Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 101
Текст из файла (страница 101)
Регулирование температуры горения при воином подводе топлива иллюстрирует рис. 11.24 на примере трехзонной камеры. Сжигание предварительно подготовленной бедной смеси Этот подход предусматривает полное испарение топлива и полное перемешивание его с воздухом до начала горения. Исключая горение капель и создавая в первичной зоне гомогенную бедную смесь, удается обеспечить низкую температуру реакции, устранить в зоне горения локальные горячие области и, таким образом, заметно уменьшить выброс ХО, [42, 43, 64 — 72]. Для получения максимального эффекта этот подход следует применять к камере изменяемой геометрии. Но даже в этом случае процесс горения иногда может оказываться в опасной близости к пределу срыва пламени.
В связи с этим может по- зоб Глава Н требоваться применение дежурных пламен того или иного типа, чтобы обеспечить воспламенение и поддержать горение при неблагоприятных условиях эксплуатации. Другим недостатком концепции сжигания бедной смеси является то, что время, необходимое для испарения топлива до его поступления в зону горения камеры, может оказаться достаточным для самовоспламенения смеси или проскока пламени при высоких температурах воздуха на входе в камеру, характерных для взлетного режима. Кроме того, расход воздуха во фронтовую часть жаровой трубы, необходимый на режимах большой тяги (мощности) для обеспечения «бедного» состава смеси в зоне горения, на режимах меньшей мощности может оказаться слишком большим и вызвать срыв пламени. При использовании рассматриваемой схемы организации процесса горения в камерах будущих газотурбинных двигателей должны быть приняты во внимание и характеристики экономичности (полнота сгорания топлива), а также надежность, ресурс и ремонтопригодность.
Катапитичесное горение Катализ позволяет окислять топлива при температурах значительно ниже «бедного» предела воспламенения. Поэтому применение катализаторов в камерах сгорания, занимающих часть объема зоны горения, дает возможность сжигать топливо при температуре, которая примерно на 1000 К ниже максимальной температуры в зоне горения обычной камеры [73]. Так как выброс ИО, зависит от температуры экспоненциально, можно ожидать, что горение при сильно сниженных температурах уменьшит образование 1чО, по тепловому механизму на несколько порядков величины [73 — 77).
Одна из возможных конструкций каталитической камеры сгорания схематически показана на рис. 11.25. Топливо подается в зону подготовки смеси, где оно испаряется и смешивается с воздухом. Затем подготовленная топливовоздушная смесь поступает в каталитическую решетку, которая может иметь несколько секций из различных катализаторов. Желательно на входе в решетку использовать катализаторы, активные при низких температурах, а в последующих секциях — катализаторы, обеспечивающие высокую эффективность окисления топлива [77). Ниже по потоку, за каталитической решеткой, предусматривают зону тепловых реакций, где продолжаются инициированные каталитически реакции горения. Реакции в каталитической решетке могут обеспечивать до 20 »7» суммарного прироста температуры в камере сгорания [77]. Одним из недостатков каталитических камер сгорания является возможность самовоспламенения топлива перед каталитической решеткой.
Хотя величины и, представляющие интерес Выбросы»атрявиягощии атмосферу веществ в рассматриваемой схеме, заметно ниже «бедного» предела воспламенения и поэтому условия в общем не должны способствовать самовоспламенению до завершения процесса смешения, вблизи форсунок может существовать локально богатая смесь. Поэтому очень важно, чтобы время смешения было меньше задержки самовоспламенения. Применение каталитических камер сгорания в двигателях потребует разработки способа прогрева катализатора до температуры его активации при «холодных» запусках двигателя. Гоплиии Рис. 11.25.
Схематическое изображение камеры сгорания с каталитический решеткой (77]. 1 — предварительная подготовка бедной снеси; 11 — каталитическая решетка; 111 — зона горения; 1Р— зона разбавления. Для этого могут быть использованы предкамеры (форкамеры) или расположенный перед камерой факельный воспламенитель с электроискровым зажиганием, электронагрев для непосредственного повышения температуры катализатора, последовательно расположенная горелка с электроискровым зажиганием и даже водород в качестве пускового топлива [77]. Более подробная информация о характеристиках каталитической камеры сгорания имеется в работах [73 — 78].
