Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Если это соотношение проанализировать, исходя из требований стандарта ЕРА 1979 г. по СО и (ЗНС, то окажется, что иа режиме малого газа необходимо обеспечивать полноту сгорания топлива выше 99 о/о Несгоревшие углеводороды Выброс 11НС определяют те же факторы, что и выброс СО. Поэтому выбросы СО и 1)НС изменяются аналогичным образом (см. рис. 11.1 и 11.!5). Четкую взаимосвязь выбросов СО и 13НС, которая обычно наблюдается на практике, иллюстрирует рис. 11.16 для двигателя ЗТ9(я-7.
Аналогичный график для двигателя Р101 на рис. !!.17 показывает, что эта взаимосвязь сохраняется и при изменении вида топлива. Отсюда следует, что проблема уменьшения выброса 1!НС может быть решена теми же способами, что н проблема СО, б) Радиальный, который наиболее просто применять в кольцевых камерах сгорания с двухъярусным расположением форсунок; при малых расходах топливо подается только во внешний или внутренний ярус форсунок.
в) Осевой, в котором первичная зона рассчитывается оптимальным образом под режимы малой тяги, а дополнительное 260 топливо, требующееся на ре- жимах большой тяги (мощно- Я 200 сти), подается в одном или не- скольких сечениях ниже по пол току, чем и достигается замет- В 160 3 ное снижение выхода СО. Все рассмотренные способы ~- 700 снижения выхода СО основаны на общих принципах, предусматривающих повышение оно(авнсан„ уровня полноты сгорания топлива, поскольку неполное сгорание топлива на режимах типа малого газа сопровождается Рис. 11.1б.
Свиаь мсждУ полнотоо значительными выбросами СО сгорания топлива и выбросами СО и 17НС 1321 и ННС. Связь между уровнем полноты сгорания топлива и уровнями выброса СО и (!НС показана на рис. 11.15. Аналитически эта связь может быть описана выражением Выбросы загрязняющих атмосферу веществ с еще большим вниманием к уменьшению расхода воздуха на создание пристеночной завесы (особенно в первичной зоне) и к улучшению распыливания топлива.
В этом смысле пневмати- 50 20 50 ы 6 10 Ь, в о 20 сг ж 10 ж 2 0,5 10 20 50 100 СО, г/кг таплого 40 00 СО, г/кг пгаппиан Рис. 11.16. Связь между выбросами 1/НС и СО. ° — данные работы 1ЗВ1. Кривыми ограни- чена область данныи иа работы 1401. Рис. 1!.17. Связь между выбросами 13НС и СО для камеры сгорания двигателя Е 101 прн работе на режиме малого газа и различных топливах 141). ческие форсунки и форсунки со вспомогательным воздухом оказываются очень эффективными [42~. Окислы азота 32 заи.
тж Главным фактором, определяющим образованием ИОн, является температура. Действительно, выброс МОн экспоненциально возрастает с повышением температуры пламени согласно соотношению 1чО, ехр 0,009 Т, где Т вЂ” температура в зоне реакции, К. Для большинства практических целей остальные параметры камеры сгорания можно учитывать лишь в той мере, в какой они влияют на температуру пламени. Поэтому для уменьшения выхода ХО, в первую очередь необходимо снизить температуру в зоне реакции.
Затем важно исключить локальные горячие области в зоне реакции, поскольку недостаточно достигнуть приемлемого снижения средней температуры, если останутся локальные области высокой температуры, в которых скорость 498 Глава 11 образования КОв будет велика. Наконец, время, в течение которого может происходить образование ХО„, должно быть сведено к минимуму. Снижение и температуры пламени, и времени пребывания легко достигается увеличением расхода воздуха через первичную зону, но это приводит к увеличению выхода СО и 1)НС. Многие методы снигкения вредных выбросов по существу являются компромиссом между выбросом СО и г)НС, с одной стороны, и выбросом ИО,— с другой.
Это положение иллюстрирует график на рис. 11.18, где сопоставлены выбросы СО и ХО„для типичной камеры сгорания газотурбинного двигателя. Такое представление данных по выбросам, предложенное в работе 143], очень поучительно, так как оно позволяет отличать действительно перспективные способы снижения выбросов от простого размена выброса одних компонентов на выброс других. Для данной камеры сгорания характеристика выброса СΠ— ЫО~ существенно постоянна; ее верхняя и нижняя оконечности соответствуют режимам малого газа и максимальной тяги (мощности).
Основное достоинство рассматриваемых далее методов снижения выбросов заключается для конструктора камер сгорания в том, что небольшие изменения режима работы двигателя позволяют существенно перемещаться вдоль характеристики СΠ— ХО . Однако действительный прогресс в уменьшении выбросов достигается только тогда, когда вся характеристика СΠ— НО, смещается ближе к началу координат (на рис. 1!.18). Наиболее прямой путь к уменьшению выбросов НО, заключается во внесении различных конструктивных усовершенствований ограниченного характера, к которым относятся изменение геометрии жаровой трубы и распределения расходов воздуха, использование более совершенных способов подачи топлива и охлаждения стенок.
Достоинства такого подхода состоят в том, что он не затрагивает основной конструкции камеры сгорания, а усовершенствования могут быть введены довольно легко. Однако окончательный вариант конструкции неизбежно будет компромиссным в отношении как выбросов, так и рабочих характеристик камеры сгорания. Можно рекомендовать следующие практические приемы для снижения выбросов ХО„из камер сгорания ГТД традиционного типа: 1. «Бедная» первичная зона.
