Механизмы и условия возбуждения автоколебаний газа в установках с горением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, доктор технических наук Ларионов, Виктор Михайлович

• Ларионов, Виктор Михайлович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Ларионов, Виктор Михайлович

Введение.

Глава 1. Общая характеристика автоколебаний газа, возбуждаемых источниками теплоты и массы.

1.1. Самовозбуждение звука в энергетических установках.

1.2. Применение вибрационного режима горения на практике.

1.3. Возможные механизмы обратной связи при самовозбуждении акустических колебаний.

1.4. Основные подходы к изучению термоакустических колебаний.

Глава 2. Продольные колебания газа в акустических моделях камер сгорания энергетических установок.

2.1. Колебания газа в трубах с учетом продольного градиента температуры.

2.2. Влияние находящихся в потоке плохообтекаемых тел на частоту колебаний.

2.3. Установка типа емкость-труба, резонатор Гельмгольца.

2.4. Потери акустической энергии.

Глава 3. Теоретические модели термоакустических колебаний.

3.1. Идеализация процессов в области теплоподвода.

3.2. Акустическая мощность области теплоподвода, условия самовозбуждения колебаний.

3.3. Характеристическое уравнение задачи исследования границ неустойчивости.

3.4. Комбинированный метод расчета условий самовозбуждения, частоты и амплитуды установившихся колебаний.

Глава 4. Вибрационное горение в типовых устройствах.

4.1. Передаточная функция пламени при горении однородной смеси, истекающей из отверстия.

4.2. Автоколебания газа при горении в трубе.

4.3. Вибрационное горение в установке типа резонатора Гельмгольца.

4.4. Самовозбуждение акустических колебаний в устройстве «емкость-труба».

Глава 5. Обобщенная теоретическая модель термоакустических колебаний газа в энергетических установках.

5.1. Некоторые сведения о вибрационном горении в установках, содержащих стабилизаторы пламени.

5.2. Передаточная функция пламени при горении однородной смеси за плохообтекаемым телом.

5.3. Автоколебания газа в канале при горении за стабилизатором пламени.

5.4. Обобщение теоретических результатов, полученных для основных типовых устройств.

Глава 6. Прикладные исследования вибрационного горения.

6.1. Двухконтурные модели камер сгорания ГТД.

6.2. Влияние впрыска водяного пара на неустойчивость горения в модельной камере сгорания ГТД.

6.3. Вибрационное горение твердого топлива в трубе, передаточная функция зоны горения.

6.4. Автоколебания газа при горении твердого топлива в устройствах типа емкость-труба.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механизмы и условия возбуждения автоколебаний газа в установках с горением»

Процесс самовозбуждения акустических колебаний газа, когда ему сообщается теплота, выделяемая при горении или путем теплопередачи от нагретых тел, известен с работ Хиггинса, Рэлея, Рийке, Зондхаусса. В литературе это явление называют также вибрационным, или пульсационным горением, неустойчивостью горения, термическим возбуждением звука, термоакустическими колебаниями [1-3, 5,6].

В камерах сгорания ракетных и газотурбинных двигателей колебания могут привести к частичному или полному разрушению элементов конструкции. Поэтому обеспечение устойчивости процесса горения является серьезной и актуальной проблемой, требующей больших материальных затрат, и занимает значительную часть времени в общей доводке двигателей.

В то же время установлено, что в колеблющихся потоках происходит существенное ускорение различных тепломассообменных процессов, увеличение теплонапряженности топочного объема, улучшение полноты сгорания топлива по сравнению с равномерным, устойчивым режимом горения. Эти преимущества могут быть использованы в энергетических установках, в которых амплитуда колебаний будет не такой большой, чтобы привести к каким-то серьезным последствиям.

В связи с ограниченными запасами природного топлива одной из главных задач энергетики является разработка эффективных, энергосберегающих способов сжигания основных видов топлива. Интенсификация процесса горения колебаниями - одно из возможных решений проблемы.

Другой современный аспект применения вибрационного горения связан с проблемой утилизации промышленных и бытовых отходов. Использование вибрационного режима горения является одним из перспективных направлений, поскольку одновременно решаются две задачи - получение энергии за счет сжигания отходов и их частичное или полное уничтожение. Кроме того, при вибрационном горении уменьшается содержание ряда токсичных веществ, содержащихся в продуктах сгорания, что очень важно с точки зрения экологии окружающей среды.

Одним из факторов, сдерживающих применение устройств вибрационного горения на практике является недостаточная теоретическая база для проведения расчетов на стадии проектно-конструкторских работ. Имеющиеся устройства, как правило, результат научно-технической интуиции их создателей и последующей кропотливой опытно-конструкторской доработки.

Фундаментальные исследования автоколебаний газа в установках с источниками теплоты и массы выполнили Рэлей, Б.В. Раушенбах, М.С. Натанзон, А.Д. Марголин, С.А. Абруков, М.А. Ильгамов, В.Н. Подымов, В.И. Кондратьев, L. Crocco, D.T. Harrje, F.H. Reardon, HJ. Merk, A.A. Putnam, N. Rott и другие.

Результаты многочисленных исследовательских и прикладных работ нашли отражение в ставших классическими книгах J1. Крокко и Чжень Синь-и, Б.В. Раушенбаха, М.С. Натанзона, F.H. Reynst, В.Н. Подымова, B.C. Северянина и Я.М. Щелокова, В.Г. Базарова и A.B. Андреева, под редакцией Г.Ф. Кнорре, Дж. Маркштейна, Д.Т. Харье и Ф.Г. Рирдона, а также в трудах ряда отечественных конференций и международных симпозиумов по вибрационному, пульсационному горению.

Недавно вышли монографии A.B. Андреева, В.А. Лебедева, В.М. Чепкина и М.А. Ильченко, В.В. Критченко, Ю.С. Мнацаканяна, Н.М. Кинкэ, A.C. Рудакова, А.Н. Руденко, Е.А. Фоломеева, B.JI. Эпштейна, в которых систематизированы работы российских ученых по изучению и отработке устойчивости процесса горения в двигателях летательных аппаратов.

Выдающуюся роль в развитии теории вибрационного горения сыграли труды Б.В. Раушенбаха, М.С. Натанзона, H.A. Аккермана, B.JI. Эпштейна, L. Crocco, H.J. Merk, A.A. Putnam, которые ввели в рассмотрение феноменологическое время запаздывания горения, передаточные функции для описания нестационарных процессов в зоне горения, разработали модель, в которой реальная зона горения заменяется плоскостью разрыва с расположенными на ней источниками теплоты и массы. Такой подход позволил решить целый ряд линейных задач по определению границ неустойчивости и частот колебаний, возникающих в классических лабораторных установках и промышленных камерах сгорания. Однако, разработка теоретической модели, которая позволит с единых позиций изучать термоакустические колебания в типовых установках (труба, резонатор Гельмгольца, емкость-труба, две последовательно соединенные трубы) осталась нерешенной задачей.

Для нахождения амплитуды установившихся колебаний газа, которая в первую очередь влияет на интенсификацию процессов горения и теплообмена необходимо учитывать нелинейный характер изучаемого явления. Такие задачи являются чрезвычайно сложными, так как приводят к необходимости исследовать не просто нелинейные колебания газа, а их взаимодействие с тепловым источником, теплоотдача которого - тоже нелинейный процесс, а в установках с горением - цепочка взаимосвязанных нелинейных процессов.

Методы численного анализа пока не нашли должного применения из-за трудностей, с которыми приходится сталкиваться при постановке и разработки алгоритмов решения задач теории автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

Имеется несколько аналитических подходов к решению нелинейных задач теории термоакустических колебаний. Один из них приводит к необходимости решать волновое уравнение, в правой части которого находится нелинейная функция, описывающая влияние колебаний давления или скорости газа на скорость теплоотдачи источника. Граничные условия, как правило, тоже нелинейные. Используются методы теории нелинейных колебаний. Другой подход основан на анализе соотношений, связывающих акустические возмущения параметров потока на границах области теплоподвода с учетом нелинейной зависимости скорости тепловыделения от акустического давления или скорости. В результате получается система нелинейных алгебраических уравнений, которая решается только численными методами. Методики расчета, основанные на этих подходах, - весьма громоздкие, так как включают последовательное решение ряда задач: исследование собственных колебаний газа (начальное приближение), определение частоты колебаний линейного приближения и границ неустойчивости, анализ условий самовозбуждения колебаний, и только после этого, определение частоты и амплитуды установившихся колебаний с заданной точностью.

