Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Постановка задачи 10
1.1. Определение экологически чистой камеры сгорания и характеристики токсичности продуктов сгорания 10
1. 2. Способы уменьшения вредных выбросов за камерой сгорания ... 14
1.3. Разработка и доводка малотоксичных камер с горания 18
1. 4. Постановка задачи 23
ГЛАВА II. Математическое моделирование рабочего процесса камеры сгорания 28
2. 1. Моделирование камер сгорания 28
2. 2. Основная система дифференциальных уравнений математической модели камеры сгорания 35
ГЛАВА III. Экспериментальные методы и средства измерения концентраций вредных веществ в выхлопных газах камер сгорания 45
3.1. Химический метод определения содержания окислов азота в продуктах сгорания углеводородных топлив... 45
3.2. Определение суммарного содержания углеводородов с помощью пламенно-ионизационного детектора 49
3.3. Измерение малых концентраций окиси углерода с помощью термохимического детектора 51
3.4 Анализ технических характеристик стендовой быстродействующей аппаратуры для измерения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания 53
3.5. Выводы 62
ГЛАВА IV Экспериментальные исследования перспективных методов организации процессов горения в экологически чистых камерах сгорания ... 64
4.1. Модели хорошо перемешиваемых реакторов (ХПР) 64
4. 2. Методика измерений 67
4. 3. Расчет гетерогенного ХПР 70
4. 4. Принципы модели ГСП 76
4. 5. Результаты и выводы 79
Выводы 83
Обозначения 84
Основные выводы по работе 87
Литература
- Способы уменьшения вредных выбросов за камерой сгорания
- Основная система дифференциальных уравнений математической модели камеры сгорания
- Определение суммарного содержания углеводородов с помощью пламенно-ионизационного детектора
- Анализ технических характеристик стендовой быстродействующей аппаратуры для измерения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания
Введение к работе
Актуальность проблемы снижения токсичности камеры сгорания и анализ методов ее решения.
Одной из основных проблем при создании стационарных ГТУ на базе авиационных двигателей является проблема разработки высокоэффективной камеры сгорания, работающей на газообразном топливе с высоким коэффициентом полноты сгорания и обеспечивающей минимальное количество вредных компонентов в продуктах сгорания, регламентируемое экологическими требованиями и нормами [130]. Актуальность решения этой сложной научно-технической задачи подтверждается принятием ряда документов, связанных с организацией охраны окружающей среды в странах Европы, США, Латинской Америки и ряда стран Юго-Восточной Азии, включая Японию, Индию, Австралию, Корею и другие страны. Практически все подразделения ООН, связанные с развитием науки, промышленности, сельского хозяйства (ЮНЕСКО, ЮНИДО и др.), имеют во всех развитых странах мощные экологические центры и службы, контролирующие уровень загрязнения воздуха, воды и земли отходами промышленного производства и выхлопными газами теплоэнергетических станций, стационарных и транспортных теплосиловых установок различного назначения.
В связи с конверсией авиационной промышленности в настоящее время практически все моторостроительные ОКБ имеют существенный задел в разработке и создании стационарных ГТУ на базе авиационных двигателей. При этом наиболее продвинуты в решении этой проблемы работы ОКБ АО «Сатурн-А. Люлька», где на базе двигателя АЛ-31Ф создана стационарная ГТУ АЛ-31Ф-СТ, которая успешно прошла цикл сложных сертификационных испытаний, и в настоящее время находится в стадии опытной эксплуатации.
4 Практически все ведущие моторостроительные организации авиацци-
онной промышленности имеют существенный задел в разработке экологически чистой камеры сгорания. Большие успехи достигнуты в ЦИАМ и ВТИ, где в течение последних лет разрабатываются и совершенствуются конструктивные варианты газовых горелок, обеспечивающих эффективное смесеобразование и сжигание горючей смеси с высоким коэффициентом полноты сгорания. Крупные успехи в изучении физической природы получения гомогенных двухфазных и трехфазных смесей достигнуты научными коллективами ведущих кафедр технических университетов: МГТУ им. Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургского университета, Казанского авиационного университета, Московского авиационного института им. С. Орджоникидзе, Самарского авиационного института, Томского технического университета и многих других.
