Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Как видно нз рис. 90, при одном и том же времени пребывания как при горении капель, так и гомогенной смеси выход ХО примерно одинаковый: больше для смесей, по составу близких к стехиометрическим. Способы уменьшения вредных выбросов за камерой сгорания. Образование окиси углерода, сажи, углеводородов и некоторых других соединений связано с недожогом топлива и определяется основной характеристикой работы камеры сгорания; коэффипиентом т)„ полноты сгорания топлива. Структура и характер зависимости т1„ от основных параметров рабочего тела и конструкции камеры были рассмотрены выше.
Остановимся на возможности снижения выхода ХО, с газами за камерой сгорания. Для существующих конструкций камер сгорания уменьшить выход ХОк можно следующими мероприятиями. 1. Увеличением коэффициента а„избытка воздуха в зоне горения. Дополнительная масса воздуха будет способствовать снижению уровня температур в зоне горения и уменьшению времени пребывания газов в ней. В итоге выход ХО„должен уменьшиться.
Эффективность этого мероприятия будет достигнута, если не ухудшатся другие характеристики работы камеры. 1З2 2. Улучшением распыливания топлива и перемешивания его с воздухом. Оптимальный вариант — получение гомогенной топливовоздушной смеси и введение ее в зону горения камеры.
В результате из времени пребывания в зоне высоких температур исключается время смесеобразования, что уменьшает выход )чО,. Предварительное смесеобразование уменьшает размеры зоны горения и камеры сгорания. Достигнуть этого можно например установкой воздушных форсунок. Опытом установлено, что выход г(О,. может снизиться более чем на 25 — 35 ' в зависимости от конструктивных и рабочих параметров форсунки и камерьь В ряде случаев положительный эффект был получен простым увеличением числа форсунок и постановкой дополнительных турбулизаторов (завихрителей), улучшающих перемешивание потоков.
Очевидно, что в результате таких мероприятий можно понизить выход и других вредных выбросов, повышая этим полноту сгорания топлива. Однако чрезмерная гомогенизация смеси сокращает область устойчивой работы камеры. 3. Впрыскиванием воды (пара) или использованием топливо- водяной смеси. Кроме возможного каталитического эффекта происходит охлаждение зоны горения. В отдельных случаях выход г10,. можно уменьшить на 20 — 30 %. 4.
Использованием конструкционных материалов-катализаторов. Интенсификация процессов горения, повышение его надежности и устойчивости могут позволить без отрипательных последствий понизить среднюю эффективную температуру в зоне горения и даже уменьшить ее размеры, сокращая время пребывания газов в зоне высоких температур, что в итоге обусловливает снижение выхода г(О„. Из катализатора выполняются жаровые трубы или их части, а также специальные пористые вставки. Как катализатор используют керамические материалы, оксиды хрома, кобальта, редкоземельных элементов )цезий, лантан и др.). 5.
Введением специальных присадок в топливо, которые препятствуют образованию оксидов азота, способствуют пх распаду на исходные вещества или снижают температуру пламени, что приводит к уменьшению образования 1чО„. Так, например, добавка 0,3 % кобальта или меди уменьшает эмиссию оксидов азота на 20 — 25 'о. Добавка карбоната натрия или лития также снижает выход ХО„. Перечисленные наиболее известные мероприятия по предупреждению выбросов КО,.
в существующих камерах сгорания иногда сильно усложняют и даже изменяют конструкцию камеры и ее основных узлов и систем. Заметное уменьшение вредных выбросов часто достигается не на всех режимах работы камеры сгорания. На порядок можно снизить выбросы ХО„создавая специальные конструкции малотоксичных камер: гомогенной, гибридной, микро- факельной и др. В гомогенной малотоксичной камере (рис.
91, а) топливовоздушная смесь подготовляется вне зоны горения, например, в предка- мере или в воздухоподводящих кзналах, куда подается топливо. Обедненная гомогенная горючая смесь с и„ = 1,5 †; 1,7, сгорая в уко- 183 Сг Рис.
9ц Схемы специальных малотокснчных камер сгорании рочеиной зоне горения при невысокой средней температуре (до 1970 К), дает очень малый выход ХО,. Большим недостатком гомо- генных камер вместе с опасностью самопроизвольного воспламенения смеси в подводящих каналах является узкая область устойчивых и экономичных режимов работы, так как стабилизация и эффективность процесса горения при значительных коэффициентах избытка воздуха резко ухудшается. Для частичного устранения этих недостатков используют гибридные камеры (рис.