Сравнительно простым и наглядным с физической точки зрения является энергетический подход, который использовали в своих работах Б.В. Раушенбах, М.С. Натанзон, К.И. Артамонов, В.И. Фурлетов, Р.Г. Галиуллин, A.A. Putnam, N. Rott. Однако, возможности этого подхода для определения амплитуды автоколебаний в установках с источниками теплоты и массы пока мало изучены.

При исследовании термоакустических колебаний обычно считается, что поток газа состоит из двух частей - холодной и горячей, разделенных плоскостью, в которой происходит скачок температуры, а ее распределение по оси канала имеет ступенчатый характер. В достаточно длинных камерах сгорания, а также при наличии охлаждающих устройств, температуры газа в зоне горения и на выходе из установки значительно отличаются. Появляется продольный градиент скорости звука, учет которого, а также присутствия в потоке плохообтекаемого тел - стабилизаторов пламени, вносит существенные изменения в постановку задач исследования термоакустических колебаний. В настоящее время не разработана методика, которая сравнительно просто позволила бы, во-первых, проводить расчеты границ неустойчивости, частот и амплитуд автоколебаний газа в конкретных типовых установках с тепловыми источниками и, во-вторых, построить обобщенную теоретическую модель термоакустических колебаний. Есть основания полагать, что энергетический подход даст возможность решить эти задачи. Энергетическое условие, соответствующее границе неустойчивости и колебаниям с установившейся амплитудой, - одинаковое и заключается в равенстве акустической энергии, генерируемой тепловым источником, ее потерям. Появляется возможность упростить расчеты, так как условия, соответствующие границе неустойчивости (когда амплитуда колебаний равна нулю), автоматически определяются в процессе вычисления амплитуды установившихся колебаний. Энергетическое условие записано в общем виде, входящие в него акустические энергии определяются по одной и той же классической формуле гидродинамики для потока энергии, а вычисления не вызывают каких-либо затруднений.

Обширные исследования акустической неустойчивости горения в ракетных и реактивных двигателях были выполнены в НПО «Сатурн» под общим руководством академика А.Н. Люльки и Генерального конструктора, д.т.н. В.М. Чепкина.

В последние годы интенсивная работа по созданию и внедрению камер пульсирующего горения ведутся в акустической лаборатории КФВАУ совместно с теплофизиками Казанского государственного университета.

Для исследования автоколебаний газа, возникающих при горении в промышленных камерах сгорания, широко используются лабораторные и стендовые модели, которые позволяют с наименьшими материальными затратами изучить интересующие аспекты вибрационного горения, оценить выдвигаемые гипотезы о механизмах обратной связи автоколебаний и результаты расчетов. Ряд моделей камер сгорания ГТД предложили

A.B. Андреев, Ю.П. Марчуков, Е.Ю. Марчуков, В.Н. Подымов, В.М. Ларионов, устройств вибрационного горения твердого топлива - B.C. Северянин,

B.Н. Подымов, Т.П. Назаренко, Ф.Н. Имамутдинов, A.B. Кочергин, Г.И. Павлов и другие. Возникла необходимость детального экспериментального исследования автоколебаний газа в этих установках.

В диссертации изложены результаты работ автора, выполненных в Казанском государственном университете, в рамках научного направления «Физика конденсированного состояния», а также по договорам с НПО «Сатурн» и ОАО «Казанский вертолетный завод».

Цель работы:

1. Разработка методик расчета границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний газа в типовых установках вибрационного горения, создание обобщенной теоретической модели автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

2. Определение механизмов и условий возбуждения автоколебаний газа на основании результатов измерений, выполненных на лабораторных моделях камер сгорания ГТД и установок для сжигания твердого кускового топлива.

Анализ экспериментальных и теоретических работ по теме диссертации, обоснование и формулировка задач исследования приводятся в главе 1.

Теоретическая часть работы изложена в Главах 2-5 и является основным содержанием диссертации. Известно, что любая автоколебательная система включает собственно колебательную систему и источник энергии, которые взаимодействуют между собой. Исходя из этого общего представления, а также с учетом основных положений энергетического подхода к изучению термоакустических колебаний были рассмотрены следующие вопросы:

1. Исследование собственных колебаний газа в основных типовых устройствах с учетом продольного градиента скорости звука и влияния плохообтекаемых тел. Анализ причин, приводящих к потерям акустической энергии.

2. Изучение процесса генерации акустической энергии областью теплоподвода вследствие воздействия колебаний скорости потока и давления на тепловой источник.

3. Анализ соотношения между акустической энергией, получаемой газом от источника, и ее потерями. Определение условий, при которых периодический теплоподвод к газу приводит к самовозбуждению акустических колебаний, а с течением времени к колебаниям с установившейся частотой и амплитудой.

В общем виде, но отдельно для трубы и установок типа емкость-труба, были получены выражения, на основании которых предложена методика проведения расчетов по определению границ неустойчивости, частот и амплитуд автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

Для оценки эффективности разработанной методики были выполнены расчеты для конкретных типовых установок, в которых теплота, необходимая для возбуждения колебаний, выделялась в результате сгорания топлива. Учитывалась степень изученности механизмов обратной связи автоколебаний, возможность их математического описания, чтобы сократить количество используемых эмпирических зависимостей и констант, а также практическая значимость. Исследовалось вибрационное горение предварительно подготовленной топливно-воздушной смеси. Использовались типовые установки с многоканальной горелкой (газовой форсункой) на входе и труба, в которой горение происходило за плохообтекаемым телом. Такие устройства широко применяются для изучения вопросов, относящихся к возбуждению акустических колебаний в камерах сгорания двигательных установок. Были получены экспериментальные данные, необходимые для оценки результатов вычислений, а также для определения значений некоторых величин, расчет которых вызывает серьезные затруднения.

Обобщение теоретических результатов предполагалось выполнить с целью разработки единого подхода к исследованию термоакустических колебаний в типовых установках. Предложено обобщенное устройство, состоящее из двух последовательно соединенных труб. Применение разработанной методики позволило получить обобщенные уравнения для анализа границы неустойчивости и определения частоты колебаний газа, а также обобщенную формулу для амплитуды установившихся колебаний давления в трубе, устройствах типа емкость-труба, а также в установках, занимающих промежуточное положение.

В главе 2 рассматриваются продольные колебания газа в трубе, устройствах типа емкость-труба. В отличие от работ других авторов учитывается понижение температуры газа и скорости звука после скачкообразного увеличения в плоскости теплоподвода. Аналитически решено волновое уравнение для газа, в котором скорость звука уменьшается по линейному закону. Получено обобщенное уравнение для расчета частот собственных колебаний газа в трубе с произвольными условиями на концах, произвольным расположением плоскости теплоподвода, с учетом акустического сопротивления плохообтекаемых тел, используемых для стабилизации пламени. На примере трубы, открытой на концах, и трубы, закрытой на входе, открытой на выходе, показано, что усреднение скорости звука в горячей части потока является некорректной операцией. В общем виде решена задача по определению частот колебаний газа в установках, состоящих из акустической емкости, в которой расположен тепловой источник, и трубы, включая устройства типа резонатора Гельмгольца. В заключение дан анализ причин приводящих к потерям акустической энергии, приведены формулы для количественной оценки потерь, связанных с поглощением звука на стенках и с его излучением на открытом конце трубы.

