Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Камера сгорания с регенеративным воздушным охлаждением. В этой камере (рис. 1!.30,б) весь первичный воздух для горения проходит через кольцевой охлаждающий тракт вдоль всей жаровой трубы, прежде чем попасть внутрь через воздушные ззе Глава 11 516 завихрители или отверстия первичной зоны. Таким образом, предназначенный для горения воздух сначала охлаждает стенки жаровой трубы и при этом прогревается, а затем уже поступает в зону горения.
Это увеличивает начальную температуру воздуха на 50 — 100 К, что уменьшает выброс загрязняющих веществ благодаря ускорению химических реакций. Камера сгорания с каталитическим конвертером. Как видно из рис. 11.30, в, особенностью этого варианта камеры является установленная за традиционной первичной зоной керамическая решетка с каталитической облицовкой. Топливо сжигается до каталитической решетки (конвертера) при использовании примерно половины всего расхода воздуха. В результате ~)г„ перед конвертером составляет на режиме малого газа 0,30. Конвертер действует как каталитический реактор-нейтрализатор, дожигая СО и 11НС в продуктах горения. Сравнительные испытания показали, что все три описанные выше схемы позволяют значительно уменьшить вредные выбросы на малом газе. Для всех трех схем уровни выбросов несгоревших углеводородов, окиси углерода и окислов азота соответствовали целям программы и стандартам БРА 1981 г.
Самый низкий уровень выбросов был получен на камере сгорания с теплоизолированной стенкой, имевшей внешнее оросительное охлаждение. Простота этого варианта конструкции делает его особенно привлекательным применительно к будущим газотурбинным двигателям. Камеры с регенеративным охлагкдением и каталитическим конвертером также отвечали поставленным целям. Но обе эти камеры сложнее по конструкции, чем камера с горячей стенкой. Сжигание предварительно подготовленной бедной смеси Большие потенциальные возможности камер сгорания с сжиганием предварительно подготовленной бедной смеси в отношении очень низких вредных выбросов обусловили принятие соответствующей исследовательской программы ХАЗА.
Задачей программы была отработка сжигания предварительно подготовленной бедной смеси в авиационных камерах сгорания с целью достижения приемлемых с точки зрения экологии уровней выбросов загрязняющих веществ во всей области полетных режимов. Особый упор был сделан на получение очень низкого уровня выброса окислов азота в условиях стратосферного крейсерского полета. Реализация концепции сжигания бедной смеси требует значительных исследовательских усилий в области горения бедных смесей, подготовки топливовоздушной смеси, самовоспламенения и проскока пламени [68]. Было предпринято исследование Выбросы загрвзнвгощнз атмосферу веществ 517 влияния режимных параметров камеры сгорания [давления, температуры и состава смеси в зоне горения), времени пребывания, относительной скорости, геометрии камеры и характеристик топливовоздушной смеси, таких, как угол конуса распыливания, распределение капель по размерам, степень испарения и однородность смешения, на горение бедных смесей и характеристики выброса.
Особенностью рассматриваемой концепции является тенденция к самовоспламенению смеси и проскоку пламени. Поэтому для реализации концепции сжигания предварительно подготовленной бедной смеси в новых двигателях с высокой степенью повышения давления должны быть определены характеристики стабилизации пламени и самовоспламенения таких смесей. Значительный прогресс уже достигнут. Например, был получен уровень выброса 1!О„не более 0,3 г/кг топлива при полноте сгорания топлива выше 99 е1с; прн этом камера работала вблизи «бедного» предела устойчивого горения [12].
Некоторые данные этой работы по влиянию времени пребывания на выброс ХО приведены на рис. 11.8. Установлено также, что добавка небольших' количеств водорода к пропановоздушной смеси может смещать «бедную» границу срыва пламени в сторону меньших значений <р, а так!ке значительно уменьшить выбросы !!О, без ухудшения полноты сгорания топлива [79). Много полезных работ было выполнено по влиянию геометрии стабилизатора пламени и степени загромождения им сечения канала на выбросы !чО„и на то, каким образом на эти выбросы влияют степень испарения топлива и неравномерность состава смеси. В работе [68] исследовалось 12 различных вариантов стабилизаторов, в том числе проволочные сетки, перфорированные пластины, конусы и желобы. Все опыты были проведены с пропановоздушной смесью при температуре и давлении на входе 800 К и 1 МПа. Оказалось, что уровень выбросов сильно зависит от величины потерь полного давления на стабилизаторе пламени.