Однако, несмотря на обширные исследования путей и способов обеспечения экологичности камер сгорания стационарных ГТУ, достигнутые к настоящему времени, результаты теоретических и экспериментальных работ в этом направлении не позволяют полностью решить все вопросы, связанные с указанной проблемой.
Основные трудности, препятствующие достижению требуемых экологических характеристик камер сгорания (КС) стационарных ГТУ, создаваемых на базе авиационных ГТД или с использованием авиационных технологий, можно сгруппировать по следующим признакам:
1. Высокие температуры в зоне горения (в зоне факела), характерные для традиционных конструкций авиационных КС с использованием центробежных форсунок, способствуют получению больших концентраций наиболее вредных радикалов NOx (NO, N02 и др.) в продуктах сгорания при работе ГТД и ГТУ на максимальных и номинальных режимах, наиболее характерных для эксплуатационных условий теплоэнергетических установок. При этом уменьшение температурі газа с целью сократить концентрацию NOx приводит, как
5 известно, к существенному снижению топливной экономичности
ГТУ (повышению удельного расхода топлива) и, как следствие, к
уменьшению эффективного КПД всей установки.
При работе ГТД и ГТУ на частичных режимах обычно уменьшается величина коэффициента избытка воздуха в зоне горения и при этом в продуктах сгорания значительно возрастает содержание СО и СИ. Этому способствует также снижение давления и температуры воздуха в КС в соответствии с условиями работы турбины и компрессора по линии совместной работы на характеристике компрессора.
Широко используемые в настоящее время центробежные форсунки традиционных конструкций не обеспечивают высоких коэффициентов полноты сгорания (КПС) топлива. Это происходит вследствие неудовлетворительного качества смесеобразования. Получить приемлемые экологические характеристики КС при неблагоприятных условиях смесеобразования и низких КПС практически невозможно.
Структура потока в КС характеризуется большой неравномерностью распределения температуры и давления по радиусу и по окружности на входе в сопловой аппарат турбины. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, в этих условиях экологические показатели продуктов сгорания существенно ухудшаются.
Высокие температуры факела в зоне горения в традиционных конструкциях КС приводят к необходимости разработки сложных систем охлаждения теплонапряженных элементов жаровой трубы, определяющих ресурс двигателя и ГТУ в целом. Организация подвода вторичного воздуха для охлаждения горячего ядра потока и стенок жаровой трубы требует сложных дорогостоящих теоретических и экспериментальных исследований. Однако результаты этих исследований все равно не гарантируют полного решения проблем удовлетворительного смесеобразования и охлаждения.
Традиционные конструкции КС характеризуются значительным гидравлическим сопротивлением потока, и, как следствие, относительно большими потерями энергии газа, отрицательно влияющими на КПД КС и установки в целом.
Перечисленные выше и другие трудности в организации эффективного процесса смесеобразования и горения на установившихся стационарных эксплуатационных режимах работы ГТУ существенно возрастают при работе на частичных и особенно на неустановившихся режимах. При этом возникает проблема устойчивости смесеобразования и горения, которую конструкторы обычно пытаются решать коррекцией программы регулирования и разработкой сложных элементов защиты в САР от пиков и забросов температуры газа. Приемлемые экологические характеристики КС при этом достигаются с большим трудом.
Перечисленные проблемы (и многие другие) тесно взаимосвязаны и их решение значительно усложняется высокими требованиями к экологическим показателям продуктов сгорания в широкой области эксплуатационных режимов работы ГТУ. Совместное их решение возможно только при системном, комплексном подходе к проектированию эффективных КС для стационарных ГТУ с проведением тщательного анализа условий эффективности процессов смесеобразования и горения. Вместе с тем необходимо искать новые проектно-конструкторские решения, обеспечивающие высокие КПД и приемлемые экологические характеристики КС.