В главе 3 в результате линеаризации уравнений сохранения импульса и энергии получены соотношения, связывающие акустические возмущения параметров течения газа до и после области теплоподвода, имеющей свойства акустической емкости. Показано, что частным случаем найденных выражений являются уравнения, соответствующие модели Раушенбаха-Мерка для трубы постоянного сечения, содержащей плоскость теплоподвода. В общем виде получена формула для акустической энергии, генерируемой областью теплоподвода под воздействием акустических колебаний газа. Задача по определению амплитуды автоколебаний решалась в «квазилинейном» приближении. Считалось, что фазовый сдвиг между колебаниями скорости тепловыделения и колебаниями скорости потока на входе в область теплоподвода такой же, как и в линейном случае. Амплитуды колебаний указанных параметров связаны соотношением, в котором к линейной части добавлен дополнительный отрицательный член, пропорциональный квадрату амплитуды колебаний скорости потока, что позволяет учесть замедление темпа генерации акустической энергии по мере увеличения амплитуды колебаний газа. Аналогично связывались амплитуды колебаний давления и скорости газа на концах колебательной системы, где происходит излучение звука. В этом случае дополнительный член имеет положительный знак и отражает тот факт, что при усилении колебаний доля акустической энергии, излучаемой из системы, возрастает. Пристеночные потери определялись в линейной постановке. С учетом выражений для акустических возмущений, полученных во второй главе, выделяемая акустическая энергия и ее потери были представлены формулами, в которых они зависят от одного и того же параметра - амплитуды колебаний давления в области теплоподвода. Из анализа соотношения между получаемой и теряемой газом акустической энергии в линейном приближении было получено условие (критерий) самовозбуждения колебаний газа и уравнение границы неустойчивости, а с учетом нелинейных эффектов - формула для амплитуды установившихся колебаний давления в области теплоподвода. Задача по определению частоты термоакустических колебаний в трубе и устройстве типа емкость-труба решалась раздельно из-за существенного отличия акустических свойств этих систем. Находилась мнимая часть «характеристического» уравнения, которое является следствием соотношений, связывающих акустические возмущения параметров газа на входе и выходе из области теплоподвода. В общем виде получены выражения, определяющие частоты колебаний газа в типовых устройствах. На основании проведенного анализа предложен «комбинированный» метод исследования автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками, который является результатом развития и синтеза энергетического подхода и метода, связанного с анализом характеристического уравнения автоколебательной системы.

В главе 4 содержатся приложения общей теории, разработанной в предыдущей главе, к исследованию вибрационного горения в трубе, резонаторе Гельмгольца и устройстве типа емкость-труба с многоканальной горелкой на входе. Была разработана кинематическая модель переходного процесса пламени при скачкообразном изменении скорости истечения однородной газообразной смеси, истекающей из круглого отверстия и определена передаточная функция пламени.

Комбинированным методом были рассчитаны, а также определены экспериментально зависимости границ неустойчивости, частот и амплитуд колебаний давления в зоне горения от состава пропано-воздушной смеси и характерных геометрических параметров каждого типового устройства. Результаты вычислений количественно согласуются с экспериментальными данными.

В первой части главы 5 исследуется самовозбуждение колебаний газа в трубе при горении пропано-воздушной смеси за плохообтекаемым телом. В предположении, что причиной, вызывающей вибрационное горение, является волнообразование начального, ламинарного участка фронта пламени, была разработана кинематическая модель колеблющегося плоского пламени и определена его передаточная функция. Для трубы, акустически закрытой на входе, содержащей стабилизатор пламени, имеющий форму клина, были получены экспериментальные данные о влиянии состава смеси и скорости обтекания стабилизатора на границы неустойчивости, найдены частоты возбуждаемых колебаний. Аналогичное исследование было выполнено комбинированным методом. Результаты вычислений и измерений количественно согласуются.

Вторая часть главы 5 посвящена обобщению результатов, полученных для основных типовых устройств. Рассматривается установка, состоящая из двух последовательно соединенных труб. В первой, более широкой трубе, расположена плоскость теплоподвода. Горячий газ выходит через вторую, более узкую, резонансную трубу. Так как импедансы на концах труб не конкретизируются, размеры труб - произвольные, схема отражает основные характерные признаки промышленных камер сгорания, устройств вибрационного полезного назначения и лабораторных установок для проведения физических экспериментов. Показано, что при соответствующем выборе геометрических параметров труб установка трансформируется в одну трубу, устройство, состоящее из акустической емкости и трубы, резонатор Гельмгольца. На основании теоретических положений, изложенных во второй и третьей главах, получены обобщенные уравнения, определяющие границы неустойчивости и частоты колебаний, а также формула для амплитуды установившихся колебаний давления в плоскости теплоподвода (зоне горения). Нет необходимости начинать исследование термоакустических колебаний в какой-нибудь установке с выяснения, какого она типа. Тем более, что это связано с неопределенностью количественной оценки условий, при которых получается тот или иной тип устройства. Полученные обобщенные выражения позволяют избежать указанных затруднений.

В главе 6 приведены результаты экспериментальных исследований, имеющих конкретную практическую направленность. Были изучены особенности самовозбуждения колебаний газа в двухконтурной модели камеры сгорания ГТД. Установлено, что вибрационное горение возникает при определенных соотношениях расхода воздуха, поступающего из второго (внешнего) контура, и расхода топлива, вводимого в поток газа, выходящего из первого контура. Подтверждена гипотеза о том, что уменьшая расход воздуха во внешнем контуре и подавая недостающее количество воздуха за стабилизатор пламени, можно сократить область значений параметров, при которых возникает неустойчивость процесса горения.

Была создана одноконтурная лабораторная модель камеры ГТД для исследования влияния впрыска водяного пара на устойчивость процесса горения. Пар вводился в поток топливно-воздушной смеси до стабилизатора пламени и в рециркуляционную зону, причем конструкция стабилизатора такова, что пар мог подаваться вдоль створок стабилизатора и по центру рециркуляционной зоны. Введение пара любым из перечисленных способов повышает устойчивость процесса горения. Впрыск пара в центр рециркуляионной зоны оказался наиболее эффективным. В этом случае удалось полностью устранить колебания газа. На основании полученных результатов совместно с конструкторским бюро НПО «Сатурн» была разработана экспериментальная (стендовая) камера сгорания, а также предложен ряд новых технических решений, обеспечивающих устойчивость процесса горения в промышленных установках.

Исследование вибрационного горения твердого кускового топлива в трубе и установке типа емкость-труба показало, что процессы самовозбуждения колебаний в рассматриваемом случае и в установке «капиллярное поющее пламя» аналогичны и имеют диффузионный характер. Обнаружено, что автоколебания газа могут иметь «жесткий» характер возбуждения. Для этого нет необходимости в начальном импульсе давления, а достаточно, чтобы амплитуда автоколебаний, возникающих «мягко» (в результате усиления бесконечно малых акустических возмущений), достигла некоторого критического значения. «Жесткий» режим приводит к более интенсивному горению топлива, чем «мягкий». Для установки типа емкость-труба найдены условия, при которых амплитуда автоколебаний газа максимальна, а режим горения - наиболее интенсивный. Результаты выполненного исследования были использованы при разработке печей типа трубы и емкость-труба для огневой утилизации твердых производственных отходов ОАО «Казанский вертолетный завод».

Важным, с практической точки зрения, приложением теории, изложенной в главах 2 и 3, являются формулы для действительной и мнимой части передаточной функции зоны горения в трубе, открытой на концах. На их основании предложен простой, по сравнению с имеющимися, метод экспериментального определения этой функции и дана его иллюстрация на примере горения образцов из органического стекла. Открываются широкие возможности для исследования влияния акустических колебаний на скорость тепловыделения при горении различных видов топлива, построения теоретических моделей вибрационного горения, необходимых для проектирования и создания энергетических установок с вибрационным режимом горения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методики расчетов частот продольных колебаний газа в трубе и установках типа емкость-труба с учетом градиента температуры и наличия плохообтекаемых тел.

2. Теоретический подход к исследованию автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками. Методика и алгоритм проведения расчетов границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний газа в типовых установках с горением.

3. Физические механизмы и математические модели колебаний пламени однородной смеси, истекающей из отверстия, и при обтекании стабилизатора.

4. Обобщенная теоретическая модель автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

5. Результаты экспериментального исследования акустической неустойчивости горения на лабораторных моделях камер сгорания ГТД и рекомендации по устранению колебаний.

6. Экспериментальные данные и физические механизмы возбуждения колебаний газа при горении твердого топлива в трубе и установке типа емкость-труба.

7. Метод определения передаточных функций процесса горения и его обоснование.

Научная новизна диссертации, в целом, состоит в том, что в результате развития энергетического подхода разработана новая методика решения общих и прикладных задач теории автоколебаний газа в энергетических установках с тепловыми источниками. На моделях камер сгорания ГТД и установок для сжигания твердого топлива обнаружены и исследованы ранее неизвестные особенности возбуждения колебаний газа при подводе теплоты, выделяющейся в результате сгорания топлива.

Новым в работе является следующее:

1. Постановка, теоретическое решение задачи и результаты экспериментального исследования собственных, продольных колебаний газа в трубе и установке «емкость-труба» с учетом охлаждения газа и влияния плохообтекаемых тел.

