугой. В экспериментах применялся коаксиальный плазмотрон 'с вих'р'?зоЯ стабилизацией дуги--Электрическая мощность плазмотрона - до IÖ,кВт. В качестве рабочего газа применялись воздух, азот, продукты сгорания. В последнем случае плазмотрон имея дополнительное горелггчное1 устройство (электрохимическая горелка). Высокотемпературные сгустки газоразрядной плазмы, возникающие при модулированном электрическом разряде звуковой частоты,- периодически выносились рабочим газом в открытое, пространство или диагностируемую камеру сгорания и, адиабатически рас-' ширяясь, генерировали акустические возмущения с частотой: модуля-

ции. При ясследсБЕНИи^акустических характеристик излучатель на основе модулированного электрического разряда располагался в антиреверберационной (антиэховой) камере с размерами 5x5x5 м3 с уровнем собственных шумов не ешпв 40 дБ.

Модельная энергетическая установка имела цилиндрическую камеру сгорания (длина до 0,5 м, диаметр 0,125 м) с плоской форсуночной голезкой и профилированное сопло. Ряд экспериментов проводился на натурной одиночной камере сгорания 'двигательной установки ПВРД. Система подачи топлива и окислителя модельной энергетической установки быда выполнена по схеме двухкомпонентного ЖРД с Еытеснктальной системой подачи жидкого топлива (бензин) и газообразного окислителя (еоздух). В экспериментах с сосредоточенной у форсуночной головки, зоной горения в качестве топлива использовался газообразный пропан. Для соединения с источником внутрикамерных возмущений (плазмотроном) камера сгорания имела технологические отверстия.

Отклик камеры -сгорания-на вводимые возмущения регистрировался с помощью датчиков акустического давления типа JIX-6I0, устанавливаемых заподлицо с внутренней 'поверхность?) камера, акустического стенда фирмы "Роботрон", измерительного йагнитографа ЕАН-500 фирмы "Тесла". Установка позволяла получать спектры колебаний давления и характеристики отклика камеры на возмущения,"создаваемые плазмотронам,-как непосредственно в ходе эксперимента, так к после при обработке«агиитных записей сигналов.

В третьей главе приведены электроакустические характеристики воз^ущавщих устройств, применяемых в данной работе для диагностики камер сгорания, и рассмотрены основные закономерности процесса горения в надельной энергетической установке без внесения внешних возмущений два абеспечешая кеобходииых условий при эксперимен-' тальвай проварке исследуемого иетсда диагностики и управления неустойчива горением.

В первом разделе тхаш III рассмотрены зависимости уровня звукового давленш акустического излучения, создаваемого модулированным злектричесада'разрядам неЕДу угоаьшшгелектродаьш в открытом пространстве и в лвяшафичвсквм канале плазмотрона и .электрохимической горелка от -частоты модуляции разряда, йссгедовано изменение с частотой ампдагудц переменного тока б дуге, шшране-i ния .на электродах и сдзкга фаз яеЕЕушйш. Показано, что с уве-

личением частота модуляции и увеличением мощности разряда наблюдается замедление роста акустического давления из-за тепловой инерционности столба плазмы в межэлектродном промежутке дуги.

По экспериментальной X-fc диаграмме распространения переднего фронта газоразрядной плазмы за период колебаний определено максимальное значение перепада давления в акустической волне, генерируемой модулированным разрядом. Расчет для сферически-симметричной волны в акустическом приближении показал, что эта величина составляет 60-65 Н/м^ на расстоянии I м от источника, т.е. уровень звукового давления соответствует 130-135 дБ. Максимальное значение, достигнутое в экспериментах, составило 126 дБ.

Исследованы спектральные характеристики акустического излучения плазмотрона с амплитудной модуляцией выходного высоковольтного напряжения ВЧ-генератора и плазмотрона с модулированным электрическим разрядом по комбинированной схеме с декурной БЧ-дугой. Показано,, что при создании модулированного разряда по комбинированной схеме уровень звукового давления на удвоенной частоте модуляции превышает уровень на основной частоте.

