Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Наблюдаемая концентрация сажи на выходе из камеры может служить индикатором того, какая из зон доминирует. Химический анализ сажи из выхлопных газов показывает, что она состоит в основном из углерода (96 7а ) и смеси соединений, включающих водород и кислород. Сажа не является равновесным продуктом сгорания топлива (за исключением горения смесей, значительно более богатых топливом, чем смесь в первичной зоне камеры газотурбинного двигателя). Поэтому определить действительные скорость образования и результирующий уровень концентрации сажи на основе кинетических и термодинамических данных невозможно.
Похоже, что в действительности скорость образования сажи определяется не столько кинетикой, сколько физическими факторами, такими, как распыливание топлива и смешение его с воздухом. Предлагалось много моделей процесса образования сажи. В настоящее время большинство специалистов склоняются к мысли, что механизмы образования сажи из конденсированных циклических ароматических углеводородов и алифатических углеводородов различны. Схематически эти механизмы изображены на рис.
11.10. Ароматические углеводороды могут превращаться в сажу двумя путями: 1) посредством конденсации бензольных колец в графитоподобные структуры или 2) посредством распада их на мелкие углеводородные фрагменты, которые затем полимеризуются, образуя большие молекулы с дефяцитом водорода, Выбросы загрязняющих атмосферу веществ 489 реакции Исходный чз ' конденсации Сажа ~Х„: ' Сбпквро) .,д 1 и аромомическии иепееодород ч .н ,о ео ° оо пе еп ~Ф 'оосФ, дробная ические углеводороды сн с,н с,н Рис. 11.1Ц Упрощенная схема образования сажи 117, 181 н концентрацию углеводородных фрагментов, но образование сажи в результате фрагментации и полимеризации было минимальным.
Экспериментальные данные, полученные при использовании смесей изооктана и толуола, согласуются с рассмотренной моделью [19[. Однако для топлив с большим содержанием полициклических ароматических углеводородов интерпретация экспериментальных данных оказывается более сложной [20[. Основные факторы, определяющие образование сажи в камерах сгорания газотурбинных двигателей, были установлены экспериментально.
К ним относятся свойства топлива, давление н температура воздуха в камере сгорания, отношение топливо/воздух, качество распыливания топлива и способ подачи топливо в камеру [19 — 341. Влияние свойств топлива Свойства топлива могут оказывать двоякое влияние на дымление: во-первых, формированием в камере сгорания локальных переобогащенных топливом областей и, во-вторых, тем, что они обусловливают различную склонность топлива к образованию из которых формируются ядра будущих сажевых частиц. В работах [!7, 18] на основании исследований в ударных трубах делается вывод о том, что конденсационный процесс более быстрый, чем процесс фрагментации колец и полимеризации осколков. Согласно рассматриваемой модели алифатические углеводороды превращаются в сажу только фрагментационно-по' лимеризационным путем. Поэтому алифатические углеводороды не способны давать такие количества сажи, как ароматические углеводороды.
Действительно, при горении богатых смесей ароматических и алифатических углеводородов с воздухом основная часть сажи образовывалась из ароматических фракций. Горение алифатических фракций топлива влияло на температуру 490 Глава 11 4О Йад $20 $1О Ч о 1о и 72 72 74 15 1а содерлсанае иодо рода о п7оплаее, мас /. Рис. 11.11. Влияние содержания водо- рода в топливе на уровень дымления 1251. Камера сгераииа двигателя Зтво. Π— взлет- ммй режим; С7 — крейсерский режим. Влияние давления Образование сажи и дымление усиливаются при высоких давлениях в камере. Для этого существует несколько причин: одни связаны с химическими аспектами, другие †физическими факторами, влияю- шими на характеристики топливного факела и, следовательно„ на распределение смеси по области пламени, где происходит образование сажи 122, 27 — 29~.