Чем больше потери давления, тем выше генерируемый при этом уровень турбулентности и тем ниже выброс !!О . Влияние степени загромождения сечения стабилизатором пламени исследовалось при температурах воздуха на входе 600 и 800 К и давлениях 0,3 — 0,6 МПа для жидкого топлива Ле]А. Было установлено, что увеличение степени загромождения приводит к увеличению выброса ХО .
Это происходит, по-видимому, из-за увеличения времени пребывания в области ближнего следа, вызванного ростом степени загромождения. Полученные в работе [69] с тем же топливом при сходных условиях опытов данные по влиянию на выброс 1[О„ степени испарения топлива обобщены ва рис. !1.3!. Из этих данных следует, что важность условия полного испарения топлива Глава 1$ 5!з снижается при увеличении коэффициента избытка топлива ф. Для ф =0,6 уменьшение доли испаренного топлива приводит к приблизительно линейному увеличению образования ХО,. Но при ф = 0,72 изменения в степени испарения топлива слабо влияют на выброс ХО .
1 В той же работе оценивалось влияние неравномерности состава смеси на выбросы ХО . Эксперименты показали, что прн га 10 в б н г М йв а,б а,о е,к 7аа о в о б Я н4 баР 00 БРР а,г а 0,7 0,8 09 1,0 аиепепь пспареппя ау ал аб ав та 1,г Рис. 11.31. Зависимость образования МО» от температуры воздуха на входе Т„ степени испарения и коэффициента избытка топлива 1691. Рис. 11.32. Зависимость образовании ИО, от коэффициента избытка топлива ф и степени неравномерности состава топливовоздупеной смеси 3 1701. данном суммарном отношении топливо/воздух кв выброс ИОл возрастает с увеличением степени неравномерности.
Это естественно, так как для бедной в среднем смеси любое несовершенство процесса перемешивания топлива и воздуха должно приводить к появлению более «богатых» и, следовательно, более горячих локальных областей в пламени. Соответственно в стехиометрической смеси увеличение неравномерности состава должно вести к снижению выброса ЫО„. Действительно, в работе 170) теоретически и экспериментально было показано, что выброс ИО, возрастает с увеличением неравномерности состава при среднем значении ф ( 0,7 и уменьшается с увеличением неравномерности при ф = 1,0 (рис.
! 1.32). Эти и другие результаты дают ценную информацию для конструирования камер сгорания. Однако придется решить еше много сложных проблем, прежде чем концепцию сжигания предварительно подготовленной бедной смеси можно будет реализовать в перспективных авиационных двигателеях. Выбросы аагрввнвющнв атмосферу веществ 519 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫБРОСА Предпринималось много попыток создать модель процесса горения в камере газотурбинного двигателя, позволяющую прогнозировать характеристики выбросов. Большая часть моделей ограничивалась выбросом НО, но в настоящее время предпринимаются попытки рассчитать образование и других вагкных загрязняющих веществ.
Удовлетворительная модель должна учитывать сложную структуру потока и кинетику важнейших химических реакций, происходящих в объеме камеры сгорания. К сожалению, кинетика некоторых представляющих интерес процессов на данный момент еще не вполне установлена, особенно в том, что касается образования углерода, окиси углерода и углеводородных соединений, которые являются промежуточными продуктами в процессе окисления топлива. Приемлемая модель образования загрязняющих веществ в газотурбинных двигателях должна представлять собой разумный компромисс между точностью моделирования, практичностью, легкостью применения, экономичностью вычислений и возможностью дальнейшего улучшения. В последние годы значительные усилия прилагались к созданию сравнительно сложных математических моделей выбросов, которые можно было применить к газотурбинным двигателям.
Модели отличались уровнем сложности — от таких, которые потенциально пригодны для полного описания всех необходимых термодинамических и химических свойств в зависимости от пространственных координат в объеме камеры, до тех, которые основаны на предположении об однородности условий в каждом из сечений ~80 — 90~. Детальный обзор всех моделей, разработанных к настоящему времени, выходит за рамки задач данной главы. Полученные на сегодня результаты достаточно скромны; даже самые эффективные модели в состоянии дать немногим более, чем предсказание тенденций. Высокая стоимость, а также трудности разработки и использования сложных математических моделей в совокупности с неуверенностью в достоверности получаемых результатов стимулируют разработку полуэмпирических моделей образования НО и СО.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
