Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 43
Текст из файла (страница 43)
174 В некоторых случаях удобно подсчитывать суммарную неравномерность поля температур Лб „. -: Лб„,, —; — Лбп,, При этом можно считать допустимым, что Лб,„( 0,3. Условность этой оценки очевидна, так как окружная неравномерность всегда нежелательна и надо стремиться к ЛЬ,, = О, а радиальная неравномерность может быть необходима для обеспечения заданной (не прямоугольной по радиусу) эпюры поля температур газа перед турбиной. Часто Т;.„, задается на высоте рабочей лопатки 1 = (0,7 —:0,8) 1„а на периферии и особенно у ее корня температура несколько меньшая. Характеристики вредных воздействий продуктов сгорания Отдельные составляющие продуктов сгорания углеводородных топлив токсичны, отрицательно действуют на человека, живой и неживой мир.
Токсичны оксиды азота, серы (КО„. и 50,.), углерода (СО), сернистые (Н,В) и галоидные соединения (НС! и др.), углеводороды (СН). Дым — частички сажи — загрязняет окружающую среду, как активный адсорбент может быть токсичным и нести канцерогенные вещества так же как бена-а пирен, СН и др. Альдегиды, СН, 1чО„сажа, содействуют образованию фотохимического смога.
Количество отдельных выбросов, как правило, измеряют в граммах загрязняющего вещества, приходящегося на 1 кг сгоревшего топлива или на ! м' образовавшихся продуктов сгорания, в объемных долях загрязняющего вещества в продуктах сгорания стехиометрической смеси или в частях на миллион объемных долей газа. Дымность 0 часто определяется в условных единицах по затемнению материала фильтра, через который пропускаются продукты сгорания, или в процентах.
Как известно, оксиды и другие соединения серы образуются в продуктах сгорания топлив, содержащих ее в своей рабочей массе. Взаимодействие соединений серы, например, с водяными парами приводит к образованию кислот, вызывающих интенсивную сернистую коррозию сталей. Первоначальным окислом серы является 80,, который при возможности дальнейшего окисления частично переходит в 80а. Последний, соединяясь с парами воды, образует серную кислоту. Естественно, что самое радикальное средство борьбы с образованием сернистых соединений и окислов -- снижение содержания серы в самом топливе.
Образование сероводородов, также как СО, СН и сажи, может быть связано и с термическим разложением топлива, его недожогом, т, е, несовершенством процесса горения. В отличие от нагара — отложений углерода и смолистых веществ на перегретых или переохлажденных поверхностях деталей — дым в выпускных газах представляет собой взвешенную массу мельчайших частичек сажи (углерода и некоторой доли углеводородов), обладающих специфическими свойствами. Сажа образуется в любых частях зоны горения, переобогащенных топливом, особенно в условиях плохого перемепшвания. высоких температур и давления. Часто местом образования сажи становится зона обратных токов.
175 Уг,лу «Рб "Об бпа Гв,х ау бу Ргтс. 88. Влияние различных факторов на уровень эмиссии няющих веществ в продуктах сгорания: и — мощности ГТД Дг н давление р; б — температуры Т ваздухз, е и и сгорания; з — коэффициент а„нзбытка воздуха в зоне горения г з ео' тт,з Е; основных загряз- поступающего в камеру Здесь топливо встречается с высокотемпературным потоком газов, обедненных кислородом. В таких условиях сажа может образовываться в значительном количестве.
Однако значительная часть ее (углерод) выгорает, попадая в прямой воздушный поток рециркуляционной также высокотемпературной зоны. Естественно, частицы сажи могут образовываться и в других частях объема зоны горения н потом также частично выгорать, попадая затем в высоко- температурную окислительную среду. Условно объединяя сначала все части объема, где сажа образуется, а потом все части объема, где она выгорает, можно рассмотреть взаимодействие этих двух зон, определяемое аэродинамикой течения, схемой конструкции узлов, видом топлива, рабочими параметрами газовоздушного потока и самой камеры, режимом работы ГТД и др.
Сложность рассмотрения состоит в том, что все перечисленные факторы действуют одновременно, неодинаково и по-своему влияют на все другие вредные выделения, так что часто, снижая выход одних, увеличивают эмиссию Е; других элементов (см. рис. 88). Дымность 0 в зависимости от изменения любого фактора следует рассматривать с точки зрения его влияния на механизм как образования, так и выгораиия сажи. Например, рост температуры способствует образованию сажи п ее выгоранию, но превалирующим оказывается обычно последний процесс. С ростом давлення рв дымность увеличивается по ряду причин, несмотря на положительные изме- нениЯ кинетики окислениЯ УглеРода. С Ростом Рн обычно падает перепад давлений, под которым впрыскивается топливо.