Для однородной керосиновоздушной смеси было установлено, что при давлении ниже 0,6 МПз сажа не образуется вовсе (рис. 11.12). Из этих же данных следует, что сажа не образуется при коэффициенте избытка топлива менее 1,3. Одним из неблагоприятных следствий повышения давления является расширение пределов распространения пламени, в результате чего сажа начинает образовываться в тех областях камеры, которые при более низких давлениях были бы слишком «богатыми» для того, чтобы в них могло происходить горение. Второе неблагоприятное следствие увеличения давления — это замедление испарения капель топлива, чем обеспечивается добавочное время для образования сажи в жидкой фазе топлива.
Повышение давления ускоряет, кроме того, химические реакции, что приводит к более раннему инициированию горения н к увеличению доли топлива, сгорающего в переобогащенных областях, примыкающих к факелу распыленного топлива. Прн свободного углерода. Первое определяется физическими свойствами топлива, такими, как вязкость и летучесть, которые влияют на средний размер капель, глубину их проникновения в газовый поток и скорость испарения, а второе — молекулярной структурой топлива. Установлено, что склонность к дымообразованию возрастает при уменьшении содержания в топливе водорода.
На рис. 11.11 приведены типичные данные, которые демонстрируют четкую связь между образованием сажи 5О ' и содержанием водорода в топ- ливе 135~. Тем не менее инте- о- ресно отметить, что топлива, ЪО содержавшие высокие концена трации полициклических ароматических углеводородов, в одном исследовании [20~ давали больше сажи, чем можно было ожидать, исходя из пред. и положения об определяющей роли содержания в топливе водорода. 491 Выбросы звгрязняющих атмосферу веществ использовании центробегкньгх форсунок, двухступенчатых и двухсоплов67х, уменьшение глубины проникновения распыленного топлива в газовый поток является одной из основных при- 0,09 о,аз оат ,",О,ОБ а 0,05 1,7о2,7 Чпа 1 а 0,04 ту о,азз 0,0 7,0 7,2 1,4 7,0 1,8 и Рис.
11.12. Образование сажи в однородных нероснновоздушных смесях 1261. Заштрихована область оажаобрааоаання и аралмдушнх исследованиях. чин дымления при высоких давлениях 129). При низких давлениях топливо распределяется по всей зоне горения, а при повышении давления оно обнаруживает тенденцию концентрироваться в зоне наибольше- 100 го сажеобразования в непосредственной близости от форсун- '3 ки. Еще одним неблагоприятным следствием повышения а давления в камере следует счи- В 70 тать уменьшение угла конуса $ распыливания топлива, что способствует образованию сажи, отчасти из-за увеличения среднего размера капель, но в ос- 1 новном из-за обогащения смеси в сажеобразующей зоне.
Результирующий эффект Рнс. 11,! 3. Лымность выхлОпных га- зов современного авиационного газо- действиЯ всех пеРечисленных турбинного двигателя 76). факторов состоит в том, что дымление существенно возрастает прн увеличении давления в камере (рис. 11.13). Форсунки с пневмораспылом избавляют от этих проблем, поскольку капли топлива в этом случае всегда увлекаются воздушным потоком и распределение топлива по зоне горения задается только структурой течения воздуха в жаровой трубе, на которую почти не влияют изменения давления. Влияние температуры Температура воздуха на входе в камеру влияет, по-видимому, на многие стороны процесса образования сажи; в целом повышение Т, чаще приводит к усилению дымления.
Это в Глава И особенности справедливо при ~р ) 1,6, как показано в опытах 1!91 со смесями толуол — воздух. Повышение температуры газа на выходе из камеры уменьшает дымление благодаря увеличению области выгорания сажи, которая расположена ближе к зоне смешения и в которой имеется избыток воздуха, необходимого для сжигания сажи. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 'т оо во оо ыо мова ~во г /хс Рнс. 11.14. Влияние типа форсунка на лымность ныхлонных газов 1271. Х вЂ” Лаухсанхсаая фарсуака; ° — ннеаматн ческая форсунка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