Для исследования возможности генерирования акустических колебаний модулированным плазмотроном при повыяенном давлении окружающей среды проведены эксперименты по изучения устойчивости горения дуги в сосуде высокого давления. Зсперименты паказали, что модулированный ВЧ-разряд с увеличением давления переходит в искровой, а зыке 1,5 Па наблюдалось погасание разряда. Более устойчиво работает излучатель на основе модулированного НЧ-раз-ряда с дежурной дугой постоянного тока (комбинированная схема электропитания с совмещенными электродами). В условиях экспериментов такой излучатель устойчиво работал при давлении 2*10° Па.

Таким образом, эксперимента показали, что разработанный излучатель на основе модулированного электрического разряда в канале плазмотрона нояет быть использован в качестве "источника внеп-них возмущения для диагностики неустойчивого горент в энергетических .установках, близких к натурным'.

Во втором разделе глаза III рассмотрены основные-закономерности горения пргпансзоздусных и бензпновоздущных сиесгЗ а камере сгорания модельной энергетической установки. Исслздоголпсь собственные спектры колебаний при горении-без виепякх зззмущечкй

при различных составах смеси. Определены области устойчивого и неустойчивого (вибрационного) горения и область "биений" между ними.при горении пропановоздушной смеси, в которой наблюдалось циклическое возбуждение и затухание колебаний с периодом *>5 о на резонансной частоте камеры 0,2 кГц, соответствующей 1-й продольной моде. Для бензиновоздушных смесей определена область возникновения неустойчивого горьния на частоте 0,8 кГц ( 1-я продольная мода ).

По осциллограммам колебаний давления определены инкремент колебаний на границе области вибрационного горения и декремент затухания колебаний в области устойчивого горения при создании импульсных возмущений давления при разряде конденсаторной батареи между электродами плазмотрона. Приведены' спектры отклика камеры при горении пропано- и бензиновоздушных смесей на импульсные возмущения. Показано, чт'о в области устойчивого горения введение импульсных возмущений с помощью плазмотрона не приводило к возникновению самоподдерживающихся резонансных колебаний.

Исследование собственных спектров колебаний давления в камере позволило определить необходимые условия для обеспечения экспериментальной проверки метода диагностики и управления неустойчивым горением.

В первом разделе главы 1У приведены основные результаты экспериментальной проверки метода диагностики неустойчивого горения по отклику камеры сгорания на гармонические возмущения, генерируемые модулированным электрическим разрядом в канале плазмотрона. В экспериментах исследовался отклик камеры сгорания, близкой к натурной, Зез горения при продувке окислителя, при сосредоточенном горении пропановоздушной смеси и распределенном горении бензиновоздушной смеси различного состава в камерах различной длины. Исследования проводились при отсутствии интенсивных собственных акустических колебаний в камере сгорания. Изучалось изменение спектра колебаний давления и условия возникновения интенсивных резонансных колебаний в камере сгорания при создании гармонических возмущений модулированным плазмотроном при непрерывном изменении (сканировании) частоты модуляции в звуковом диапазоне (от ОД до 10 кГц) по логарифмическому закону.

• Типичная картина эволюции спектра колебаний давления в каме-

ре с потоком окислителя без горения при изменении частоты1 модуляции плазмотрона показана на рис.1 (спектры 3-11). Пунктирной линией (2) показан спектр колебаний в камере с потоком воздуха без внешних возмущений. Линия Г - характеристика отклика камеры с потоком на гармонические возмущения, полученная с помощьо анализатора спектра в режиме регистрации максимальных значений уровней колебаний давления по каналам при сканировании частоты, от ОД до 10 кГц. Частота возмущений,. генерируемая модулированным плазмотроном в соответствующий момент времени, отмечена на спектрах 3-11 кружком. При совпадении частоты возмущений, генерируемых модулированным плазмотроном, с собственной частотой акустического резонатора (камеры сгорания) уровень колебаний давления на резонансной частоте увеличивается на Ю-15 дБ. В остальные моменты времени усиление не наблвцается и уровень создаваемых плазмотроном возмущений не превышает уровень турбулентного шума в камере о потоком воздуха.

