Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 44
Текст из файла (страница 44)
В образовании ХО,. в какой-то мере всегда участвует азот, содержащийся в топливе. По данным исследований, часть азота топлива, например для жидких топлив 30 — 60 'о, переходит в ХО,, причем большие значения относятся к случаям, когда азота в топливе сравнительно мало, В результате доля оксидов азота, образовавшихся из азота топлива, совершенно незначительна, ею даже часто пренебрегают, считая только выход ХО,. за счет реагирования азота воздуха в послеплаиенной зоне. Это положение справедливо при незначительном содержании азота в топливе и достаточно высоких температурах в обт,еме зоны реакции !горения). Расчеты образования оксидов азота Известны газообразные оксиды азота Х,О, ХО, ХО,, жидкие Х,О, и даже твердые Х,О;, Х,О, и др.
В продуктах сгорания чаще всего содержатся ХО и ХО,, Исходным является оксид ХО, образование !7В которо~о происходит по схеме Хх + О,, — , '180 кДж,'моль 2ХО. Воздух, нагретый до 2273 К, в равновесном состоянии содержит около 1,5 ".о ХО, а при 3280 К вЂ” 5,3 'о по обьему. Оксид азота ХО, соединяясь с кислородом, дает ХО,: 2ХО + Оа - 2ХО, + + !09 кДж~моль или ХО + О, — ХО.
-'г О* + 205 кДж~моль. При повышенных температурах (более 870 К) равновесие в основном выражается левой частью уравнения. При понижении температуры образование ХО, резко возрастает, при 470 — 530 К и ниже происходит прямая реакция образования ХО,. В отличие от бесцветного ХО ХОэ — бурый, сильно ядовитый газ, он в 4 раза токсичнее ХО. В настоящее время расчеты выхода ХО при горении любых топлив в воздухе обычно основывают на известных исследованиях Я. Б, Зельдовича.
Он установил чисто термическую основу образования ХО,, идущего по цепному механизму независимо от реакции горения, как при простом разогреве смеси Ха с О, Для заметного выхода ХО,. в зоне горения камеры нужен избыток кислорода по сравнению с количеством, необходимым для сгорания топлива, т. е. а„> !. Как показали экспериментальные исследования, максимальный выход ХО имеет место при а = 1,1. Основной механизм образования ХО включает две реакции: Х, -'; О ХО + Х вЂ” ! 97 кДж,'моль; (99) О,, + Х=-. ХО ',- О -,- 16,8 кДж моль.
а, Тогда кинетическое уравнение — = Ф, Х, О -'; )г., О, Х вЂ” йа ХО.Х вЂ” А, ХО.О, (100) где Х,; ХО; О; О,,... — мгновенные концентрации компонентов газовой смеси, ггл; я, — константы скоростей химических реакций. Соотношения констант следующие: /г, йз= — К~ =ХО Х,'(Х, О) = ~ е и Ц~,=К~ = ХО О (О . Х) =- бе — мсап Яг) после очевидных упрощений и преобразований уравнения (!00) можно получить: е — ваша <аг! (О. ° Х, (64.'3) е азоаюпнг> (ХО)а) (!01) где т — в с. Полученная зависимость хорошо согласуется с результатами специальных лабораторных исследований при сжигании гомогенных водородовоздушных смесей.
Однако очевидно, что на выход ХО„ влияют реальные условия в топливосжигающем устройстве, вид 179 топлива, температура и давление воздуха, время и механизм процесса, качество смешения топлива с воздухом, коэффициент избытка воздуха, каталитическне явления (присутствие влаги), условия зажигания и даже размер и форма камеры сгорания. На основе уравнения (101) было получено одно из довольно удачных выражений для инженерных расчетов выхода ХО,. в реальных камерах сгорания: ХО = 3 64 10ме — еласю,гс! ' р„!Тгт(1 !ьхх)' ', (102) где р„— давление воздуха перед камерой сгорания; Т,, — теоретическая температура газа в зоне горения прн а,. == 1,1; т — время пребывания газов в зоне высоких температур (горения). Выражение П02) получено на основе исследований конструкций камер сгорания регенеративных автомобильных ГТД без выделения объема зоны горения.
Принималось, что время )я,11 в где Г„, — объем жаровой трубы; Є— — общий объемный расход воздуха в камеру. Кроме того, предполагалось, что максимальный выход ХО, будет при коэффициенте избытка воздуха в зоне горения а,, = 1,1. Для существующих камер сгорания с раздельной подачей воздуха и топлива в зону горения можно предположить, что фронт пламени объединяет участки объема, где реальные значения а = = ! —;1,1; т. е.
а„= 1,1. Значения Т, для а„= 1,1 при сжигании углеводородных топлив (керосина, дизельного топлива), когда отношение масс углерода к водороду составляет 86: !4, определялись по выражению Т„= 273 + (1920 + 0,42Т,), где Т, — температура воздуха перед камерой сгорания. При получении уравнения (102) реакции разложения ХО не учитывались. Выход ХО по данным экспериментальных исследований принимался пропорциональным р(' и а,л".