Основной проблемой при совершенствовании КС является достижение высокой эффективности смесеобразования при подаче топлива и воздуха в КС при высоком давлении. Этой проблеме посвящен ряд монографий и фундаментальных трудов [1-12], в которых рассматриваются, в основном, традиционные способы организаций рабочих процессов в КС при совмещении процессов смесеобразования и горения. Среди этих работ следует особо отметить монографию Ю.М. Пчелкина [5], в которой рассматриваются пер-
7 спективные подходы к проектированию КС с разделением процессов смесеобразования и горения. Эти подходы позволяют реализовать принципы получения гомогенных смесей, которые сгорают с высоким КПС при наилучших экологических показателях и характеристиках продуктов сгорания (ПС).
Главной трудностью при исследовании КС с новыми принципами организации процесса горения является большая сложность математического моделирования этого процесса. Решению этой проблемы посвящено большое количество работ [13-54], в которых различные методы численного анализа процессов смесеобразования и горения с учетом влияния параметров потока на входе в КС, влияние физико-химических свойств топлива на характер протекания химических реакций и процессов смешения воздуха и ПС. При этом центральное место в решении этих задач занимает процедура численного интегрирования фундаментального уравнения Навье-Стокса в эллиптической форме [44-51] с учетом вязкости. При этомо собая роль отводится влиянию пограничного слоя на структуру потока [49].
Большое внимание исследователи уделяют оптимизации структуры потока при смесеобразовании и горении гомогенных и гетерогенных смесей [55-97]. Также подробно исследуются преимущества и недостатки организации процесса горения в ламинарном и турбулентном потоках [97]. Однако большинство исследователей все же анализируют турбулентную структуру потока [56-81]как наиболее отвечающую требованиям оптимизации процесса горения в реальных КС ГТД и ГТУ. При этом турбулентная структура подразделяется на микротурбулентную и макротурбулентную [98-129] структуру потока рабочего тела с глубоким анализом доминирующего влияния различных факторов на скорость распространения пламени и качественный состав ПС.
Весьма важным является также вопрос о влиянии такого показателя как неустойчивость фронта пламени на качественные характеристики процесса горения [78-84]. При этом неустойчивость фронта пламени рассматривается
8 как важный фактор достижения этого процесса при определенных внешних и
внутренних условиях.
Во всех вышеуказанных работах просматривается общая идея такого форсирования рабочего процесса сгорания топлива в КС, при котором время его пребывания в зоне высоких температур было бы минимальным. А это условие в наибольшей степени отвечает требованиям обеспечения экологич-ности ПС, и, в первую очередь, минимизации содержания в них радикалов NO*.
Реализация этих условий возможна лишь при разделении процессов смесеобразования (до достижения гомогенного состава горючей смеси) и горения гомогенной смеси с максимальными, но контролируемыми скоростями распространения фронта пламени. Как известно [5], одним из недостатков горения гомогенной смеси является неустойчивость процесса горения [87-94], которая должна быть контролируемой [203].
При гетерогенном процессе в КС [96] большое значение имеет оптимизация этапов распыления топлива, смесеобразования и испарения топлива до начала активного горения. То есть принцип разделения процессов смесеобразования и горения паров топлива также рассматривается здесь как основополагающий для достижения максимальной эффективности и полноты сгорания при получении наилучших экологических показателей ПС. В конечном счете использование этих принципов позволяет вплотную подойти к реализации микрофакельного горения в КС ГТД и ГТУ, обеспечивающего высокие экологические показатели при минимальных размерах и массе.
При проведении экспериментальных работ, подтверждающих правильность этого направления совершенствования КС ГТД и ГТУ, очень важно с достаточной точностью анализировать состав ПС и определять количественные показатели вредных компонентов в ПС.
Решению этой важной экспериментальной задачи посвящены работы [130-141], где подробно рассматриваются методы и средства измерения кон-
9 центраций вредных веществ в ПС КС ГТД и ГТУ, а также дается подробный
анализ их достоинств и недостатков.
