Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 98
Текст из файла (страница 98)
Как указывалось выше, сажа образуется только в областях пламени, богатых топливом. Таким образом, для устранения сажеобразования и дымления нужнообеспечить,чтобы в пла- ~ )~ мени не было областей с (р ) 1,3 (см. рис. 11.12) . Но ". |о даже если сделать гр„в первичной зоне камеры значительно ниже, чем 1,3, несовершенство процесса смешения может привести к образованию локальных областей, в которых порции богатой топливом смеси окажутся в окружении горячих газов с дефицитом кислорода, что приведет к интенсивному образованию сажи. Это положение иллюстрирует рис.
11.14, где уровни дымления изображены в зависимости от величины суммарного отношения воздух/топливо 1/хв для двухсопловой и пневматической форсунок при одинаковых эксплуатационных условиях. То, что характеристики пневматической форсунки в отношении дымления оказались лучше, обусловлено лучшим распыливанием топлива и, в еще большей степени, интенсивным смешением топлива с воздухом в процессе его распыливания, что эффективно устраняет в зоне горения области локально богатой смеси.
Интересно отметить, что на рис. 11.14 пневматическая форсунка и двухсопловая форсунка обнаруживают противоположные тенденции в изменении дымления при увеличении отношения воздух/топливо. Это происходит из-за того, что лучшее распыливание топлива и более интенсивное перемешивание его с воздухом в случае пневматической форсунки практически гарантируют завершение горения в пределах первичной зоны. Поэтому любое увеличение суммарного отношения воздух/топливо автоматически улучшает аэрацию зоны горения и, следовательно, уменьшает дымление. В случае же центробежной форсункн 493 Выбросы звтрязеяющиз атмосферу веществ уменьшение расхода топлива приводит к ухудшению распыливания и увеличению концентрации топлива в зонах сажеобразования, непосредственно примыкающих к форсунке. Влияние размера капель топлива Важным фактором, влияющим на образование сажи, является скорость капель топлива относительно воздуха в камере сгорания [36].
При приближении капель распыленного топлива к фронту пламени передаваемое от пламени тепло начинает испарять капли. Капли меньшего размера имеют достаточно времени для того, чтобы полностью испариться еще до фронта пламени; пары топлива смешиваются затем с воздухом и сгорают в пламени в виде смеси. Капли большего размера испариться полностью не успевают и сгорают индивидуально, каждая в окружении диффузионного фронта пламени. При горении однородной топливовоздушной смеси сажа не появляется до тех пор, пока располагаемое количество воздуха не снизится примерно до 65 в7с от стехиометрического значения.
В то же время выделение сажи в диффузионном фронте пламени, окружающем каплю, зависит практически только от размера капли и рода топлива. Поэтому увеличение среднего значения отношения воздух/топливо может лишь очень слабо повлиять на образование сажи. С учетом этого обстоятельства целесообразно попытаться достичь срыва пламени с капель либо увеличением их скорости относительно окружающего воздуха, либо изменением состава газа таким образом, чтобы окружающее каплю диффузионное пламя погасло или превратилось в не дающее сажи пламя в смеси, образующейся в следе за каплей. Пламя гаснет, когда относительная скорость капли превысит некоторое критическое значение.
Эта критическая скорость зависит от размера капли и состава окружающего газа. Она увеличивается пропорционально корню квадратному из диаметра капли и сильно уменьшается при снижении концентрации кислорода в газе. Если разбавителем является двуокись углерода, то скорость при срыве пламени становится равной нулю, когда содержание кислорода в воздухе снижается до !7 е/с.
Поэтому положительное влияние циркуляции продуктов сгорания на уменьшение образования сажи проявляется отчасти в меньшей скорости при погасании пламени вследствие снижения концентрации кислорода. На практике даже при наихудших условиях только очень малая доля углерода топлива превращается в сажу, и почти вся образовавшаяся сажа окисляется в потоке за первичной зоной [19, 28]. Разработан метод расчета уменьшения размера частицы сажи в процессе ее движения через смесь известного состава, давления и температуры [37]. Для типичных условий 494 Глава 11 газотурбинного двигателя этот метод предсказывает, что все частицы размером менее 0,04 мкм будут окислены и что максимум скорости окисления соответствует Ч~ = 0,75.
Аналогичный вывод сделан в работе [38), где установлено, что агрегаты сажистых частиц становятся более стойкими к окислению, когда они увеличиваются в размере. Согласно данным этой работы, сажистые пламена не должны приводить к дымлению в случае агрегированных частиц углерода размером менее 0,01 мкм независимо от того, как много их образуется. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ Основными факторами, определяющими выброс загрязняющих веществ с выхлопными газами газотурбинных двигателей, являются: 1. Температура и коэффициент избытка топлива в первичной зоне.
