Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 95
Текст из файла (страница 95)
'70,8. 5. Нормы выброса ЕРА по дыму (в условных единицах измерения дымности отработавших газов, ЗХ): а) в классах Т1, Т2, ТЗ и Т4 (с 1 января 1979 г.) ЗМ = 79(КР) ''з', б) в классе Р2 (с 1 января 1979 г.) ЗМ = 277 (КР)-''", в) классе Т5 (с 1 января 1980 г.) ЗХ = 79 (КР)-озез Выбросы с отработавшими газами для новых типов газотурбинных двигателей гражданской авиации, которые будут выпускаться после 1 января 1984 г., не должны превосходить следующих уровней: 1. Для двигателей в классах Т1, Т2, ТЗ и Т4 при взлетной тяге 27 кН и более: а) ()НС: 3,3, б) СО: 25,0, в) ИО„: 33,0. 2. Для двигателей в классе Т5: 1986 г., выбросы не должны превышать; по СΠ— 118 г/кН, по ()НС— 19,6 г/кН, по ХО, — (42+ 2гРЙ) г!кН, где гРК вЂ” степень повышения давления в двигателе при взлете. Следует отметить, что некоторые положения проекта международных норм переходили затем в стандарты США в виде поправок к ним.
В частности, поправками от 1981 г. нормы выброса были сделаны по форме идентичными параметру 1САО (т. е. в форме массы загрязняющего вещества за взлетно-посадочный цикл, отнесенной к взлетной тяге,— эта форма нормы выброса была предложена советсквмн специалистами). В декабре 1982 г, из стандартов США были исключены все требования, касающиеся выброса газообразных загрязняющих веществ, кроме требования по выбросу углеводородов, распространяющегося на все турбореактивные двигатели с взлетной тягой более 26,7 кН, изготовленные после 1 января 1984 г. Допустимый уровень выброса ()НС был установлен равным норме !САΠ— 19,6 г/кН. Относительно высокие допустимые выбросы СО, 1)НС и ЫО„установленные 1САО, и зна.
чительное смягчение требований в стандартах США не означают, что проблема снижения выбросов от авиационных двигателей стала неактуальной. Это скорее свидетельствует о сложности решения рассматриваемой проблемы, что подтверждается и материалами данной главы. Ужесточение требований по выбросам станет возможным только после освоения конструкторамн и промышленностью тех принципиально новых методов организации процесса в камерах сгорания, которые рассматриваются далее в этой главе. — Прил. ред. Глава ча 480 а) 13НС: 7,8, СО: 61,0г "в) ХО,: 39,0. С точки зрения оценки суммарного выороса структура норм ЕРА удовлетворительна, но для характеристики камеры сгорания выбросы удобней выражать в виде удельных выбросов загрязняющего вещества в граммах на один килограмм израсходованного топлива.
Обе величины легко перевести одну в другую, если для данного двигателя известен удельный расход топлива. Например, допустимые удельные выбросы, соответствующие последним из рассмотренных норм ЕРА (для двигателей новых типов), при среднем за цикл взлетно-посадочных режимов удельном расходе топлива, равном 59 г/Н ч получаются следующими: ') Нормы ЕРА: по СΠ— 25, по (ЗНС вЂ” 3,3, по ЫΠ— 33,0. Допустимые удельные выбросы: по СΠ— 8,6, по (ЗНС вЂ” 1,2, по К΄— 11,3. Следует отметить, что величина удельного выброса обратно пропорциональна удельному расходу топлива, поэтому любые усовершенствования конструкции двигателя, способствующие уменьшению удельного расхода топлива, будут снижать и уровень требований к камерам сгорания (т.
е. повышать допустимые значения удельных выбросов). Для промышленных газотурбинных установок ограничиваются только выбросы ЫО„и БО„. Предложенная норма для ХО„соответствует концентрации 75.10-4. Измеренные концентрации МО должны быть приведены к концентрации кислорода в выхлопных газах, равной 15 о(о. Допускается введение дополнительных поправок, учитывающих размер установки и ее тепло- напряженность. Федеральные требования ЕРА в отношении ') Автор допускает здесь неточность. Норма выброса ЕР и удельный вы- брос Е! связаны между собой достаточно сложным образом, так каи удель- ный выброс характеризует выбросы на отдельных режимах работы двигателя, а норма выброса определяется суммированием выбросов по всем режимам ус- ловного взлетно-посадочного цикла, т. е.
ЕР = ~ ЕТг5РСгТНКгть где 5РС~ и ТНТ0 — удельный расход топлива н относительная (отнесенная к взлетной тяге) тяга па данном режиме цикла, т~ — продолжительность ре- жима. Лишь если условно принять, что на всех режимах цикла величины Е! и 5РС равны некоторым средним значениям и, следовательно, ЕР = Е! 5РС " ТНКзтг, то можно для тех или иных значений ЕР указать эквивалентные им условные средние величины Е!. Но н в этом случае для приведенных в примере значений параметров выброса соответствуюшие величины Е! при 5РС = 59 г(Н ч получаются другими: по СΠ— 4,55, по ОНС вЂ” 0,6 и по ХО, — 6 г(кН (для рассматриваемого класса двигателей величина ~ ТНРгт! = 0,0932 ч).— Прим. Ред.