Это ухудшает качество распыливания и перемешивания смеси и уменьшает угол раскрытия топливного факела у центробежной форсунки. Расширяется диапазон богатых смесей, которые образуют сажу в начале горения. Замедляется процесс испарения капель, а следовательно, увеличивается время образования сажи. Впрыскивание воды в зону горения может быть полезно с точки зрения снижения дымности О, если снижается температура в зоне образования сажи, но может быть и вредно, если при этом заметно понижается уровень температуры в основной окпслптелшгой зоне. гт йг дз ппг !,л сс пг у ггт гпгт-,у„% йэ д) 177 Рис. 89 Хзрик~еристики ток сиииости газов Прп сжигании газообразного и даже легкого жидкого топлива дымцость наблюдается значительно меньшая, чем при использовании тяжелого жидкого топлива с большой плотностью и вязкостью.
Наличие ароматических углеводородов, определяющих увеличение периода задержки воспламенения топлива, повышает образование сажи при его сгорании. Визуально небольшой дым наблюдается уже при недожоге 0,4— О,б ойе углерода, содержащегося в рабочей массе топлива. Концентрация сажи в газообразных продуктах сгорания при сильном дымленпи может достигать 1 мг/л и более. Для уменьшения дымности к топливам добавляют специальные присадки из некоторых соединений свинца, никеля, марганца и цинка (массовая доля до 1 озе), которые оказывают каталитическое воздействие на процесс горения, несколько повышая его эффективность, и подавляют процесс образования сажи.
Снижение дымности — это всегда более полное сгорание углерода топлива, а следовательно, его экономия и понижение вредного воздействия токсичных компонентов продуктов сгорания. Оксид углерода СО и несгоревшие углеводороды НС также являются продуктами недожога топлива, например, прн плохой организации его сгорания. Выход СН и СО, естественно, зависит от степени предварительного испарения и качества перемешивания топлива с воздухом и снижается при сжигании хорошо перемешанных, не сильно обедненных смесей. Если при горении сравнительно бедных смесей как СН, так и СО являются промежуточными соединениями в пепи превращения горючих элементов топлива в продукты их полного окисления, то при сжигании богатых, а тем более переобогащенных (ск„( !) смесей оксид углерода СО становится одним пз основных составляющих конечных продуктов сгорания.
В послепламенцой зоне камеры сгорания концентрация СО всегда близка к термодинамически равновесному значению (рис. 89, а, кривая !), причем в большей мере для турбулентного пламени (кривая 2) и в несколько меньшей степени для ламинарного (кривая 3). Конечно в реальных условиях возможны и такие бедные смеси (о, ) 2к 3), когда из-за плохого смесеобразования или пониженных температуре Гьг/иг и давлении воздуха недожог (выход СО и СН) также будет значительным. Обычно легко прослежи- ггт вается связь выхода вред- гд ных выбросов с коэффициентом т!с полноты сгорания топлива, а точнее с величиной 100 — т)с не- га полноты сгорания (рис. 89, б). На расчетных режимах работы ГТД, близких к полной нагрузке Ч„= !00 %. С падением мощности ГТД коэффициент 1)„уменьшается, например: на режиме малой мощности для авиационного ГТД 1), = = 0,88 —;0,96.
Это объясняется низкимп температурой и давлением воздуха, поступающего в камеру сгорания, а также ухудшением качества и равномерности распыливанпя топлива обычнычи )центробежными) форсунками при малых перепадах давлений на режимах малой мощности и холостого хода. В этих условиях основную долю вредных выбросов составляют СО и СН, количество которых может превышать соответственно 60 — 70 и 20 — 30 г'кг топлива, что следует из результатов испытаний некоторых двигателей.
С ростом мощности У, (или тяги )7) двигателя температура и давление воздуха на входе в камеру сгорания увеличиваются, так же как и перепад давлений, при котором'происходит вспрыскивание топлива в объем зоны горения. Все это способствует повышению полноты сгорания топлива, уменьшая выход СО и СН. Повышение температуры н давления газов в зоне горения резко увеличивает эмиссию оксидов азота ХО„выход которых может превышать 50 — 60 г!кг. Оксиды азота в основном образуются в результате взаимодействия кислорода и азота, содержащихся в воздухе при условии значительного повышения его температуры. Незаметные в нормальных условиях реакции образования ХО„среди которых основной первичной является реакция получения ХО.
активизируются при !770 †!970 К и резко ускоряются при дальнейшем повышении температуры. Высокая температура пламени прп горении любого топлива с использованием воздуха в качестве окислителя определяет образование оксидов азота, количество которых зависит от температуры, концентрации кислорода и азота )коэффициента избытка воздуха), времени пребывания смеси в зоне высоких температур т„, давления и целого ряда других факторов. Установлено, что некоторое, незначительное количество окислов азота появляется уже в самом пламени, но основной областью их образования является послепламенная зона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
