Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 96
Текст из файла (страница 96)
Поэтому, в противоположность СО и (ЗНС, КО образуется только в горячих центральных зонах камеры, и максимум концентрации НО достигается на режиме наибольшей тяги (мощности). Окись азота в зависимости от механизма ее образования в камере сгорания бывает трех видов: 1) термическая НО, образующаяся при окислении атмосфер- ного азота в послепламенных газах; 31* Глава 44 484 2) сверхравновесная ИО, образующаяся в быстрых реакциях во фронте пламени; 3) топливная ХО, образующаяся в результате окисления азота, содержавшегося в топливе. Термическая окись азота. Установлено, что образование ХО в процессах горения происходит в соответствии с цепным меха- низмом Зельдовича [7 — 91: Оз ч=~ 20, О+1Ч, ч=ь 1ЧО+1Ч, 1Ч+ О, 1ЧО+ О.
Основные реакции окисления топлива в воздухе протекают при избытке воздуха быстро и играют незначительную роль Юз -2 10 ~ 10' с,. Б 10 ьс 10 3 н Ц м' 10 ьс 1О' 1 10 Ю 10Д 10' ВрЕМя, Мо 10 10, 10зВремя, мс Рис. 11.5. Вычисленная равновесная концентрация 1ЧО в зависимости от времени и температуры 151. Смесь СН,— воздух, 0=5 Мпе. у=2500 К, В=но.
Рнс. 11.4. Вычисленная равновесная концентрация гхО в зависимости от времени и коэффициента избытка топлива 15). Смесь Си,— воздух, Раю Мие. у=2400 К. в процессе образования ИО, просто нагревая смесь. Цепные реакции образования ИО начинаются с высвобождения атомов кислорода при термической диссоциации молекул кислорода, не израсходованных в горении. Появляющиеся затем атомы азота реагируют с молекулярным кислородом и образуют ХО.
Равновесная термическая диссоциация молекул азота при тех температурах, которые имеют место в камерах газотурбинных двигателей, еще не достигается, и единственным источником атомарного азота служит вторая реакция 10 атомарным кислородом). Расчетная равновесная концентрация ИО возрастает с уменьшением коэффициента избытка топлива тр при фиксированной температуре и с повышением температуры при неизменном ср (рис. 11.4 и 11.5). В натурных камерах ср и температура Выбросы загрязняющих атмосферу веществ 485 взаимосвязаны, поэтому вследствие конкуренции между моле- кулами топлива и азота за свободный кислород образование ХО достигает максимума с «бедной» стороны от стехиометрии.
Хотя температура максимальна 50 000 т,,к Рис. 11.6. Зависимость выброса [ЧОк от температуры воздуха на входе в камеру сгорания [10]. !и ()тОн!/1) = — 72,28+ + 2,80 «/Т вЂ” Т)38, (11.1) Рис. !1.7. Сравнение выбросов ]ЧОк прн двух уровнях давления 11!1. Он=2 Мна, Г=ааак: !ЗР=З Мна, г=зас к; — Р=з мпа. где Т вЂ” адиабатическая температура пламени, 1 — время пребывания газа в камере, мс. Влияния давления при его изменении от 0,5 до 3 МПа обнаружено не было (рис.
11.7); этого и следовало ожидать, поскольку реакция [х]2+ Оз =21]0 происходит без изменения объема. ') В работе [10] одновременно с температурой изменялось и давление воздуха на входе в камер!. — Приза Ред. в стехиометрической или несколько более богатой смеси. имеющийся кислород вступает в реакцию главным образом с молекулами топлива (из-за более высокой скорости экзотермических реакций окисления топлива).
При понижении ниже примерно 0,8 падение температуры горения настолько велико,что оно перекрывает эффект от увеличившегося содержания свободного кислорода, и уровень концентрации образующейся ]к[О начинает снижаться. Рис. 11.6 демонстрирует четкую зависимость выброса ХОк от температуры воздуха на входе в камеру [10], которая, как известно, в значительной мере определяет температуру пламени ').
Влияние на выброс [чО, температуры пламени и давления воздуха исследовалось в работе 111] с пропановоздушной смесью. Полученные результаты хорошо описыва>отся выражением „100 Г .-. 02 !800 7000 2200 2400 2600 Адиабатическая температура аламеии, К 486 Глава 11 Влияние времени пребывания газа в камере на образование ИОн со всей очевидностью следует из данных рис.
11.8. Эти данные получены для камеры сгорания с предварительной подготовкой смеси, работавшей на газообразном пропане [12[. Они свидетельствуют об увеличении выброса ИО„ при росте времени пребывания, за исключением режима с очень бедной Я 5 с с Е и 7 Я1,0 ~ат 0,5 Дат 04 Об 08 70 72 !4 76 Ф 0,2 05 7,0 7.5 2,0 2,5 ЗО время оребыеания, мс Рис. 11.8. Влияние времени пребывания для нропановоздушной смеси на выброс МО 112]. Рис.