Расчетные и экспериментальные исследования, представленные в работах [142-151], подтверждают правильность основных направлений совершенствования рабочих процессов в КС ГТД и ГТУ с целью достижения наилучших экологических показателей. При этом используются достижения как физико-математических исследований рабочего процесса [143,144], так и расчетно-экспериментальных исследований, связанных с оптимизацией рабочего процесса в КС. В этом смысле особый интерес представляет работа [151], в которой рассматривается метод расчета и результаты экспериментальных исследований гетерогенного рабочего процесса (РП) с использованием эффекта Коанда.
Таким образом, краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований позволяет сформулировать постановку задачи обеспечения эко-логичности КС ГТД и ГТУ, обоснование которой дается в главе I.
Способы уменьшения вредных выбросов за камерой сгорания
Образование окиси углерода, сажи углеводородов и некоторых других соединений связано с недожогом топлива и определяется основной характеристикой работы КС - коэффициентом гг. Остановимся на возможности снижения NOx за КС. Для существующих конструкций КС уменьшить выход NOx можно следующими мероприятиями.
1. Увеличением коэффициента аг избытка воздуха в зоне горения. Дополнительная масса воздуха будет способствовать снижению уровня температур в зоне горения и уменьшению времени пребывания газов в ней. В итоге выход NOx должен уменьшиться. Эффективность этого мероприятия будет достигнута, если не ухудшатся другие характеристики работы камеры.
2. Улучшением распыливания топлива и перемешивания его с воздухом. Оптимальный вариант - получение гомогенной топливовоз-душной смеси и введение ее в зону горения камеры. В результате из времени пребывания в зоне высоких температур исключается время смесеобразования, что уменьшает выход NOx. Предварительное смесеобразование уменьшает размеры зоны горения и КС. Достигнуть этого можно например установкой воздушных форсунок. Опытом установлено, что выход NOx может снизиться более чем на 25-35 % в зависимости от конструктивных и рабочих параметров форсунки и камеры. В ряде случаев положительный эффект был получен простым увеличением числа форсунок и постановкой дополнительных турбулизаторов (завихрителей), улучшающих перемешивание потоков. Очевидно, что в результате таких мероприятий можно понизить выход и других вредных выбросов, повывшая этим полноту сгорания топлива. Однако чрезмерная гомогенизация смеси сокращает область устойчивой работы камеры.
3. Впрыскиванием воды (пара) или использованием топливоводяной смеси. Кроме возможного каталитического эффекта происходит охлаждение зоны горения. В отдельных случаях выход NOx можно уменьшить на 20-30 %.
4. Использованием конструкционных материалов-катализаторов. Интенсификация процессов горения, повышение его надежности и устойчивости могут позволить без отрицательных последствий понизить среднюю эффективную температуру в зоне горения и даже уменьшить ее размеры, сокращая время пребывания газов в зоне высоких температур, что в итоге обусловливает снижение выхода NOx. Из катализатора выполняются жаровые трубы или их части, а также специальные пористые вставки. Как катализатор используют керамические материалы, оксиды хрома, кобальта, редкоземельных элементов (цезий, лантан и др.). 5. Введением специальных присадок в топливо, которые препятствуют образованию оксидов азота, способствуют их распаду на исходные вещества или снижают температуру пламени, что приводит к уменьшению образования NOK. Так, например, добавка 0,3 % кобальта или меди уменьшает эмиссию оксидов азота на 20-25 %. Добавка карбоната натрия или лития также снижает выход NOx. Перечисленные наиболее известные мероприятия по предупреждению выбросов NOx в существующих КС иногда сильно усложняют и даже изменяют конструкцию камеры и ее основных узлов и систем. Заметное уменьшение вредных выбросов часто достигается не на всех режимах работы КС. На порядок можно снизить выбросы NOx, создавая специальные малотоксичные камеры гомогенной, гибридной, микрофакельной и др. конструкции.