На рпс.2 показана амплктудно-частотная характеристика (АЧХ) отклика камеры при горении пропанозоздусной смеси на гармонические возмущения, создаваемые модулированным плазмотроном. АЧХ получена с помощьо самописца уровня и следящего узкополосного фильтра при непрерывно» изменения частота зозмуценкй в звуковом диапазоне. На этом же рисунке штриховой- линией показан спектр колебаний давления в камере при горении- смеси без внешних возмущений. Общая картина отклика канеры с горением пропа-новоздупной смеси на гармонические возмуценет аналогична отклику камеры с потоком воздуха, т.е. при совпадений частоты возмущений, генерируемых плазмотроном, с собственной частотой камеры наблюдается резонансное усиление колебаний. При этом спектр вынужденных колебаний давления в камере при горении под действием возмущений с частотой 1-й продольной моды близок спектру колебаний давления в случае вибрационного горения при соответстзу-пщем составе смеси.

Рис. 2 демонстрирует возможность определения оснозиык акустических характеристик (резонансные частоты, добротность, декремент затухания) по методу вынужденных колебаний (методу уста-новивпегося резонанса) при генерировании в работавшей камере сгорания гармонических возмущений с помощью модулированного

плазмотроне. При этом частоты максимумов АЧХ отклика соответствуют собственным (резонансным) частотам камеры / в- ' добротность колебательной системы определится из соотношения Q = f*» г®е ft и / - частоты колебаний с амплитудой F^Jvr. 2

Исследования показали, что значения частот максимумов АЧХ зависят от геометрических паратетров камеры и характеристик потока продуктов сгорания; Частоты максимумов АЧХ отклика при горении пропановоздушной смеси близки к соответствующим собственным частотам акустического резонатора открытого с одного конца, а при горении жидкого топлива - акустически закрытой камере. По АЧХ отклика можно определить резонансную частоту, на которой декремент затухания d-^Q имеет наименьшее значение. На этой частоте при соответствующих условиях может возникнуть неустойчивое горение.

Типичная картина изменения спектра колебаний давления в камере при горении бензиновоздушной смеси при сканировании частоты внешних гармонических возмущений, генерируемых модулированным плазмотроном, в звуковом диапазоне показана на рис.3 (спектры

4-9). Здесь же приведены спектр колебаний давления в случае вибрационного (резонансного) горения при определенном составе бензиновоздушной смеси (I), характеристика отклика камеры сгорания на гармонические возмущения (2) и собственный спектр при горении без внешних возмущений (3). Эксперименты по исследованию отклика камер различной длины при горении бензиновоздушных смесей различного состава показали, что резонансное усиление колебаний давления не наблюдается даже при совпадении частоты внешних гармонических возмущений, генерируемых модулированным плазмотроном, с собственной частотой акустических колебаний в камере. Усиление колебаний давления на резонансных частотах составляло не более

5-7 дБ; а в некоторых случаях не наблюдалось вовсе. Уровень же резонансных колебаний давления, возникающих при вибрационном горении (спектр I), составлял свыше 150 дБ. .

Различие в отклике камеры при горении пропановоздушной и бензиновоздушной смеси на гармонические возмушения, генерируемые модулированным плазмотроном, можно объяснить следующим образом. При горении газовоздувдых смесей возрастание колебаний

давления на резонансной частоте камеры воздействует непосредственно на механизм поддержания и усиления резонансных колебаний, так как вызывает соответствующие колебания состава горючей смеси и тепловыделения на данной частоте с незначительной фазовой задержкой. Благодаря этому образуется положительная обратная связь и в соответствии с критерием Рэлея происходит усиление резонансных колебаний. При горении бен-зиновоздушных смесей из-за наличия характерного времени запаздывания процессов подготовки и горения смеси положительная обратная связь при -воздействии на процесс горения гармонических возмущений не образуется и резонансное усиление колебаний давления в камере не наблюдается.

So втором разделе главы 1У приведены результаты экспериментов по управлению неустойчивым горением в модельной энергетической установке при воздействии на зону горения стационарной и модулированной струи плазмотрона. Рассмотрено воздействие струи.плазмотрона на резонансные колебания давления (1-я продольная мода), возникаодие при вибрационном горении пропановоздуиной и бензиновоздупной смеси. Показано,- что при воздействии на зону горения пропановоздуиной смеси стационарной или модулированной струи плазмотрона с частотой, отличной от ■ резонансной, уровень колебаний давления на резонансной частоте уменьшался на 10-15 дБ. Воздействие струи плазмотрона на вибрационное горение бензияовоздушной смеси (даже с частотой, соответствующей резонансным колебаниям) приводило к уменьшению уровня.колебаний на резонансной частоте на 8-10 дБ. Постепенное уменьшение напряжения на электродах плазмотрона, а соответственно и рассеиваемой мощности, приводило к возрастанию колебаний на резонансной частоте. При выключении плазмотрона, кроме усиления колебаний, наблюдалось некоторое уменьсение резонансной частоты. В экспериментах с горением бензиновоздупной смеси уменьшение резонансной частоты составило 50 Гц. Полагая, что изменение частоты обусловлено уменьнением средней скорости распространения акустических возмущений из-за уменызения температуры продуктов сгорания, можно определить данное уменьсение температуры. Б экспериментах с бензиновоздупной смесью уненьпе-ние температура продуктов сгорения при выключении плазмотрона