1!.9. Образование 7ЧО из связан- ного в топливе азота [141. — 2200 Кт — — — 7000 Кт 7 в ноннентрация ОЛ 7О 7 2 †нанцентрац 2 7О смесью (ф = 0,4), для которого скорость образования ХО„ настолько мала, что влияние на нее изменения времени пребывания становится несущественным.
Сверхравновесная окись азота. При определенных условиях, особенно в низкотемпературных пламенах богатой топливовоздушной смеси, 710 обнаруживается на очень ранних стадиях процесса горения; этот факт противоречит идее о медленном характере окисления азота. Механизм этого явления пока еще далеко не понят, но установлено, что оно происходит в результате взаимодействия большого числа промежуточных веществ, возникающих в ходе основных реакций окисления углеводородов до СО и затем до СО, [13[. Выбросы такой «сверхравновесной» окиси азота не могут быть предсказаны со сколько-нибудь приемлемой точностью. Однако для наиболее современных камер сгорания они, вероятно, должны быть между 0 и 30.107 е по концентрации, причем меньшие величины соответствуют высокотемпературным условиям относительно «бедной» зоны горения, а большие величины — низкотемпературной зоне горения богатой смеси.
выбросы звтрвзввющиз атмосферу веществ 487 Окись азота из топлива. Если в топливе содержится химически связанный азот, то часть этого азота неизбежно перейдет в окись азота, называемую «МО из топливаз. Доля азота, подвергающегося такому превращению, зависит от особенностей процесса горения. Легкие дистичлятные топлива содержат небольшие количества органического азота (менее 0,06 % ), но тяжелые продукты перегонки могут содержать уже до 1,8% азота. Поэтому в зависимости от степени окисления этого азота 510 из топлива может составлять значительную долю в общем выбросе окиси азота 114, 15].
Имеющиеся данные о механизме образования ЫО из связанного в топливе азота позволяют предположить следующее: 1. Связанный азот, если его содержание в топливе невелико (менее 0,5 $ по массе), практически полностью превращается в ХО при горении бедных смесей.
2. Степень превращения азота в ХО уменьшается при увеличении содержания азота в топливе, особенно при горении богатых смесей (рис. 11.9). 3. Степень превращения азота в МО медленно увеличивается при повышении температуры пламени. 4. Состав азотсодержаших компонентов топлива не влияет на степень превращения азота в 510. Выброс двуокиси азота До сих пор рассматривалась только окись азота, являющаяся продуктом первоначального окисления азота.
Однако окись азота окисляется до двуокиси, как только достигается требуемая для этого низкая температура в выхлопных газах двигателя. В действительности превращение ХО в ХОт начинается еше в камере сгорания, в зонах со значительным избытком воздуха. На режимах большой тяги (мошности) доля ХОт, образующейся в камере, очень мала, но на режимах типа малого газа содержание 5)От в окислах азота (ХО+ ХОз) может достигать 50 с~с (15, 16!. Эти результаты согласуются с тем, что при низких температурах МОт более стабильна, чем ХО. Была предложена кинетическая схема, позволяющая объяснить полученные результаты и прогнозировать скорость превращения ИО в ЫОт, которая, как оказалось, может достигать примерно 25 % за 0,1 мс при 700 К.
При 900 К скорость превращения снижается до (6 % за О,1 мс. Остаются 'тем не менее некоторые сомнения в отношении того, действительно ли превращение в 510з происходит в камере сгорания или это результат «замораживания» продуктов горения вблизи охлаждаемых стенок пробоотборника. 488 Глава 14 Дым Дымность выхлопных газов связана с образованием диспергированных частиц сажи в богатых топливом участках пламени; они могут образовываться в любой части зоны горения, где скорость смешения недостаточна. В случае центробежных форсунок основная сажеобразующая область располагается внутри факела распыливания топлива, в центре камеры.
В этой области существует возвратное течение продуктов сгорания к факелу распыливания топлива, в котором локальные порции паров топлива оказываются окруженными высокотемпературными газами с дефицитом кислорода. Благодаря избытку топлива сажа в этой области может образовываться в значительных количествах.
Большая часть сажи, образовавшейся в первичной зоне горения, сгорает затем в высокотемпературных областях ниже по потоку. Поэтому с точки зрения дымления камеру можно рассматривать как двухзонное устройство, первичная зона которого определяет скорость образования сажи, а промежуточная зона (в современных высокотемпературных камерах к ней следует отнести также и зону разбавления) определяет скорость расходования сажи (при ее сгорании).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