В гомогенной малотоксичной камере топливо воздушная смесь подготавливается вне зоны горения, например, в предкамере или в воздухоподво-дящих каналах, куда подается топливо. Обедненная гомогенная горючая смесь с аг 1,5-1,7, сгорая в укороченной зоне горения при невысокой средней температуре (до 1970 К), дает очень малый выход NOx. Большим недостатком гомогенных камер вместе с опасностью самопроизвольного воспламенения смеси в подводящих каналах является узкая область устойчивых и экономичных режимов работы, так как стабилизация и эффективность процесса горения при значительных коэффициентах избытка воздуха резко ухудшается.
Основная система дифференциальных уравнений математической модели камеры сгорания
а) Дифференциальные уравнения, следующие из законов сохранения. Уравнение неразрывности. В соответствии с законом сохранения массы в стационарных течениях суммарный поток массы в любой контрольный объем равен нулю. Если этот закон применяется к турбулентному течению со случайными пульсациями, то массовый поток должен осредняться по времени.
Уравнение сохранения химического компонента j. В рассматриваемых стационарных течениях концентрация компонента j, т.е. Wj не зависит от времени. Отсюда следует, что суммарный приток компонента в контрольный объем вследствие конвекции, диффузии и образования этого компонента в результате химических реакций равен нулю.
Математическая формулировка: приток компонента ] в элементарный контрольный объем, показанный на рис. 2. 1, через поверхность, соответствующую меньшему значению ь выражается в виде
Уравнения количества движения. Согласно второму закону движения Ньютона, примененному к стационарному течению через контрольный объем, суммарный поток количества движения в контрольном объеме равен сумме сил, действующих на контрольный объем со стороны окружающей среды. (Массовые силы здесь не учитываются.) Можно также сказать, что момент потоков количества движения и сил относительно фиксированной оси равен нулю. Примем последнюю формулировку, так как она является более общей и более удобной применительно к нашей задаче.
Математическая формулировка для направления 1. Рассмотрим еще раз контрольный объем и выпишем подробно все составляющие количества движения в направлении 1 или, лучше сказать, составляющие момента количества движения относительно точки Р\, которая является центром кривизны линий ,2 = const в плоскости , ,2- Моменты потоков количества движения
Второе слагаемое этих вкладов учитывает факт, что поток через поверхность, которая более удалена от центра кривизны, имеет плечо момента большее (на hd a), чем плечо момента потока через ближнюю поверхность.
Вклад всех членов в баланс моментов количества движения, приходящийся на единицу объема, равен
Кроме того, необходимо учесть еще два потока количества движения, которые вносят V\ и Уг в уравнение баланса в направлении 1 вследствие кривизны координатных линий. Так, ускорение частицы жидкости в направле-нии 1, связанное со скоростью Нравно -V2 I г2, а ускорение частицы, свя-занное со скоростью V\, равно (-F3 / r3)sinp\ Умножая на г\ получим суммарный вклад всех членов потока количества движения в величину момента количества движения относительно точки Р1 (для единицы объема):
Отметим, что в последнем уравнении отсутствуют члены, содержащие pV2. Объясняется это тем, что направления 1 и 2 лежат в плоскости ,3=const, вследствие чего скорости V\ и V2 не дают вклада в количество движения в направлении 3. Следует также отметить, что производная др/д з не приравнена нулю, хотя рассматриваются только осесимметричные течения. Это сделано потому, что для некоторых задач, которые можно решать данным методом, (др/д&0).
Уравнение напряжения вихря. Только что выведенные уравнения не совсем удобны для дальнейшей работы, так как помимо производных от составляющих вектора скорости содержат производные от давления, распределение которого неизвестно.
Очень хорошим способом устранения этого неудобства является введение в качестве основной зависимой переменной напряженности вихря. При этом давление исключается из уравнений, и почти то же самое происходит со скоростями. Это позволяет объединить два уравнения в одно и использовать его для определения распределения напряженности вихря. Затем можно найти распределение скорости и давления.
Если большую часть членов, содержащих скорость, выразить через функцию тока, то уравнение упроститься. В этом случае, помимо других преимуществ, отпадает необходимость в использовании закона массы в явном виде. В настоящее время в ряде стран давно начаты работы по ограничению загрязнения атмосферы вредными веществами с выхлопными газами (ВГ) двигателей, предусматривающие создание КС с пониженным содержанием этих веществ в продуктах сгорания (ПС), а также нормирование допустимых выделений вредных веществ.