91, б). Здесь при обычной схеме организации рабочего процесса и конструкции форсунки создают надежный дежурный факел б;, обеспечивающий стабилизапию пламени и выгорание основной массы топлива бы поступающей в виде обедненной гомогенной топливовоздушиой смеси. Токсичность таких камер выше, чем гомогенных, но значительно меньше, чем камер обычной конструкции. Конечно, дополнительные объемы, где готовится горючая смесь, увеличивают размеры и массу установки и снижают пожарную безопасность работы.
Наиболее рационально использование микрофакельной схемы конструкций (рис. 91, и), где принцип организации эффективного процесса горения иной. Рассредоточение поверхности фронта пламени в виде множества микрофакелов по входному сечению зоны горения позволяет резко укоротить ее, сокращая время пребывания смеси в высокотемпературной области. Так, например, если в обычных камерах с вытянутым по длине зоны горения факелом среднее время ти пребывания в зоне составляет обычно 5 — б мс, то в этой камере оно в 2 — 3 раза меньше, в результате чего значительно сокращается выход оксидов азота (рис.
92). При использовании микрофакельных устройств для надежной стабилизации пламени применяют небольшие участки фронтовых ста- !81 Рнс. 92, !!вмененна со.1ержанин.'~0 а зависимости Гав,мл«' от времени т. ) ( 1 — Г„л = Ы З К, а = 1,ЗЬ; а — тел=тата К, а= !дрор 1,ба; 3 — Гнт — -. 1ЗЗЗ К, о =- 2; 1-Уиа — — 1673 К 2 а = — 4 стабилизаторов, где подается несколь- гор ко обогащенная смесь. Поскольку же общий объем камеры здесь не разделен на г зоны горения и смешения и весь воздух дог 1 б тра Г,тс подается через фронтовое устройство, коэффициенты избытка воздуха при горении будут повышенными, определяясь полным расходом воздуха. Образующаяся очень бедная смесь (а„, — сс,,= 2 —;3 —:5) устойчиво сгорает за короткое время в микрофакельпом фронте и дает минимальный выход токсичных компонентов при высокой полноте сгорания.
Значительные избытки воздуха в рабочем объеме позволяют получать малую токсичность газов даже прп высоких (до 980 — 1080 К) температурах поступающего в камеру воздуха, что характерно для ГТД с регенератором или при наличии высоких степеней повышения давления в компрессоре. Рост температуры воздуха перед камерой улучшает подготовку и сам процесс выгорания горючей смеси. Примеры разработки и доводки малотоксичных камер сгорания.
На Горьковском автомобильном заводе создан ряд газотурбинных двигателей с регенератором мощностью 95 †4 кВт для различных автомобилей. Одна из исходных конструкций индивидуальной камеры сгорания, работающей на керосине и дизельном топливе, имеет схему, представленную на рис. 93, а. Концентрация оксидов азота в продуктах сгорания за этой камерой превышала 200 млн '. В одной из последних моделей реализован принцип гомогенной камеры. Здесь г а) гг б! Рис.
93. Малотоксизные камеры сгорании автомобильного ГТД Горьковского автомобильного завода !85 агдго гг»п ' гтис 94. Зависимость ХО, /(6», а»1 при Ч»=-0,995: т — 6 =-. Ьв кг; т — о' .= Ив кг, 3 — и = Ьб кг'с » - " » » дд тд д г (рис. 93, б) горючая смесь подготовляется в объеме между верхней частью корпуса и фронтовым устройством в потоке основной массы первичного воздуха, поступающего в зону горения. Коэффициент избытка воздуха в смеси сс =- 1,5 —:2. Температура воздуха перед камерой (после регенератора) Т„ = 873 К. Для обеспечения пуска в холодных условиях при температуре наружного воздуха Т„ = 253 †; 243 К и гарантирования устойчивой работы иа частичных и переходных режимах в центре фронтового устройства установлена пусковая (дежурная) центробежная форсунка.
Токсичность такой гибридной камеры сгорания примерно в 10 раз меньше, чем исходной конструкции. Аналогичные результаты были получены при установке в исходной конструкции вместо центробежной воздушной форсупки-стабилизатора (рис. 93, в). Результаты испытания этого варианта камеры показаны на рис.
94 (сплошные линии), где выход )ь)0, дан в зависимости от коэффициента а„избытка воздуха в смеси, идущей через воздушную форсунку в зону горения. Такая камера при установке во фронтовой ее части микрофакельного устройства (рис. 93, г) имеет еще меньший выход оксидов азота (рис. 94, штриховая кривая). Микрофакельное устройство (см.
рис. 93) представляет собой систему полых радиальных лопаток 3 с перфорированными стенками и дифлектором 4 на спинке для надежной стабилизации пламени. Внутрь лопаток топливовоздушная смесь поступает из центральной трубы 2, куда топливо подается по центральной заглушенной с торца трубке !, имеющей ряд радиальных отверстий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