ПРОГРЕСС В РАЗРАБОТКЕ КАМЕР СГОРАНИЯ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ВЫБРОСОВ Значительный прогресс в разработке камер сгорания с низким уровнем выбросов достигнут Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (]ч]АЗА) в рамках программы создания экспериментальной «чистой» камеры сгорания (ЕСС), программы разработки технологии снижения выбросов (РттТ), в том числе на режиме малого газа и в стратосферном крейсерском полете. Здесь рассматриваются только ключевые особенности камер, созданных Гпввв 11 508 в рамках перечисленных программ.
О целях и результатах про- грамм ЕСС н РрхТ исчерпывающую информацию можно найти в работе (641. Бопыиие двигатели Рис. 11.26. Перспективные камеры сгорания для крупных двигателей. разработанные по программе ЕСС ХАБА 164). е — деухъярусяая кольцееая камера для депгателя Сна-зе; б — камера типа «Норбякс» .для даягателя Зтап-т. ') Название УогЬгх представляет собой синтез трех английских слов: уог1ех — вихрь, закрутка потока; Ьпгп1пя — горение; тинпя — смешение. — При»с лерев. По программе ЕСС исследовалась возможность выполнения требований стандарта ЕРА 1979 г. для больших камер сгорания (класса Т2), созданных по перспективной технологии.
Программа состояла из трех этапов. На первом этапе исследовались разнообразные концепции камер, чтобы определить их воз— можности в отношении снижеп5 дежррная зона ния вредных выбросов. На втором этапе лучшие варианты первого этапа совершенствовались и дополнительно испытывались. Третий этап состоял из испытаний полноразмерного двигателя с наилучшим вариантом камеры сгорания.
Разежурна работчиками в этой программе были двигателестроительные фирмы «Дженерал электрик» (двигатель СР6-50) и «ПраттГ Уитни» (двигатель ДТ9Р-7). Тойлиао' ь41 Программа завершилась испытаниями опытных образцов обоих двигателей с перспективными камерами сгорания — двухъярусной кольцевой в первом случае и кольце. вой типа «Ворбикс» ') во втором. Поперечные разрезы этих двух камер схематически показаны на рис.
11.26. В обеих организовано зонное горение, что обеспечивает уменьшение выбросов загрязняющих веществ во всем эксплуатационном диапазоне режимов двигателя. Дежурная зона горения обеих камер оптимизирована в отношении высокой полноты сгорания топлива на режиме малого газа и снижения выбросов СО и 1)НС, тогда как основная зона создает бедную смесь, оптимальную в отношении выброса )х)0 на режимах большой мощности. Интересно отметить, что в обеих конструк- выбросы загрязнвющмх атмосферу веществ 509 циях использованы четыре из рассмотренных выше конструктивных приемов: ванная подача топлива, форсунки с пневмораспылом, предварительное смешение топлива с воздухом и сжигание бедной смеси. Внешняя зона горения двухъярусной кольцевой камеры рассчитана на режим малого газа.
Она также обеспечивает дежурное пламя для внутренней, основной зоны, которая подключается на остальных режимах работы двигателя. Результаты испытаний двигателя с этой камерой представлены в табл. 11.3, Таблица 11.8 Характеристики загрязняющих выбросов для двигателя Сгв-50 с двухъярусной кольцевой камерой сгорания Удельные выбраеы, г~нг дым, ел. зле со инс но„ где они сопоставлены с аналогичными данными для серийной камеры и со стандартами ЕРА 1979 г.
Из таблицы следует, что только по углеводородам поставленная цель была достигнута. Уровни выброса СО и ХО„оказались значительно ниже, чем для серийной камеры, но выше допустимых стандартом ЕРА. Кроме того, уровень дымления повысился по сравнению с серийной камерой и превысил допустимый по стандарту ЕРА.
Эти результаты оказались неожиданными, так как окончательный вариант экспериментальной камеры в автономных испытаниях на установке показал значительно лучшие результаты. Ожидается, однако, что при дальнейшей доводке двухъярусной кольцевой камеры характеристики двигателя будут соответствовать полученным на камерном стенде. Камера типа «Ворбикс» фирмы «Пратт-Уитни» имеет две зоны горения, расположенные последовательно. Верхняя по потоку дежурная зона представляет собой обычную, стабилизированную за лопаточным завихрителем зону горения. Покидающие дежурную зону горячие газы проходят через 'горловину и воспламеняют топливовоздушную смесь в основной зоне, функционирующей на режимах большой мощности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