Так в США давно введен государственный стандарт допустимого выброса загрязняющих атмосферу веществ авиационными двигателями [130]. В настоящее время в Международной организации гражданской авиации (JCAO) обсуждается проект международных требований. Проектом предусматривается проведение специальных квалификационных испытаний двигателей с измерением содержания вредных веществ в ВГ на различных режимах работы двигателя (имитирующих взлетно-посадочные операции). По результатам испытаний двигатель получает сертификат, свидетельствующий о том, что выброс (эмиссия) вредных веществ не превышает допустимого уровня (нормы). При этом примененные в квалификационных испытаниях средства измерения должны удовлетворять требованиям JCAO. Эти требования определяют принципы работы измерительной аппаратуры, предназначенной для измерения концентраций вредных веществ (ВВ) в ВГ, и ряд ее технических характеристик: диапазоны измерений, погрешность, быстродействие, стабильность нуля и показаний, допустимый уровень помех.
Определение суммарного содержания углеводородов с помощью пламенно-ионизационного детектора
Хроматографический анализ продуктов сгорания топлив с использованием детектора по теплопроводности (катарометра) позволяет надежно определять концентрацию оксида углерода с 0,05 % СО. Для определения концентрации СО в ВГ ГТД необходим метод, обеспечивающий надежное определение -0,005 % СО.
Принцип хроматографического анализа газов с использованием термохимического детектора основан на измерении теплового эффекта каталитического сжигания горючих компонентов анализируемой смеси на поверхности чувствительности элемента. Тепловой эффект реакции горения достаточно велик по сравнению с эффектом теплопроводности, поэтому термохимические детекторы 9 в ряде случаев обладают более высокой чувствительностью, чем катарометры.
В настоящей работе использовался хроматограф «Газохром 3101», выпускаемый Московским заводом «Хроматограф». Чувствительность его термического детектора к окиси углерода 0,001 %. Для улучшения воспроизводимости дозирования газовой пробы хроматограф был оборудован краном-дозатором (такими кранами комплектуются приборы «Цвет», ЛХМ-7А, ЛХМ-8МД и др.). Детектор прибора - комбинированный, с двумя рабочими элементами, помещенными в самостоятельные камеры, через которые протекают независимо друг от друга два потока газов-носителей. Один рабочий элемент - низкотемпературный, с каталитическим покрытием для определения горючих компонентов по тепловому эффекту реакции горения; второй -без каталитического покрытия для определения негорючих газов по эффекту теплопроводности.
В настоящей работе использован термохимический детектор, с которым опробован метод лабораторного анализа, позволяющий определять концентрацию оксида углерода (от 0,004 % и выше) в ВГ авиадвигателей.
Для проведения количественных определений окиси углерода в диапазоне концентраций 0,004 - 0,20 % по объему (40 - 2000 ррт) была приготовлена эталонная проба, представляющая смесь 0,01 СО с N2. Приготовленная проба была аттестована по калибровочному газу фирмы «Zinde» (100 ррт СО). Концентрация СО в приготовленной эталонной пробе равна 0,0092 % (см. рис. 3. 3.).
В целях ускорения практического использования данного метода, его описание приведено в отдельной работе. Метод проверен в широком диапазоне концентраций СО (-0,01 - 5,0 %).
На рис. 3.4. приведено поле концентраций СО, полученное с использованием данного метода при исследовании выделений ВВ продуктами горения одной из моделей КС, а на рис. 3. 6. представлен пример хроматограммы при анализе одной из точек этого поля.
Для проведения такого анализа прежде всего необходимо уточнить требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре. Схема системы представлена на рис. 3.5.