В прошлом головную часть камеры конструировали таким образом, чтобы смесь в ней была стехиометрической или несколько более бедной с целью минимизировать размеры камеры и облегчить воспламенение смеси при запуске. Добавление воздуха в первичную зону для снижения температуры пламени обеспечило бы значительное уменьшение выхода ХО„как это видно из рис. ! 1.19. Однако снн- Выбросы аагряаняющмк атмосферу веществ 499 жение температуры пламени в первичной зоне способствует увеличению выхода СО и [[НС. Следовательно, на этом пути снижение выброса НО» возможно только в ограниченных пределах. 2. «Богатая» пгрвичиая зона.
Избыток топлива, так же как и избыток воздуха, снижает температуру пламени и, следовательно, выход [х[О„. Предпринимались попытки разработать камеры сгорания с малым выбросом [х[0„, используя этот подход, 1О 280 240 У 200 ф 760 и Н 720 м$~ 80 40 0 40 60 7 Ю 700 но,, г/кг вотлиаг 80 700 720 740 7/мк Рис. 1!.18. Характеристнки выбросов традиционной и перспективной камер сгорания [431. 7 †облас данных для традицвониых камер; 3 †облас данных для перспективнык камер.
Рис. 11.19. Влияние давления и отношения воздух/топливо на выброс [ЧО [22[ Температура воздуха на входе 300 К. ° 7,33 Мпа; Хо,я Мна но они не увенчались успехом, так как «богатые» продукты сгорания необходимо быстро провести через состояние стехиометрии и обеспечить требуемые условия на входе в турбину.
Скорость перевода продуктов горения из «богатого» состояния в «бедное» лимитируется тем, что за соответствующее ему время СО и 13НС должны успеть окислиться. 3. Гомогениза74ия горения. Улучшение перемешивания топлива и воздуха до горения посредством лучшего распыливания и распределения топлива и увеличения перепада давления на жаровой трубе сделало бы более равномерной температуру пламени в зоне горения. Если это осуществляется при стехиометрическом х,р, то выход [х[О» возрастает, но в случае «бедной» первичной зоны выброс ХО может быть значительно снижен.
32* 500 Глава 4$ 4. Улаеньшенное время пребывания. Выброс ХО„может быть снижен, если уменьшить время, в течение которого газ находится при высокой температуре. Соотношение (11.1) показывает, что между уровнем выброса )д)0, и временем пребывания существует четкая связь.
5. Вярыск воды. Так как образование МО, сильно зависит от температуры, то разбавление топливовоздушной смеси инертным или негорючим веществом должно снижать выход )д)О,. до й l / '4по о ь / / с у 50 'а 40 У Й ь 60 у В 40 Э 20 у / йт 0 0,5 10 7,5 2,0 Е ' Ощношение води ункоплиео 0 00 2,0 50 '"вада У пеоед Х Рис.
11.21. Влияние впрыска воды ив степень превращения связанного в топливе ааота в гчО 1491. Рис. 11.20. Влияние впрыска воды иа уровень выброса ХО, 1441. — — — подача поды непосредстпенно е пер- ппчную попу камеры; — подаче воды и аоедун. поступающий и камеру. В работе [22) много лет назад было продемонстрировано, что впрыск воды является высокоэффективным средством уменьшения дымления; опыты показали также, что впрыском в первичную зону хорошо распыленной воды в количестве, составляющем от 0,5 до 2,0 расходов топлива, можно значительно снизить образование ХО„.
Впрыск непосредственно в горячую зону, т. е. в первичную зону камеры сгорания, очевидно, более эффективен, чем добавление воды к воздуху, поступающему в камеру, как это можно видеть на рис. 11.20. Исследованиям впрыска воды посвящены работы )30, ЗЗ, 34, 45 — 49]. Установлено )48, 49), что впрыск воды дает меньший эффект в случае тяжелых топлив, таких, как сырая нефть или мазут, которые могут содержать значительные количества связанного азота. Причина этого двоякая: во-первых, расход топлива, а следовательно, и количество азота, поступающего в камеру, возрастают при впрыске воды, поскольку необходимо поддерживать требуемую температуру газа перед турбиной; во-вторых, увеличивается выход связанного в топливе азота, как это следует из рис.
11.21. Более подробные сведения о влиянии впрыска воды и других параметров процесса горения на связанный в топливе азот содержатся в работе 148). 5ог Выбросы ватрввнвющив атмосферу веществ Сопровождается ли снижение выброса НО„достигаемое благодаря впрыску воды, увеличением выбросов СО и 1.1НС или нет, зависит в основном от того, доминирует ли кинетика химических реакций в первиччой зоне. Если суммарная скорость реакции значительно превышает минимально необходимую для обеспечения 100 $-ной полноты сгорания топлива, то впрыск воды приведет лишь к очень небольшому увеличению выхода СО и 11НС. Если же скорости реакции едва хватает для завершения горения, то сии>кение температуры пламени, вызванное впрыском воды, может привести к заметному возрастанию выхода этих веществ. Главным недостатком впрыска воды являются эксплуатационные проблемы, связанные с подачей и хранением больших количеств дистиллированной воды. По этой причине наиболее подходят для применения впрыска воды (или подачи пара) промышленные газотурбинные установки, имеющие систему водоснабжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