2. Общий алгоритм и методики расчетов границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний давления при вибрационном горении в основных типовых установках.

3. Теоретические модели колебаний пламени при горении однородной смеси за стабилизатором и в случае ее истечения из отверстия.

4. Обобщенная теоретическая модель автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками.

5. Впервые на лабораторных установках смоделирован и изучен процесс возбуждения колебаний газа в форсажной камере двухконтурного ТРД. Установлено, что наиболее эффективным средством, обеспечивающим устойчивость процесса горения, является подача пара в рециркуляционную зону стабилизатора пламени.

6. Обнаружен эффект постепенного перехода от автоколебаний с «мягким» самовозбуждением к режиму, который соответствует «жесткому», нелинейному характеру возбуждения колебаний газа при горении твердого топлива в трубе.

7. Теоретическое обоснование и примеры использования нового, сравнительно простого метода экспериментального определения передаточной функции зоны горения.

Достоверность полученных результатов. Теоретические модели разрабатывались на основе фундаментальных физических законов и уравнений, основополагающих результатов, полученных ранее другими учеными. Применялись строгие математические методы и надежное программное обеспечение. Результаты расчетов подвергались тщательной экспериментальной проверке. Использовались аттестованные приборы, апробированные методики получения данных, обработки результатов измерений, оценки их точности.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанный в диссертации теоретический подход, обобщенную модель термоакустических колебаний можно оценить как заметный вклад в общую теорию автоколебаний газа в установках с источниками теплоты и массы. Предложенные методики проведения расчетов и экспериментальные данные являются необходимой основой для создания энергетических установок с вибрационным режимом горения топлива, в частности печей для утилизации твердых промышленных и бытовых отходов. Результаты исследования неустойчивости горения на лабораторных моделях газотурбинных двигателей дали возможность разработать рекомендации по обеспечению устойчивости рабочего процесса в промышленных установках.

Реализация результатов. На основании результатов лабораторных исследований, разработанных рекомендаций и последовавших стендовых испытаний были разработаны конкретные меры по устранению автоколебаний газа в камерах сгорания энергетических установок, выпускаемых НПО «Сатурн». Комбинированный метод и полученные в работе экспериментальные данные были использованы при создании опытного промышленного образца печи для утилизации отходов ОАО «Казанский вертолетный завод», воздухоподогревателя электромоторного оборудования ГУП «Татвториндустрия». Автор выражает признательность A.B. Андрееву, Е.Ю. Марчукову, И.С. Бугакову, О.Х. Ягофарову, Г.И. Павлову за содействие в практической реализации результатов работы.

Теоретические разработки и лабораторные установки используются в учебных курсах «Устойчивость теплофизических систем с горением»,

Гидродинамика горения», читаемых автором на физическом факультете Казанского государственного университета.

Пути дальнейшей реализации. Разработанный в диссертации теоретический подход открывает широкие возможности для исследования автоколебаний газа, возникающих при горении в установках более сложных типов - сдвоенные, коаксиальные камеры сгорания, устройства с многоступенчатым сжиганием (дожиганием) топлива и пр. Полученные обобщенные уравнения и формулы дают возможность проводить расчеты, необходимые для проектирования и создания промышленных установок вибрационного горения различного назначения, в том числе для утилизации промышленных и бытовых отходов. Рекомендации по устранению колебаний в камерах сгорания ГТД могут быть использованы при разработке мер по обеспечению устойчивости процесса горения в двигателях новых поколений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных межвузовских конференциях «Газотурбинные и комбинированные установки» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1986, 1991 гг.), V и VI Международных конференциях «Нелинейные колебания механических систем» (Н. Новгород, 1999, 2002 гг.), III и V Международные конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Москва, 2000 г., Самара, 2004 г.), XIII - XVI Всероссийских конференциях «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 1999-2004 гг.), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.), VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» (Казань, 2002 г.), XVI сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды (Казань, 2002 г.), Международной конференции «Advanced Problems in Thermal Convection» (Пермь, 2003 г.), ежегодных итоговых конференциях Казанского государственного университета.

Содержание диссертации отражено в 34 основных работах. Из них - 1 монография, 1 методическая разработка, 16 статей, 5 авторских свидетельств, 11 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Ларионов, Виктор Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научные положения и результаты выполненной работы можно квалифицировать как крупное научное достижение, развивающее общую теорию автоколебаний газа в установках с источниками теплоты и массы, позволяющее решать такие важные практические задачи, как: обеспечение устойчивости процесса горения в газотурбинных двигателях; создание энергетических установок, работающих в автоколебательном режиме горения. Основные результаты и выводы:

1. Разработаны методики расчетов собственных частот продольных колебаний газа в трубе, установках типа емкость-труба с учетом линейного распределения скорости звука в горячем газе и при наличии плохообтекаемых тел. Установлено, что при непрерывном перемещении пламени вдоль трубы частоты изменяются не монотонно - имеются максимумы и минимумы, а влиянием плохообтекаемых тел на частоты колебаний можно пренебречь, если степень перекрытия сечения трубы меньше 0.85. Показано, что только с учетом градиента скорости звука в горячем газе результаты вычислений качественно и количественно согласуются с экспериментальными данными.

2. Построены кинематические модели колебаний пламени и определены его передаточные функции при горении однородной смеси, истекающей из отверстия и обтекающей стабилизатор.

3. На основании энергетического подхода, в квазилинейном приближении разработана новая методика расчета границ неустойчивости, частот и амплитуд установившихся колебаний давления в типовых установках с тепловыми источниками. Результаты вычислений, полученные для устройств с многоканальной горелкой на входе и при горении за стабилизатором пламени в трубе, качественно и количественно согласуются с экспериментальными данными.

4. Показано, что труба, устройство типа емкость-труба с тепловыми источниками являются частными случаями установки, состоящей из двух последовательно соединенных труб, в одной из которых, более широкой, расположена плоскость теплоподвода. Разработана обобщенная теоретическая модель, позволяющая с единых позиций проводить расчеты границ неустойчивости, частот и амплитуд автоколебаний газа не только в типовых энергетических установках, но и в тех, которые занимают промежуточное положение.

5. Экспериментально обоснованы и реализованы на практике следующие рекомендации по устранению автоколебаний газа в камерах сгорания газотурбинных двигателей: впрыск водяного пара в количестве, примерно равном расходу топлива, и перепуск из внешнего контура около 0.1 общего расхода воздуха в рециркуляционную зону за стабилизатор пламени; смещение створок стабилизатора в осевом направлении относительно друг друга.

6. Установлено, что при горении твердого топлива в трубе и установке типа емкость-труба самовозбуждение колебаний газа происходит «мягко», вследствие периодического тепловыделения, вызванного колебаниями скорости воздуха, обтекающего слой топлива. Обнаружены прямой и обратный переходы между «мягким» и «жестким» режимами автоколебаний газа в трубе.

7. Теоретически и экспериментально обоснован простой, по сравнению с имеющимися, метод определения передаточной функции зоны горения. Показано, что для этого достаточно найти координаты, характеризующие положения зоны горения, между которыми наблюдаются автоколебания газа в открытой на концах трубе, измерить соответствующие частоты колебаний и подставить их в полученные формулы для действительной и мнимой части передаточной функции.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Ларионов, Виктор Михайлович, 2004 год

1. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. М.: Физматгиз, 1961. 500 с.

2. Рогинский О.Г. О вибрационном горении // Акуст. журн. 1961. Т.7. Вып. 2. С. 131-154.

3. Неустойчивость горения в ЖРД / Под ред. Д.Т. Харье и Ф.Г. Рирдона. М.: Мир, 1975.869 с.

4. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Черенков А.С., Основы теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках. М.: Химия, 2000. 520 с.

5. Rott N. Thermoacoustics // Advanced Applied Mechanics. 1980. Vol. 20. P. 135-175.

6. Беляев H.M., Велик Н.П., Полыпин A.B. Термо-акустические колебания газо-жидкостных потоков в сложных трубопроводах энергетических установок. Киев-Липецк: Вища школа, 1985. 160 с.

7. Higgins В. On the sound produced by a current of hydrogen gas passing through a tube // Journal Natural Philosofy,Chemistiy and the Arts. 1802. Vol.1. P.129.