48$ Выбросы загрвзввгощнз атмосферу веществ дымления не установлены, но предусмотрены местные ограничения. Стандарты на выбросы от автомобильных газотурбинных двигателей такие же, как и для поршневых двигателей. Уровни выбросов осредняются по так называемому городскому ездовому циклу ЕРА и выражаются в граммах на милю. Максимальные допустимые уровни выбросов СО, 1)НС и НО, составляют соответственно 3,4, 0,42 и 0,4 г/миля. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ Уровни концентрации большей части загрязняющих веществ в выхлопе газотурбинных двигателей могут быть непосредственно связаны с распределениями температуры, концентраций и времени пребывания в камере сгорания.
Эти распределения изменяются от камеры к камере, а для данной камеры — от режима к режиму. Концентрации окиси углерода и несгоревших углеводородов максимальны на режимах малой тяги (мощности) двигателя и уменьшаются с увеличением тяги.
В противоположность этому выброс окислов азота и дымление несущественны на режимах малой тяги и достигают своего максимума на режимах наибольшей тяги. Эти тенденции в изменении выбросов схематически показаны на рис. 11.1. Окись углерода Если топливовоздушная смесь в первичной зоне камеры сгорания газотурбинного двигателя богатая, то СО образуется в большом количестве вследствие нехватки кислорода для завершения реакции окисления углерода до СОз. Если же смесь в первичной зоне стехиометрическая или умеренно бедная, то значительные количества СО будут образовываться вследствие диссоцпации СОт. В принципе можно снизить концентрацию СО до пренебрежимо малого уровня посредством тщательно сбалансированного подвода дополнительного воздуха за первичной зоной с тем, чтобы обеспечить постепенное снижение температуры продуктов сгорания.
На практике выброс СО оказывается значительно выше термодинамически равновесного и максимальны на режимах малой тяги, когда пиковые температуры газа в камере относительно невысоки. Указанный факт противоречит тому, что предсказывают вычисления, основанные на термодинамическом равновесии, и свидетельствует о том, что большие количества СО образуются в результате неполного сгорания топлива. Это может быть вызвано одной или несколькими нз следующих причин: 3! Зам 761 авт Глава 11 1.
Низкая скорость горения в первичной зоне вследствие недостатка топлива и (или) нехватки времени пребывания. 2. Недостаточное перемешивание топлива и воздуха, в результате чего образуются зоны, в которых смесь слишком бедна, чтобы в них поддерживалось горение, а также зоны с излишне богатой смесью, горение в которых приводит к высоким местным концентрациям СО. 3. «Замораживание» продуктов горения, вовлекаемых в слои воздуха, охлаждающие стенки жаровой трубы (кольцевые камеры сгорания, у которых отношение поверхности жаровой 1ОООО о„ 1000 ЫМ $1ао О сэ 1О Взлемный режим Рнс.
11.1. Характеристики выбросов загрязняющих веществ от газотурбинного двигателя. Мллмйгаг а ад од а,о о,о 1,о 12 Ф Рис. 11.2. Удельные выбросы окиси углерода на режиме малого газа [5) — — — кинетики окисления СО; — равнонесие. СО + ОН ~~ СОе + Н.
трубы к объему меньше, выбрасывают, вообще говоря, меньше СО, чем трубчатые камеры). Из рис. 11.2 видно, что низкие уровни образования СО могут быть достигнуты только в достаточно узком диапазоне коэффициентов избытка топлива — примерно от 0,7 до 0,9. При меньших значениях ер концентрации СО велики вследствие малой скорости окисления, а при более высоких гр концентрации СО велики в соответствии с условиями термодинамического равновесия.
Как уже указывалось, равновесные концентрации СО могут быть снижены до приемлемого уровня путем постепенного подмешивания воздуха к газам за первичной зоной. СО окисляется относительно медленно, и во многих технических устройствах горения именно скорость окисления СО является фактором, определяющим выбор минимального времени пребывания и температуры воздуха, необходимых для того, чтобы горение завершилось.
При высоких температурах СО расходуется главным образом в реакции 433 Выбросы яагряаняющмя атмосферу веществ Эта реакция в широком диапазоне температур протекает быстро. В области низких температур наиболее важную роль в исчезновении СО играет реакция СО+ НзО м=.м СОз+ Нз. Несгоревшие углеводороды К несгоревшим углеводородам относят как топливо, выбрасываемое из камеры в виде капель или пара, так и продукты разложения исходного топлива на углеводороды меньшей мо- 600 лекулярной массы, такие, как метан и ацетилен.
Наличие углеводородов на выходе из ка- х 40пез меры обычно связывают с плохим распыливанием топлива, ЙВ 3 ооо о е недостаточно высокой ' око- нн „. 200 х 200 м ростью горения и «заморажи- Д ванием» продуктов неполного о " 1 100 й сгорания в охлаждающем воздухе вблизи стенок жаровой 400 ооо воо. 1000 |гоп моо трубы. Изменение режима ра- рз, хпо боты двигателя в сторону уве- Рис. 1!.3. Влияние давления нв конличения тяги (мощности) при- нентраиии выбросов СО и 13НС 16). водит к уменьшению выброса темвераттра возлуха ва входе вю к, срм- марвое отвошевве возлух1товлвво ре. несгоревших ' углеводородов (частично благодаря улучшению распыливания топлива, но в основном из-за того, что повышение давления и температуры воздуха на входе в камеру увеличивает скорость химических реакций в ее первичной зоне).
Влияние давления на образование СО и 1.1НС показано на рис. 11.8. Окислы азота Окислы азота, основную часть которых обычно составляет окись азота, образуются в результате окисления азота, находящегося в атмосферном воздухе, в высокотемпературных зонах камеры сгорания. Этот процесс эндотермичен и идет с заметной скоростью только при температурах выше 1800 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