Объелшые концентрации при а„= 1,1 следующие: О, = 1,97 ',4 и Х, = 74 %. Окснд ХО— это первичный продукт последовательного процесса окисления азота. Выход ХО, в послепламенном процессе мал, так как скорость образования его при высоких температурах незначительная. Охлаждаясь воздухом в зоне смешения камеры и при выходе из ГТД в атмосферу, ХО взаимодействует (особенно активно при воздействии света) с кислородом воздуха, образуя ХО,. При температуре окружающей среды эта реакция практически необратима, что приводит к наличию в отработавших газах ГТД в составе суммы оксидов азота ХО,, до 90 % (и более) ХОз. При 273 К и а„= 1,1 массовая концентрация ХО, (в мг!л) может быть подсчитана по объемной доле ХО: ХО, = 20,5ХО. Массовая концентрация 20,5 мг!л ХО, соответствует 1 % объемной концентрации, так же как для ХО, это 13,3 мг!л.
На практике часто ХО„. отождествляют с выходом ХО.„, тогда, например, часовой выход оксидов азота 0 о, = 36000,: ХО.! р, 380 а удельный Ыко, =- био,~У„ где 6„— часовой расход воздуха; о, — плотность воздуха. Для получения более универсального, пригодного для ГТД любого назначения и более строгого, чем (102), выражения, определяющего выход оксидов азота из камеры сгорания, следует уточнить определение времени пребывания т, концентрации О, и К, и эффективной температуры Т, в зоне горения. По конструктивной схеме и результатам гидравлического расчета камеры сгорания всегда можно найти длину участка жаровой трубы — зону горения топлива. Если объем этой зоны Р„, то т = ('„Ф„.
Еще более строго с учетом распределения подвода воздуха по длине зоны горения т = ~~~ 'г'а,!Г;„, где Р'и — объемы отдельного участка зоны горения, куда соответственно поступают определенные объемные расходы г'~ воздуха. Характер подвода воздуха по длине зоны горения вместе с закономерностью выгорания топлива определяет концентрации К,, О, и эффективную температуру Т„. Многие исследователи пытаются совершенствовать методику расчета, учитывая течение ряда других реакций, кроме рассмотренных Я.
Б. Зельдовичем, например: К, + О, ч- 2КО или К + + ОН = КО + Н и другие с образованием атомов и ионов, например, по тепловой схеме диссоциации О.. — О + О. Введение дополнительных уравнений сильно усложняет расчеты, иногда исключая возможность их практического использования, но позволяет более точно оценить влияние различных факторов и условий на процесс образования оксидов азота. Кроме того, следует рассматривать систему, в которой происходит образование КО,, поскольку выход оксидов будет различным при горении гомогенной смеси и, например, массы капель данного размера в потоке воздуха.
В гомогенной смеси зона реакции в пламени включает относительно узкую область первичных реакций горения, где зарождаются активные атомы и радикалы (О, Н, ОН и др), быстро активирующие цепи окисления горючих элементов топлива. Именно здесь образуется все количество СО и выделяется основная часть теплоты, определяя температуру, близкую к конечной равновесной. В этой зоне КО не образуется. За первичной зоной расположена более широкая вторичная, где образуется КО, а СО окисляется до СОз Обычно именно эта зона и рассматривается как генератор оксидов азота КО„на базе образовавшейся массы КО. Иной качественно и количественно процесс происходит при горении капли и тем более массы капель различного диаметра, хотя химическая кинетика реакций и в этих случаях, очевидно, одинаковая.
Если скорость движения капель относительно воздуха значительная, то горение их происходит в спутной струе; если относительная скорость мала, то пламя равномерно охватывает капли. Пары топлива диффундируют от поверхности жидкости, а кислород из !81 1Р,!ю. 1Р бРстм йОО Рис. 90. Влияние распмливання жидко- го топлива на образование ХО; 1 — слсесь, с = 0,0088 с; 11 — смесь, т =- — 0,88 с; 111 — б = !00 мкм, 17 — б =- 1000 мкм РОГ Р,Р1 окружающей среды поступает к капле.
Горение идет в очень О ГОО 0ОРб,мкм об 1 1Р „, узкой (сферической) зоне на не- котором расстоянии от поверхности капли. Прп горении капель топлива ХО образуется в после- пламенной зоне непосредственно за фронтом пламени, где температура высокая и концентрация кислорода избыточная (частично атомарного). На рис. 90, по данным Кестена, исследовавшего горение капель и смесей паров этанола с воздухом, показана зависимость выхода ХО от размера капель (0() и сравнительные зависимости выхода ХО при горении гомогенной смеси и капель (начальная температура 400 К, давление 0,5 Л1Па, время пребывания т для газов равно времени существования капель).
Здесь сплошные прямые рассчитаны при радиусе поверхности фронта пламени в 13,2 раза большем радиуса капли, а штриховые прямые — при радиусе фронта в 2 раза меньшем. Сильная зависимость выхода ХО от размера капель определяется в основном изменением времени ее су1цествовання (горения). Результирующая скорость образования ХО на единицу объема капли любого размера остается практически неизменной. Правда, с ростом давления прямая связь выхода ХО с изменением размера капель нарушается, несмотря на рост скорости образования ХО при повышении давления из-за резкого падения скорости диффузии ХО от фронта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