!

составило 200 градусов.

Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод, что уменьшение уровня колебаний давления на резонансной частоте камеры при неустойчивом (вибрационном) горении обусловлено воздействием высокотемпературной струи плазмотрона на процессы подготовки, воспламенения и горения смеси. Воздействие струи плазмотрона на зону горения изменяет характеристические промежутки времени резонансной системы, а соответственно и фазовую зависимость между периодическим выделением тепла .и колебаниями давле-г ния в камере, благодаря чему уменьшается аматитуда резонансных колебаний давления. Демпфированию колебаний способствует также неоднородность и "растянутость" зоны горения при воздействии струи плазмотрона.

В заключении рассмотрен механизм воздействия гармонических возмущений,'-генерируемых модулированным плазмотроном, на горение газообразного и жидкого топлива в камере сгорания энергетической установки и приведены основные.выводы работы.

Выводы и основные результаты.

I. Разработаны и испытаны различные типы возмущающих устройств (излучателей) на основе амплитудно-модулированного электрического разряда, способные работать в высокотемпературной среде при высоких скоростях потока и давлении. Исследованы различные схемы создания и электроакустические характеристики модулированного электрического разряда в канале плазмотрона и электро-г химической горелки с различным рабочим газом.

Показано, что с увеличением частоты модуляции и увеличении мощности разряда происходит замедление роста акустического давления излучаемого звука из-за тепловой инерционности плазмы межэлектродного промежутка дуги.

При создании модулированного разряда по комбинированной схеме с дежурной дугой уровень звукового давления на удвоенной . частоте модуляции плазмотрона превышает уровень на основной частоте.

1. Экспериментально на установках, близких к натурным, при горении различных видов тЬплива показана возможность определения основных акустических характеристик камеры сгорания (резонансные

частоты, декремент затухания, добротность) в рабочем режиме по отклику на гармонические возмущения, генерируемые излучателем на основе модулированного электрического разряда.

При горении газовоздушной смеси при совпадении частоты внешних возмущений, генерируемых модулированным плазмотроном, с собственной частотой камеры имеет место резонансное усиление колебаний на данной частоте. При горении жидкого топлива из-за наличия характерного времени запаздывания процессов подготовки и горения смеси резонансное усиление колебаний давления не наблюдается. Резонансные колебания, возникающие в камере сгорания при введении внешних возмущений с помощью модулированного плазмотрона, являются вынужденными.'Самоподдерживающиеся колебания, характерные для вибрационного горения не возникали.

3. Экспериментально показана возможность демпфированга резонансных колебаний при неустойчивом, (вибрационном)' горении в энергетической установке воздействием высокотемпературной струи плазмотрона на зону горения. Уменьшение амплитуды резонансных колебаний обусловлено изменение?« характеристических промежутков времени системы, а соответственно и фазовой зависимости между периодическим выделением тепла и колебаниями давления в камере, а также неоднородностью зоны горенга при воздействии струи плазмотрона. .

Таким образом, метод'создания гармонических возмущений с • помощью модулированного плазмотрона может быть положен в основу создания ряда прикладных методик анализа устойчивости процесса горения в камерах сгорания а высокотемпературная струя плазмотрона может быть использована для управления неустойчивым режимом горения в энергетических установках.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Китаев А.И. Диагностика и управление неустойчивым горением в энергетических установках с помощью модулированного плазмотрона // Тезисы докладов ХГУ Всесоюзного семинара по электрофизике горения.- Челябинск, 1991.-е. 57-53.

j

2. Китаев A.И. Об управлении неустойчивым горением энергетической установки с помощьп плазмотрона // Физика и химия процессов горения: Межвузовский сборник научных трудов.-Чебоксары, 1991.-е. 72-78.