8. Jones A.T. Singing flames //JASA. 1945. Vol.16. N 4. P. 254-266.

9. Afanas'ev V.V., Abrukov S.A., Kidin N.I. and Kuz'min A.K. Conditions for the exitation of a laminar kinetic sining flame // Combustion Explosion, Shock Waves. 1995. Vol. 31. P. 423-436.

10. Подымов B.H. О новом виде поющего пламени // Изв. вузов. Физика. 1959. №3. С. 171-172.

11. Теодорчик К.Ф. Автоколебательные системы. М.-Л.: ГИТТЛ, 1952. 271 с.

12. Rijke P.L. Notiz uber eine neue Art, die in einer am beiden Enden offenen Rohre enthaltene Luft in Schwinggungen zu versetzen // Pogg. Ann. Phys. und Chem. 1859. Vol. 107. S. 339-345.

13. Марченко B.H., Тимошенко В.И. Исследование термической генераций звука в трубе Рийке // Акуст. журн. 1970. Т. 16. Вып. 2. С.274-275.

14. Мароне И.Я., Таракановский А.А. Исследование возбуждения звука в трубе Рийке//Акуст. журн. 1967. Т. 13. Вып. 2. С. 261-263.

15. Sondhauss С. Uber die Schallschwingungen der Luft in erhitizten Glassrohen und gedeckten Pfeifen von ungleicher Weite // Pogg. Ann. Phys. und Chem. 1850. Vol. 79. S. 1-34.

16. Абруков С.А. О границах вибрационного распространения пламени в узких трубках // Труды II Всесоюзн. науч.-техн. конф. по вибрационному и пульсационному горению. Казань: Изд-во КГУ, 1963. С. 13-22.

17. Абруков С.А. Зависимость пределов вибрационного распространения пламени от температуры, давления и добавки инертных примесей // Материалы III Всесоюзн. совещ. по теории горения. М.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 44-50.

18. Подымов В.Н., Галиуллин Р.Г. О вибрационном горении обращенного пламени // Сб. Исследование тепло- и массообмена в технологических аппаратах. Минск: Наука и техника, 1966. С. 254-259.

19. Кондратьев В.И. Моделирование осциллограммы звука, излучаемого открытым поющим пламенем // Сб. Вибрационное горение в некоторых модельных устройствах. Казань: Изд-во КГУ, 1970. С. 55-71.

20. Соловьев В.В. К вопросу вибрационного горения в высоконапряженных топочных камерах//Инж.-физ. журн. 1959. № 1. С. 25-31.

21. Рогинский О.Г. О подавлении вибрационного горения в котлах с камерными топками // Труды II Всесоюзн. науч.-техн. конф. по вибрационному и пульсационному горению. Казань: Изд-во КГУ, 1963, С.113-122.

22. Дубровский О.В. Экспериментальное исследование пульсационного горения жидкого топлива в камерах сгорания стационарных газотурбинных установок// Теплоэнергетика. 1959. № 6. С. 56-61.

23. Жеребцов И.М., Христич В.А. Влияние некоторых конструктивных и режимных факторов на вибрационное горение газа в камерах сгорания газотурбинного типа//Труды ЦКТИ. Л., 1965. Вып. 64. С. 8-14.

24. Калугин Я.П., Арсеев A.B. Исследование пульсаций в доменных воздухонагревателях // Сб. Пульсационное горение. Челябинск: НТО ЭП, 1968. С. 153-161.

25. Марголин А.Д., Щурин P.M. Вибрационное горение в газовых печах с беспламенными панельными горелками // Труды ЦКТИ. Л., 1965. Т. 64. С. 49-50.

26. Щурин P.M. Исследование причин возникновения режима вибрационного горения в промышленных печах с панельными горелками // Труды ЦКТИ. Л., 1965. Т. 64. С. 36-41.

27. Христич В.А., Жеребцов И.М., Шпекторова Т.Я., Варварский B.C. Вибрационное горение в высоконапорном парогенераторе ВПГ-50 и некоторые возможности его устранения // Сб. Пульсационное горение. Челябинск: НТО ЭП. 1968. С. 135-140.

28. Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочих процессов в камерах сгорания ВРД // М.: Машиностроение, 1964. 347 с.

29. Бондарюк М.М., Ильяшенко С.М. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели. М.: Оборонгиз, 1958. 382 с.

30. Фенни Дж., Форни Г., Гармон Р. Камеры сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей // Сб. Вопросы ракетной техники. М.: Иностранная литература, 1952. № 2. С. 77-97.

31. Эдварде Дж. Увеличение тяги турбореактивных двигателей с помощью форсажных камер // Сб. Вопросы ракетной техники. М.: Иностранная литература, 1955. № 5. С. 65-67.

32. Мошкин Е.К. Нестационарные режимы работы ЖРД. М.: Машиностроение, 1970. 336 с.

33. Артамонов К.И. Термогидроакустическая устойчивость. М.: Машиностроение, 1982. 261 с.

34. Жидкие и твердые ракетные топлива / Под ред. Ю.Х. Шаулова. М.: Иностранная литература, 1959. 231 с.

35. Berman К., Cheney S. Combustion studies in rocket motors // J.Amer.Rocket Soc. 1953. Vol.23. P. 89.

36. Эллис X., Оджерс И. Экспериментальное исследование неустойчивости горения в ракетных двигателях // Сб. Вопросы горения и детонационных волн. М.: Оборонгиз, 1958. С. 631.

37. Смит Р., Спрингер Д. Неустойчивость горения в ракетных двигателях, работающих на твердом топливе // Сб. Вопросы горения и детонационных волн. М.: Оборонгиз, 1958. С.643-648.

38. Вильяме Ф.А. Теория горения. М.: Наука, 1971. 616 с.

39. Смит Е. Ракетные двигатели на твердом топливе // Сб. Вопросы ракетной техники. М.: Иностранная литература, 1958. №4. С.147-160.

40. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1981. 551 с.

41. Клаузер Ф. Работа диффузоров прямоточных реактивных двигателей при сверхзвуковых скоростях полета // Сб. Вопросы ракетной техники. М.: Иностранная литература, 1955. №1. С. 29^42.

42. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1979. 431 с.

43. Нестационарное распространение пламени / Под ред. Дж. Маркштейна. М.: Мир, 1968.438 с.

44. Putnam А.А., Dennis W.R. Organ-pipe oscillations in a burner with deep ports //JASA. 1956. Vol.28. P.260.

45. Патнем A., Деннис В. Исследование вибрационного горения в горелках // Сб. Вопросы ракетной техники. М.: Иностранная литература, 1954. № 5. С. 69-97.

46. Putnam А.А., Dennis W.R. A survey of organ-pipe oscillations in combustion systems // JASA. 1956. Vol.28. P.246.

47. Прохоров A.B., Фурлетов В.И. Экспериментальное исследование возбуждения вибрационного горения однородной смеси в модельной камере // Физика горения и взрыва. 1979. № 3. С. 4(М7.

48. Теория топочных процессов / Под ред. Г.Ф.Кнорре. M.-JL: Энергия, 1966. 491 с.

49. Палеев И.И., Кацнельсон Б.Д., Таракановский А.А. Теплообмен и массообмен частиц в потоке при пульсациях // Труды II Всесоюзн. науч-техн. конф. по вибрационному и пульсационному горению. Казань: Изд-во КГУ, 1963. С. 150-162.

50. Синельников А.С. Применение метода пульсационных потоков в химической технологии топлива // Труды II Всесоюзн. науч.-техн. конф. по вибрационному и пульсационному горению, Казань: Изд-во КГУ, 1963. С. 163-166.

51. Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Болдарев А.М., Терлеев П.Н. Тепло- и массообмен в звуковом поле. Новосибирск: Наука, 1970. 253 с.

52. Галиуллин Р.Г., Репин В.Б., Халитов Р.К. Течение вязкой жидкости и теплообмен тел в звуковом поле. Казань: Изд-во КГУ, 1978. 128 с.

53. Галицейский Б.М., Рыжов Ю.А., Якуш Б.В. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. М.: Машиностроение, 1977. 256 с.

54. Подымов В.Н., Северянин B.C., Щелоков Я.М. Прикладные исследования вибрационного горения. Казань: Изд-во КГУ, 1878. 219 с.

55. Shuster К., Fishman M., Goldstein A., Gutfinger С. Agglomeration of submicrometer particles in weak periodic shock waves // Phys. Fluids. 2002. Vol. 14. P. 1802-1824.