2. Степень гомогенности процесса горения в первичной зоне. 3. Время пребывания продуктов в первичной зоне. 4. Характеристика «замораживания» горения вблизи стенок жаровой трубы. 5. Роль промежуточной зоны (между первичной и зоной разбавления). Эта роль может быть положительной и заключаться в дожигании СО, 13НС и сажи, содержащихся в продуктах, покидающих первичную зону. Она может быть и отрицательной, если в ней происходит «замораживание> продуктов, препятствующее завершению горения. Последнее особенно важно для камер с богатой топливом первичной зоной. Рассматривая практические методы снижения выбросов загрязняющих веществ, сначала сконцентрируем внимание на отдельных составляющих этих выбросов.
Конструкция камеры сгорания выбирается в результате целого ряда компромиссов, и не только между той или иной составляющей выбросов, но и между требованиями к различным характеристикам, таким, например, как устойчивость горения и размеры камеры. Задача снижения выброса загрязняющих веществ потребовала нового подхода к конструированию камер сгорания, и в настоящее время разрабатывается уже ряд перспективных схем. Они рассматриваются в последующих разделах. Окись углерода Выброс СО определяется следующими ключевыми факторами: 1.
СО образуется в больших количествах при любых значе- НИЯХ ОТНОШЕНИЯ ТОПЛИВО/ВОЗДУХ В ПЕРВИЧНОЙ ЗОНЕ 1Рл., Выбросы загрязняющих атмосферу веществ 2. При малых ф„, ((0,5) температура, как правило, слишком низка для того, чтобы СО окислялась в двуокись углерода. 3. При больших значениях ф,, () 0,9) СО быстро окисляется до достижения равновесных концентраций, которые превышают допустимые нормами на выбросы СО. Особое внимание при этом должно быть уделено выяснению того, каким образом происходит охлаждение продуктов сгорания до уровня температуры газа перед турбиной. Все методы снижения выброса СО должны быть увязаны с рассмотренными факторами.
Различные меры, обеспечивающие снижение выхода СО, сводятся к следующему: 1. Улучшение распыливания топлива с целью ускорить процесс испарения топлива и способствовать созданию гомогенной горючей смеси. Важность этого подчеркивается во многих работах [2?, 30 — 34[. Обычно лучшее распыливание обеспечивают пневматические форсункн (см. гл.
10), но если есть отдельный источник сжатого воздуха, то альтернативным подходом может быть применение этого воздуха для улучшения распыливания при.малых расходах топлива. 2. Перераспределение воздуха с тем, чтобы сделать величину ф ближе к оптимальной (около 0,7). 3. Увеличение объема первичной зоны и времени пребывания в ней. 4. Уменьшение расхода воздуха на пленочное охлаждение жаровой трубы. Этот воздух, выходя из первичной зоны, обычно содержит СО и 1)НС в больших концентрациях, и если эти компоненты не будут по пути вовлечены в центральное ядро горячего газа, где будут иметь достаточно времени, чтобы полностью сгореть, то они сохранятся в выхлопе.
Поэтому снижение расхода воздуха в пристеночной завесе посредством организации более эффективного охлаждения стенок в первичной зоне (или даже путем применения жаровых труб из керамики) положительно сказывается на уменьшении выхода СО. 5. Перепуск воздуха из компрессора на режимах малой тяги (мощности) [33,34[. При этом выход СО снижается благодаря увеличению отношения топливо/воздух и температуры в первичной зоне. 6.
Переключение подвода топлива на меньшее число форсунок. Это снижает выход СО благодаря улучшению распыливания топлива и увеличению ф в зонах горения (за оставшимися форсунками). Рассматривались три основных варианта переключения подвода топлива: а) Кольцевой, в котором форсунки отключаются через одну. Этот вариант идеально подходит для трубчато-кольцевых камер, ио в кольцевых камерах его эффективность снижается из-за «замораживания» продуктов в разделяющих зоны горения областях холодного воздуха (у отключенных форсунок). Глава !я 496 о 90 92 94 96 96 700 Полнома сгорания,% 1 — 71, =(13НСи1 + 0,232СОш)10 а, (11.2) где т1о — коэффициент полноты сгорания топлива, 13НСи7— удельный выброс (ЗНС, СОш — удельный выброс СО.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