3. Китаев А.И. Реакция модельной энергетической .установки на импульсные и гармонические возмущения, генерируемые электрическим разрядом // Горение и электродинамические явления: Межвузовский сборник научных трудов.- Чебоксары, 1990.-с.46-49.

4. Абруков С.А., Афанасьев В.В., Китаев А.И.. Кузьмин А.К., Терентьев A.A. Отклик резонансной системы с горением на гармонические возму'щения //"Химическая физика процессов горения

и взрыва". Проблемы теплоэнергетики.: ■ Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению, и взрыву.- Черноголовка, 1939.-е. 60-53.

5. Китаев А.Й., Либрович В.Б., Медведев H.A. Электрохимическая горелка с модулированным электрическим разрядом // Низкотемпературная плазма при горении: Межвузовский сборник научных трудов.- Чебоксар», 1989.-е-. 93-95.

6. Китаев к.й., Кузькин А.К., Макарова C.B., Медведев H.A. Возбуждение резонансных колебаний в камере сгорания энергетической установки // Там же. -с. 95-99.

7. Медведев.H.A., Китаев А.И., Гафуров P.A. Исследование электроакустических свойств модулированного ВЧ-разряда в пламени с присадками // Физика аэродисперсных систем: Республиканский межведомственный научный сборник-.- Киев, 1987.-е. 7-II.

8. Медведев H.A., Китаев А.И., Гафуров P.A.,' Кузьмин А.К. Управление и диагностика неустойчивого горения электрическим разрядом //"Химическая физика процессов горения и взрыва".

Горение конденсированных систем : Материалы УIII Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву.- Черноголовка, 1986.-с. 79-81. "

9. Медведев H.A., Китаев А.И., Кузьмин А.К., Гафуров P.A., Кидин H.H., Либрович В.Б. Анализ резонансных колебаний в горел очных системах с помощью источника внешних электрических возмущений // Тезисы докладов 1Х:Всесоюзного семинара по. элек-'

, трофизике горения.- Караганда,- 1985. -с. 49.

10. Медведев H.A., Кузьмин А.К., Китаев А.И., Дйбрович В.Б., . Петухов В.Е. Демпфирование резонансного горения электрическим разрядом // Там же. - с. 50.

11. Абруков С.А., Китаез А.И., Медведев Н.А. Исследование акустического поля модулированного ВЧД-разряда // Тезисы докладов У11 Всесоюзного семинара по электрофизике горения. - Караганда, 1984. -с. 32.

12. Афанасьев В.В., Гафуроз ?.А., Китаев А.И., Кириллова Н-И.., Медведев Н.А., Петухов В.Е. Экспериментальное .исследование излучения акустических волн модулированным ВЧ-разрядным плаз. метроном // Физика горения и методы ее исследования: Межвузовский .сборник научных трудов.- Чебоксары, 1983. -с. 72-76.

13. К-итаез А.И., Абруков С.А., Кидин Н.Й., Медведев Н.А.

О диагностике и управлении неустойчивостью в камерах сгорания с помощью модулированного плазмотрона // Материалы X симпозиума по горению и взрыву.- Черноголовка, 1992.

14. Китаев А.И;Абруков G.A., Гафуроз Р.А., Кидин Н.И. Положительное ресение по заявке й 4937991/23 , ,МКИ G 01 Н 17/00' Способ определения резонансных частот камеры сгорания. 1992.

15.~Afanasiev УЛС,-Frost V.A., Kid in" II. I., Kltasv A. I. , ~

«

Terentiev A. A., Vuillermoz !i L. On diagnostic and control of'acoustic instabilities in combustors by physical ne-thods // Abstract of XIV Int. Colloquium on Dynamics- of Explosions and Reactive Systens. Coimbra, Portugalia, 1983. (in print) -

частота спектра кГц

Рис.1. Отклик камеры с потоком воздуха на гармонические возмущения, генерируемые модулированным плазмотроном.

0.1 0,2 0,3 I 2 5 у.г.Гц

Рлс.2. Амплитуда-частотная харктерястшса отклика

камера (I) и собственный спектр колебаний давленш (2) при горении пропановоздупной смеси.

Рко.З. Отклкх.каиерв.при горенка Йеиздаовоздуаной смеси.