56. Гуляев А.И., Кузнецов B.M. Коагуляция аэрозолей под действием периодических ударных волн // Акуст. журн. 1962. Т.8. Вып. 4. С. 473475.

57. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Галиуллин Р.Г., Галиуллина Э.Р. Нелинейные колебания аэрозоля в закрытой трубе // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2002. №9-10. С. 3-8

58. Ганиев Р.Ф., Кобаско Н.И. и др. Колебательные явления в многофазных средах и их использование в технологии. Киев: Техника, 1980.143 с.

59. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. Т.1. 464 с.

60. Севастьянов И.М., Танин К.С. Взаимосвязь основных параметров камер пульсирующего горения типа резонатора Гельмгольца //Физика горения и взрыва. 1975. №5. С.750-755.

61. Севастьянов И.М. Исследование колебательных характеристик резонатора Гельмгольца при колебаниях конечной амплитуды // Изв. АН СССР. МЖГ. 1976. №5. С. 185-186

62. Tang Y.M., Waldherr G., Jagoda J.I. and Zinn B.T. Heat Release Timing in a Nonpremixed Helmholtz Pulse Combustor II Combustion and Flame. 1995. Vol.100. P.251-261.

63. Гладышев В.H. Об автоколебаниях при фронтальном горении топливной смеси в резонаторе с сосредоточненными параметрами // Инж.-физ. журн. 1999. Т. 72. №5. С.1033—1040.

64. Боровченко Е.А., Парнас A.J1. Экспериментальное изучение условий возбуждения вибрационного горения при сжигании жидкого топлива II Труды II Всесоюзн. конф. по вибрационному горению. Казань: Изд-во КГУ, 1963. С. 142-149.

65. Reynst F.N. Pulsating Combustion. London: Pergamon Press. 1961.

66. Бабкин Ю.Л. Работы по пульсационному сжиганию жидких топлив // Труды I Всесоюзн. конф. по вибрационному горению. М.: ГИАП, 1962. с. 77-78.

67. Бабкин Ю.Л., Шилин А.Н. Блок камер для пульсирующего горения мазута БКПГ-5000 // Сб.: Пульсационное горение. Челябинск: НТО ЭП, 1968. С. 84-86.

68. Северянин B.C. Горение частицы твердого топлива в пульсирующем потоке // Изв. вузов. Энергетика. 1975. №6. С. 144-146.

69. А.С. 348821 СССР. Камера пульсирующего горения / Северянин B.C., Лысков В.Я. // Б.И. 1972. №25.

70. А.С. 694734 СССР. Устройство для сжигания топлива в пульсирующем потоке /Ф.Н. Имамутдинов, В.Н. Подымов, А.П. Стрельников и др. // Б.И. 1979. №40

71. А.С. 556274 СССР. Устройство для сжигания кускового твердого топлива в пульсирующем потоке /Ф.Н. Имамутдинов, Т.И. Назаренко // Б.И. 1977. №16.

72. А.С. 673809 СССР. Устройство для сжигания кускового твердого топлива в пульсирующем потоке /Ф.Н. Имамутдинов, Т.И. Назаренко // Б.И. 1979 №26.

73. А.С. 800485 СССР. Устройство для сжигания кускового твердого топлива в пульсирующем потоке /Ф.Н. Имамутдинов, Т.И. Назаренко // Б.И. 1981. №4.

74. Carvalho J.A. Behavior of solid particles in pulsating flows // Sound and Vibration. 1995. Vol. 185. P.581-593.

75. Lacava P.T., Carvalho J.A., McQuay M.Q. Pulsating combustion characteristics of a spray flame in a Rijke tube with two different atomizers // Fuel. 1997. Vol. 76. № 9. P. 845-851.

76. Dubey R.K., Black D.L., McQuay M.Q. and Carvalho J.A. The effect of acoustics on an ethanol spray flame in a propane-fired pulse combustor // Combustion and Flame. 1997. Vol. 110. P. 25-38.

77. Carvalho J.A., McQuay M.Q., Gotac P.R. The interaction of liquid reacting droplets with the pulsating flow in a Rijke-tube combustor // Combustion and Flame. 1997. Vol. 108. P. 87-103.

78. Ларионов B.M., Подымов В.Н. Об одном механизме вибрационного горения в камере Бабкина // Сб. Физика горения и методы ее исследования. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1973. Вып. 3. С. 22-27.

79. Ларионов В.М., Подымов В.Н. Некоторые свойства вибрационного горения в двух акустически связанных трубах // Изв. вузов. Авиационная техника. 1975. № 1. С. 86-90.

80. Ларионов В.М., Подымов В.Н. Влияние акустической связи на шум и амплитуду вибрационного горения в трубах // Сб. Вибрационное горение. Казань: Изд-во КГУ, 1977. С. 23-28.

81. Северянин B.C., Дерещук Б.М. О перспективах использования пульсирующего горения // Изв. вузов. Энергетика. 1977. №5. С.138-143.

82. Proceeding of the Symposium on Pulse Combustion Application. Atlanta. USA, 1982.

83. Proceeding of the Symposium (International) on Pulse Combustion. Monterey. USA, 1991.

84. Proceeding of the Workshop in Pulsating Combustion and its Applications. Mornington. Australia, 1995.

85. Вольфберг Д.Б., Троицкий A.A. Основные итоги XIV Конгресса Мировой энергетической конференции // Теплоэнергетика. 1990. №2. С.2-8.

86. A.C. №1123 на полезную модель. Устройство для сжигания кускового твердого топлива / Назаренко Т.И., Ваньков Ю.В., Кочергин A.B., Павлов Г.И.//Б.И. 1995. №11.

87. Павлов Г.И., Вишнев И.Ц., Кочергин A.B. Сжигает отходы и нагревает воду без дыма и без пыли. // Росс, специализир. журн. Энерго. 2001. № 1. С. 44-47.

88. Павлов Г.И. Генерация пульсаций в дожиговой камере // Сб. трудов 10 сессии Росс, акуст. общества. М.: ГЕОС, 2000. Т.2. С.88.

89. Павлов Г.И., Шакуров Р.Ф. Исследование физических принципов слоевого горения в коаксиальной КВГ // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2003. № 2. С.24-36.

90. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. М.: Наука, 1964,437 с.

91. Раушенбах Б.В. Об одном замечании Рэлея, связанном с термическим возбуждением звука//ДАН СССР. 1953. Т. 91. №4. С. 749-752.

92. Вуллис Л.А., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основы теории газового факела. Л.: Энергия, 1968. 250 с.

93. Крокко Л., Чжень Синь-и. Теория неустойчивости горения в жидкостных ракетных двигателях. М.: Иностранная литература, 1958. 351 с.

94. Рэлей. Теория звука. М.: Гостехиздат, 1955. Т.2. 300 с.

95. Неймарк Ю.И., Аронович Г.В. Об условиях самовозбуждения поющего пламени//ЖЭТФ. 1955. Т.28. Вып. 5. С.567-578.

96. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.

97. Натанзон М.С. Неустойчивость горения. М.: Машиностроение, 1986. 248 с.

98. Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М.: Машиностроение, 1974.227 с.

99. Махин В.А., Присняков В.Ф., Велик Н.П. Динамика жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1969. 384 с.

100. Крокко JL, Грей Д., Гарри Д. О роли времени запаздывания в возбуждении продольных высокочастотных колебаний в камере сгорания ЖРД // Сб. Вопросы ракетной техники, М.: Иностранная литература, 1959. Т. 5. С. 24-29.

101. Сгоссо L., Harrje D.T., Reardon F.H. Transverse combustion instability in liquid—propellat rocket motors // J. Amer. Roc. Soc. 1962. Vol.32. N3. P.366-373.

102. Merk H.J. Analysis of heat-driven oscillations of gas flows. P.l. // Appl. Sci. Res. 1956/57. A6. P.317.

103. Дорошенко B.E., Зайцев С.Ф., Фурлетов B.M. О двух режимах работы модельной камеры сгорания как термоакустической автоколебательной системы // ЖТФ. 1967. № 1. С.64-70.

104. Якупов Р.Г. Расчет автоколебаний газов в форсажной камере сгорания с учетом нелинейных свойств зоны теплоподвода // Изв. вузов. Авиационная техника. 1968. № 4. С.24-29.

