Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 11

Верхний температурный предел соответствует концентрации «богатого» предела распространения пламени; дальнейшее повышение темпе- 55 Энзменты теернн горения ратуры обогащает смесь до такой степени, что делает ее негорючей. Предельные температуры существования горючих смесей показаны на рис.

2.1. Нижний температурный предел Т» представляет собой наинизшую температуру, при которой помимо жидкой фазы могкет образоваться горючая смесь. Этот предел называют теъсператйрой вспьсшки (при атмосферном давлении). Легкость образования количества паров, достаточного для формирования горючей смеси, зависит от давления паров топлива. Летучие топлива создают более высокое давление паров, что соответствует более низким значениям Тн, т. е. меньшей температуре вспышки.

При температурах, значительно превышающих температуру вспышки, внутри концентрационных пределов находится об. ласть, в которой происходит самовоспламенение паров топлива. В этом самопроизвольном процессе посторонний источник зажигания для инициирования распространения пламени не требуется. Самая низкая температура, при которой может происходить самовоспламенение, называется минимальной температурой самовоспламенения; она соответствует обычно стехиометрической или несколько более богатой смеси. При более высоких температурах область самовоспламенения расширяется. Влияние инертных разбааителей и обогащения кислородом на пределы распространения пламени Если горючую смесь разбавлять инертным газом, таким, как С02 или (к)2, область воспламенения сужается [2].

В пределе окажется возможным воспламенить смесь только единственного, оптимального состава (см, рис. 2.2). Этот состав, вообще говоря, не является стехиометри- рр ЧЕСКИМ; дЛя ТОПЛИВ, КОЭффн- ВМ О Соа Н, циент диффузии которых боль- В ше, чем для кислорода, смесь Й з будет беднее стехиометриче- й. ской, а для топлив с коэффи- мб циснтом диффузии, меньшим, О гп 2О зп АО ОО Хонцвннрссцолрозйовнмепл в смеси,я чем для кислорода (т.

е. для большинства углеводородов), Рис. 2 2. Пределы распространении оптимальная смесь будет бо. пламени пропановоздтшиой смеси, гаче стехиомет нческой. разбавленной СОт и Ь1а. че стехио. е р Комнатная температура, атмосферное ла- ПРИ КОНЦЕНтРаЦИИ КИСЛО. ааанпе. рода ниже некоторой предельной распространение пламени невозможно. В табл. 2.2 приводятся максимальные концентрации кислорода, безопасные (в отношении самовоспламенения) при атмосферном давлении и нормальной температуре для любой смеси неизвестного состава, состоя- 56 Глава 2 Таблица 2.2 Максимальное безопасное содержание кислорода в топливовоздушных смесях при атмосферном давлении и комнатной температуре и разбавлении смеси азотом или углекислым газом Максимальное безопасное содержание Ог, и Топливо Разбавление углеквслым газом Разбавление азатом щей из топлива и воздуха и разбавленной азотом или двуокисью углерода.

Эта характерная особенность может быть использована как мера предосторожности при хранении емкостей с топливом путем разбавления воздуха над поверхностью топлива двуокисью углерода или продуктами сгорания. ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГОРЕНИЯ На большей части рабочих режимов скорость химических реакций в камере сгорания газотурбинного двигателя очень высока. Степень завершенности горения лимитируется не химической кинетикой, а физическими процессами — испарением топлива и смешением его с воздухом.

В последнее время вследствие ряда взаимосвязанных причин интерес к химическим аспектам горения вновь возрос 16]. !. Исследования высокофорсированных камер сгорания, а также камер, работающих в широком диапазоне изменения давления, показали, что при определенных условиях !например, при низком давлении) именно химическая кинетика налагает предел достижимой скорости тепловыделения или полноте сгорания топлива. 2.

В современных авиационных газотурбинных двигателях высокая степень повышения давления обусловливает высокую Метан СНв Этан СгНв Пропан СзНв Бутан СвНзз Пентан СзНзг Гексан СвНы Газолнн Бензол СвНв Этен СгНв Пропен СзНв Бутадиен С4Нв Пиклопропзн СзНв Водород На Окись углерода СО Этнлен СгНв Пропилеи СзНв 12,1 11,0 11,4 12,! 12,1 ! 1,9 11,6 11,2 10,0 11,5 10,4 11,7 5,0 5,6 10,0 11,5 14,6 13,4 14,3 14,5 14,4 14,5 14,4 13,9 11,7 14,1 13,9 13,9 5,9 5,9 11,7 14,1 Элементы теории горение температуру воздуха на входе в камеру и, следовательно, высокую температуру пламени.