105. Lores М.Е., Zinn В.Т. Nonlinear longitudinal combustion instability in rocket motors // AIAA Paper. 1973. N 217.

106. Culick P.E.G., Levine J.N. Comparison of approximate and numerical analyses of nonlinear combustion instability // AIAA Paper. 1974. N 201.

107. Rott N. Thermally driven acoustic oscillations. Part II: Stability limit for helium // J. Appl. Math. Phys. (ZAMP). 1973. Vol. 24. P. 54-72.

108. Галиуллин Р.Г., Ревва И.П., Халимов Г.Г. Теория термических автоколебаний. Казань: Изд-во КГУ, 1982. 155 с.

109. Ilgamov М.А., Zaripov R.G., Galiullin R.G., Repin V.B. Nonlinear oscillations of gas in a tube // Appl. Mech. Rev. 1996. V.49. N 3. P. 137-154.

110. Ильгамов M.A. Колебания упругих оболочек, содержащих жидкость и газ. М.: Наука, 1969. 182 с.

111. Зарипов Р.Г., Давыдов Р.И., Сонин Н.В. Продольные нелинейные колебания газа в закрытой трубе // ПМТФ, 1999. № 6. С.61-63.

112. Зарипов Р.Г., Давыдов Р.И., Сонин Н.В. Нелинейные колебания газа в окрестности открытого конца трубы // Изв. вузов. Авиационная техника. 2001. №3. С. 1-4

113. Зарипов Р.Г., Сонин Н.В., Галиуллин Р.Г., Галиуллина Э.Р. Нелинейные резонансные колебания газа во внешнем поле вблизи открытого конца трубы //Теплоф. и аэромех. 2001. Т.8. № 2. С.251-257.

114. Галиуллин Р.Г., Галиуллина Э.Р., Ларионов В.М. Резонансные колебания газа в трубе при наличии осевого градиента температуры // Изв. вузов. Авиационная техника. 1997. № 4. С. 50-53.

115. Галиуллин Р.Г., Тимохина Л.А., Филипов С.Е. Резонансные колебания в закрытой трубе со скачком температуры // Изв. вузов. Авиационная техника. 2002. № 4. С. 33-36.

116. Yoon H.G., Peddieson J.J., Kenneth R.P. Mathematical modeling of a generalized Rijke tube // Engineering Science. 1998. Vol.36. P.1235-1254.

117. Lieuwen T., Zinn B.T. Application of multipole expansions to sound generation from ducted unsteady combustion process // Sound and Vibration. 2000. Vol. 235. N 3. P.405-414.

118. Bisio G., Rubato G. Sondhauss and Rijke oscillations thermodynamic analysis, possible applications and analogies // Energy. 1999. Vol.24. P. 117131.

119. Lawn C.J. Interaction of the acoustic properties of a combustion chamber with those of premixture supply // Sound and Vibration. 1999. Vol. 224. N5. P. 785-808.

120. Fleifil M., Annaswamy A.M., Ghoneim Z.A. and Ghoniem A.F. Response of a laminar premixed flame to flow oscillations: a kinematic model and thermoacoustic instability results // Combustion and Flame. 1996. Vol.106. P. 487-510.

121. Im H.G., Law C.K., Kim J.S., Williams F.A. Response of counterflow diffusion flames to oscillating strain rates // Combustion and Flame. 1995. Vol. 100. P. 21-30.

122. Boshoff-Mostert L., Viljeen H.J. Analysis of combustion-driven acoustics // Chemical Engineering Sciences. 1998. Vol. 53. N9. P. 1679-1687.

123. Artyukh L.Y., Itskova P.G., Lukyanov A.T. Mathematical modeling of stabilitity of a nonadiabatic laminar premixed flame // Heat Mass Transfer, 1997. Vol. 40. N 9. P. 2235-2240.

124. Ржевкин C.H. Курс лекций по теории звука. M.: Изд-во МГУ, 1960. 336 с.

125. Скучик Е. Основы акустики. М.: Иностранная литература, 1959. Т.1. 388 с.

126. Stuhltager Е., Thomann H. Oscillation of a gas in a open-ended tube near resonance// Appl. Math. Phys. 1986. Vol. 37. P. 155-175.

127. Гладышев В.Н. О собственных частотах составного резонатора // Акуст. журн. 1984. Т.ЗО. №3. С. 391-392.

128. Матвеев Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Высш. шк., 1967. 564 с.

129. Иовлева О.В., Ильин Э.А., Зарипов Р.Г., Ларионов В.М. Расчет частот акустических колебаний газа при горении в трубе // Тезисы докл. V между народ, конф. «Нелинейные колебания механических систем». Н.Новгород, 1999. С. 108.

130. Van Wijngarden L. On oscillations near and at resonance in open pipes // Engin.Math. 1968. Vol.2. N 3. P. 225-240.

131. Merk H.J. Analysis of heat-driven oscillations of gas flows. P.III // Appl.Sci.Res. 1957/58. A7. P.175.

132. Merk H.J. Anaiysis of heat-driven oscillations of gas flows. P.IV // Appl.Sci.Res. 1957/58. A7. P. 192.

133. Ларионов В.М. Критерий возбуждения акустических колебаний в системе с многоканальной горелкой // Горение в потоке: Межвузов, сб. / Казан, авиац. ин-т. Казань, 1980. С. 31-36.

134. Ларионов В.М., Подымов В.Н. О границах возбуждения колебаний в системе с многоканальной горелкой // Физика горения и взрыва. 1984. №5. С. 81-83.

135. Ларионов В.М. Расчет границ вибрационного горения в камерах типа резонатора Гельмгольца // Изв. вузов. Авиационная техника. 1989. №3. С. 101-103.

136. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М.: Изд-во МГУ, 1957. 442 с.

137. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968. 592 с.

138. Ларионов В.М. Экспериментальное изучение возбуждения акустических колебаний в системе с многоканальной горелкой // Изв. вузов. Авиационная техника. 1980. № 3. С. 64-68.

139. Ларионов В.М. Об одной особенности вибрационного горения в системе с многоканальной горелкой // Изв. вузов. Авиационная техника. 1983. № 3. С. 85-86.

140. Ларионов В.М., Назаренко Т.И. Методика акустического расчета камер сгорания тепловых машин, работающих в режиме вибрационного горения // Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. №4. С. 68-69.

141. Галиуллин Р.Г., Ларионов В.М., Назаренко Т.И., Тимохина Л.А. Колебательные процессы в ограниченных и неограниченных струях //

142. Тезисы докл. III международ, конф. «Неравновесные процессы в соплах и струях». М, 2000. С. 97-98.

143. Галиуллин Р.Г., Галиуллина Э.Р., Зарипов Р.Г., Ларионов В.М. Нелинейные колебания однородного и неоднородного газа в трубах // Аннотации докл. VIII Всеросс. съезда по теоретической и прикладной механике. Пермь, 2001. С. 174.

144. Ларионов В.М., Назаренко Т.И. О возбуждении автоколебаний при горении в резонаторе Гельмгольца // Изв. вузов. Авиационная техника. 1988. № 1.С. 101-103.

145. Белодед О.В., Ларионов В.М. Расчет вибрационного горения в резонаторе Гельмгольца // Тезисы докл. VIII Четаевской международ, конф. «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением». Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2002. С. 232.

146. Ларионов В.М., Белодед О.В. Вибрационное горение в энергетических установках типа резонатора Гельмгольца // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2003. № 1-2. С. 47-53.

147. Патнэм А., Деннис В. Автоколебания при горении в трубе // Сб. Вопросы горения и детонационных волн. М.: Оборонгиз, 1958. С.392-396.

148. Скляров В.А., Фурлетов В.А. Влияние поперечной к потоку стоячей звуковой волны на турбулентное пламя // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19. №2. С. 49-57.

149. Фурлетов В.А. Прекращение периодического образования вихрей за стабилизатором в акустически задемпфированной камере после воспламенения смеси // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19. №2. С.65-71.

150. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. 715 с.

151. Вильяме Г., Хоттел Г., Скарлок А. Стабилизация и распространение пламени в газовом потоке большой скорости // Сб. Вопросы горения. М.: Иностранная литература, 1953. С. 31-64.

152. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1984.280 с.

153. Быковец А.П., Ларионов В.М., Марчуков Е.Ю. Влияние впрыска водяного пара на вибрационное горение в модельной камере сгорания // Изв. вузов. Авиационная техника. 1992. №3. С. 71-74.

154. Сиразетдинов Т.К. Устойчивость систем с распределенными параметрами. Новосибирск: Наука, 1987. 231 с.

155. СтрумпэИ.В., Фурлетов В.И. Анализ режима вибрационного горения энергетическим методом // Физика горения и взрыва. 1990. № 6. С. 42-53.

156. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478 с.

157. Ларионов В.М., Зарипов Р.Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во Казан, гос. технич. ун-та, 2003. 237 с.

158. A.C. 648797 СССР. Экспериментальная камера сгорания / А.В.Андреев, В.М. Ларионов, В.Н. Подымов // Б.И. 1979, № 7.

159. A.C. 928869 СССР. Андреев A.B., Ларионов В.М., Марчуков Ю.П., Подымов В.Н., 1982

160. A.C. 978658 СССР. Андреев A.B., Ларионов В.М., Подымов В.Н., Хартов A.M., 1982

161. A.C. 1494652 СССР. Андреев A.B., Ларионов В.М., Марчуков Е.Ю. и др.,1989

162. A.C. 1595096 СССР. Андреев A.B., Марчуков Е.Ю., Ларионов В.М. и др.,1990

163. Ларионов В.М., Подымов В.Н. Горючие газы в лабораторной практике. Метод, пособие. Казань: изд-во Казан, гос. ун-та, 1986. 32 с.

164. Ларионов В.М., Андреев A.B., Гарипов И.Г. Расчет процесса автоколебаний при горении в камерах типа резонатора Гельмгольца // Тезисы докл. Всесоюзн. межвуз. конф. «Газотурбинные и комбинированные установки» / МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1986. С. 78.

165. Ларионов В.М. Акустические колебания газа в канале с градиентом температуры // Труды VII Всеросс. научн.-техн. сем. «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика». Казань, 1995. С. 80-82.

166. Ларионов В.М. Влияние колебаний скорости потока на турбулентное пламя // Тезисы докл. VIII научн.-техн. сем. «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика» / Казань, КВАКНУ, 1996. С. 39-40.

167. Ларионов В.М. О методике расчета параметров вибрационного горения // Тезисы докл. IX научн.-техн. сем. «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика» / Казань, КВАКНУ, 1997. С. 35.

168. Ларионов В.М. Расчет частот колебаний газа при вибрационном горении // Тезисы докл. X научн.-техн. сем. «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика» / Казань, КВАКНУ, 1998. С. 32.

169. ИовлеваО.В., Ильин Э.А., Ларионов В.М. Расчет частот акустических колебаний газа при горении в трубе // Материалы докл. Всеросс. школысем. «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» / Казань, 1999. С. 59-61.

170. Ларионов В.М. Влияние теплообмена на вибрационное горение в трубе // Тезисы докл. XII научн.-техн. сем. «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» / Казань, Казан, филиал, воен. артил. ун-та, 2000. С. 101.

171. Белодед О.В., Филипов С.Е., Ларионов В.М. Акустические колебания газа в трубе при наличии температурной неоднородности // Материалы докл. Всеросс. школы-сем. «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» / Казань, 2000. С. 17-18.

172. Белодед О.В., Ларионов В.М. Вибрационное горение в трубе с многоканальной горелкой // Материалы докл. Всеросс. школы-сем. «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» / Казань, 2002. С. 66-67.

173. Larionov V.M., ZaripovR.G., Philipov S.E., BelodedO.V. Thermoacoustic oscillations of gas in installation with combustion //Abstracts of International Conférence «Advanced problems in thermal convection». Perm, 2003. P. 150.

174. Ларионов B.M., Белодед O.B. Вибрационное горение в трубе с многоканальной горелкой // Изв. Вузов: Авиационная техника. 2003. № 4. С. 48-51.

175. Ларионов В.М., Филипов С.Е., Белодед О.В. Вибрационное горение в энергетических установках типа «емкость-труба» // Изв. Вузов: Проблемы энергетики. 2003. № 11-12. С. 64-71.

176. Ларионов В.М., Назаренко Т.И., Филипов С.Е. Автоколебания газа в трубе при горении за стабилизатором пламени // Изв. Вузов: Авиационная техника. 2004. № 1. С. 36-39.

177. Филипов С.Е., Ларионов В.М. Вибрационное горение твердого топлива в устройстве типа «емкость-труба» // Изв. Вузов: Проблемы энергетики. 2004. №1-2. С. 135-138.

178. Ларионов В.М., Филипов С.Е., БелодедО.В. Теоретические модели автоколебаний газа в камерах сгорания энергетических установок // Тезисы докл. V Междунар. конф. «Неравновесные процессы в соплах и струях». Самара, 2004. С. 136-137.

179. Андреев A.B., Базаров В.Г. Динамика газожидкостных форсунок. М.: Машиностроение, 1991. 288 с.

180. Ильченко М.А., Кристченко В.В., Мнацаканян Ю.С., Кинкэ Н.М., Рудаков A.C., Руденко А.Н., Фоломеев Е.А., Эпштейн В.Л. Устойчивость рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1995. 320 с.

181. Andreyev A., Chepkin V. Methodology for Combustion Stability Analysis in Rocket and Airbreathing Chambers // 32th Joint Propulsion Conference. Lake Buena Vista, 1996. AIAA 96-3258.

182. Гойхенберг М.М., Канахин Ю.А., Сирачев M.K. Из истории создания первых отечественных кислородно-водородных ракетных двигателей // Научные чтения по космонавтике, избранные труды / М., 1999. С. 37-46.

183. Андреев A.B., Лебедев В.А., Чепкин В.М. Неустойчивость горения водорода и кислорода в жидкостных ракетных двигателях с дожиганием генераторного газа. М.: Изд. дом. «Навигатор-Экстра», 2000. 156 с.1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

184. А поток акустической энергии,

185. Ас акустическая мощность теплового источника,

186. А^ общие потери акустической энергии,

187. А0 пристеночные потери акустической энергии,

188. Ь градиент скорости звука в горячем газе,

189. Ьд коэффициент нелинейности в зависимости д'(и{),

190. Ъдг коэффициент нелинейности в зависимости Ас(рс),

191. Fq функция, зависящая только от параметров входного устройства, Fy - функция F с поправкой, см. (4.34), Fr = F после замены индексов, / - частота колебаний,

192. Gy а, Gy р объемные расходы воздуха и пропана, соответственно, Ga j, Ga 2 - объемные расходы воздуха в двухконтурной установке, gf - теплотворная способность единицы массы топлива, hj - высота пламени, / - мнимая единица,

193. Ms «присоединенная» масса газа при обтекании тел, - безразмерная «присоединенная» масса, см. (2.15), т - массовый расход газа,

194. Ат изменение массового расхода газа при скачкообразном увеличениискорости потока, т периодическая составляющая массового расхода,т = UnjlJn о используется в формуле (5.6),

195. N = п2/щ, Щ, п2 ~ коэффициенты зависимости Un{y), см. (5.4),п натуральный ряд чисел, Р - давление,р амплитуда колебаний давления,

196. О* о, ф соответствуют ламинарной части пламени при у = у ,1. Я радиус трубы, *

197. К газовая постоянная, г - радиальная координата,- радиус отверстий многоканальной горелки,площадь поперечного сечения канала, отверстия, *- часть площади зазора между кромкой стабилизатора и стенкой канала при *

198. Ид акустическая скорость на выходе из системы подачи, и - амплитуда колебаний скорости,

199. А- скачкообразное увеличение скорости истечения смеси из отверстия, V объем камеры сгорания, У0 - объем входной емкости,

200. V0J объем пространства между отверстием и основанием пламени,

201. Z = X + iY акустический импеданс,

202. Zq = -p(0,t)/u[(0,t) импеданс на входе в трубу,

203. Zq о — ~ р'о /Wq импеданс входного устройства,

204. Zj * = импеданс на левой стороне плоскоститеплоподвода,

205. Z2* =~ Pii* ,t)/ ~ импеданс на правой стороне плоскоститеплоподвода, Z/ = -p2{l,t)l,t) импеданс на конце трубы, а - коэффициент избытка воздуха,

206. ВРД воздушно-реактивный двигатель,

207. ГТД газотурбинный двигатель,1. ДТРД двухконтурный ТРД,

208. ЖРД жидкостной ракетный двигатель,1. ПВРД прямоточный ВРД,

209. ТРД турбо-реактивный двигатель,

210. УЗД уровень звукового давления.