Диссоциация в таких высокотемпературных пламенах значительна, поэтому скорость реакций рекомбинации существенно влияет на суммарную полноту сгорания топлива и полезное тепловыделение. 3. Большинство применяемых камер сгорания выбрасывает незначительные количества несгоревшего, частично сгоревшего или разложившегося топлива. Хотя потери в тепловыделении, возникающие вследствие этого, могут быть пренебрежимо малыми, снижение выброса продуктов неполного сгорания, включающих сажу, несгоревшие углеводороды, окись углерода, а также выброса окислов азота желательно в интересах уменьшения загрязнения окружающей среды.

Рациональный подход к уменьшению вредных выбросов базируется на понимании механизма процесса горения и, в частности, механизма образования загрязняющих веществ и скорости нх исчезновения. 4. В ряде камер принципиально новых схем, таких, как каталитические камеры сгорания, пламя вообще отсутствует. Создание высокоэффективных камер такого рода во многом зависит от уровня знаний процесса каталитического горения. Химическая кикетика Хотя процесс горения включает такие подготовительные физические процессы, как впрыск топлива, его распыливание,.

испарение и смешение с воздухом, в конечном счете он все же представляет собой химическую ракцию. Для конструктора камеры сгорания важно знать, чтб является лимитирующим в данных конкретных условиях — химическая реакция или один из физических процессов. Поэтому необходимы по возможности полные сведения о скоростях химических реакций и о влиянии на них температуры, давления и состава реагирующей смеси, а также наличия или отсутствия поверхностей твердых тел в зоне реакции или введения в реагирующую систему источников .нергни.

«Элементарная реакция» характеризуется ее порядком. Реакции первого порядка представляют собой трансформацию молекулы в продукты реакции. К реакциям второго порядка, нли бимолекулярным реакциям, относят взаимодействие между двумя молекулами или между молекулой и атомом, в результате которого образуются продукты реакции. Реакциями третьего порядка называют одновременное взаимодействие между тремя компонентами.

Реакций третьего порядка между молекулами немного. Скорость реакции. Теоретической основой для представления . скорости химической реакции является закон действия масс,. устанавливающий зависимость скорости реакции ~или времени Глава Х изменения концентраций реагирующих компонентов) от концентраций компонентов. Это может быть проиллюстрировано с помощью общего уравнения реакции аА+ ЬВ- сС+ йР, Коэффициент йг называют константой скорости прямой реакции, а коэффициент [г,— константой скорости обратной реакции. Малярные концентрации [А], [В], [С], [Р] могут быть выражены в виде отношения числа молей компонента г к суммарному объему, отношения числа молей компонента г к суммарному числу молей или парциального давления рь Порядок реакции.

С помощью порядка реакции классифицируются различные законы для скорости реакции, т. е. нулевой порядок — = йб (2А) первый порядок — — „= Угг( [А]о — [х] ); гг [х] второй порядок —, =[гг([А]о — [х]) гг [х] о — — =аког([А]о — [х])([В]о — [х])' (27) и [х] третий порядок — — „= Ьг ( [А]о [х] )о гг [х] (2.8) (2.5) или где [А]о и [В]о в начальные концентрации реагентов. Таким образом, порядок реакции — это сумма показателей степени при концентрациях в уравнениях для скорости реакции. Зависимость скорости реакции от температуры. Для многих реакций, представляющих интерес в системах с горением, величина [гг сильно зависит от температуры.

Если концентрации в реагирующей системе поддерживаются постоянными, а темпе- в которой а молей вещества А взаимодействуют с Ь молями вещества В, чтобы образовать с молей продукта С и г[ молей продукта Р. Закон действия масс устанавливает, что для гомогенной системы скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих компонентов, возве,денных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам (т.

е. коэффициентам а и Ь в приведенном выше уравнении). В рассматриваемом примере скорость гг прямой реакции была бы равна г,=й [А]'[В]ь. (2.2) В соответствии с законом действия масс, если реакция обратима, скорость обратной реакции равна ., =- й, [С]' [Р]'. (2.3) Эяемеиты теории горения Величина 01/Е=елр1-Е/ЕГ\ Е=тб 000 яал1наль а=40 000 налуиоль Теияехватуря, Относитель- ная величина Относитель- ная величина Абсолютная величина Абсолютная величина 4 1О 2 ° 1О 4 1О 2 ° 1О 4 ° 1О В ° 1О 1 5 10 1 ° 1О 500 !000 2000 1 2 ° 10 3 10 привело к образованию конечных продуктов С и Р.