Система оборудуется газоанализаторами на СО, С02, СпНт и NOx. Транспортировка пробы от газоотборника (требования которого здесь не приводятся) к измерительным блокам должна осуществляться по обогреваемым магистралям, изготовленным из нержавеющей стали или тефлона с внутренним диаметром от 4,5 до 8 мм. Магистраль подвода к газоанализатору углеводородов поддерживается при температуре 150 С + 5 С для предотвращения конденсации тяжелых углеводородов.
Температура магистралей подвода пробы к остальным анализаторам составляет 55±5 С для предотвращения конденсации паров воды.
Газ должен проходить по магистрали от отборного устройства до анализатора за 2 с. Длина магистрали должна быть выбрана минимальной и не более 25 м.
В системе не должны использоваться никакие осушители, отстойники и другие подобные устройства для удаления из пробы паров воды.
В настоящее время за рубежом выпускаются системы эмиссионных измерений, приспособленные для непрерывного стендового определения концентрации СО, СО2, СпНт, NOx. Эти системы оборудованы полным набором газоанализаторов на указанные компоненты. Их выпускают фирмы «Хари-ба», «Янагимото», «Бекман» (США), «AVL» (Австрия).
Однако эти системы предназначены для определения эмиссионных характеристик карбюраторных и дизельных автомобильных двигателей. Поэтому они не удовлетворяют всей совокупности требований, предъявляемых к аналогичным системам, предназначенных для обследования авиационных двигателей. Специально предназначенных систем для измерения эмиссионных характеристик авиадвигателей ни одна зарубежная фирма еще не выпускает.
Поэтому целесообразно проанализировать характеристики отдельных газоанализаторов, которые можно затем объединить в один комплект.
Для непрерывного измерения концентрации СО предлагается применять газоанализаторы, принцип действия которых основан на поглощении без дисперсного инфракрасного излучения (NDJR).
В этих приборах два параллельных луча от источника инфракрасного излучения проходят один через кювету с эталонным газом, другой - через кювету с анализируемым газом, в которых поглощение этого излучения происходит неодинаково, и эта разница фиксируется детектором. Далее сигнал усиливается и регистрируется.
Анализ технических характеристик стендовой быстродействующей аппаратуры для измерения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания
В последние годы в исследование гетерогенного горения включено изучение образования вредных веществ (ВВ), являющегося важной характеристикой КС. Здесь под «гетерогенным горением» понимается двухфазное горение газообразного окислителя и жидкого топлива. Широкое введение жестких требований к чистоте выхлопных газов (ВГ) ускорило работы в этом направлении, и сейчас специалисты по КС продолжают исследовать пределы уменьшения выброса ВВ. Ввиду сложности проблемы уменьшения выбросов большинство работ фокусируется на фундаментальных разработках, хотя большое внимание уделено также исследованиям КС ГТД. Ограничение выброса ВВ жидкотопливных промышленных топок исследовано в значительно меньшей степени. Данное исследование проводилось на малоразмерной лабораторной двухзонной КС с промежуточным отводом тепла, разработанной в целях уменьшения уровня выброса ВВ [151].
Для практических исследований основных характеристик показателей выброса любой КС крайне необходима универсальная математическая модель, позволяющая варьировать параметры камеры, влияющие на выброс всех ВВ, с тем чтобы обеспечить быстрое получение оптимальной конструкции и сократить объем чисто экспериментальной доводки. Преимущество такого подхода заключается в том, что можно эффективно исследовать группу веществ, индексы выброса которых неблагоприятным образом зависят от рабочих режимов, при условии, что химические и физические процессы правильно отображаются моделью.
В настоящее время считается, что модель, основанная на разбиении процесса на ряд ХПР, предоставляет наибольшие возможности для расчета выброса ВВ, поскольку легко позволяет учесть сложные уравнения химической кинетики. Основной принцип данного метода состоит в том, что внутренний поток в КС представляется в виде соответствующей сети ХПР и одномерных РД, когда свойства потока зависят от одной координаты, и поток можно анализировать как последовательность бесконечно малых ХПР.
Осредненная картина течения в КС и скорость диссипации энергии турбулентности определяют последовательность реакторов. Для разработки модели такого типа для жидкотопливных КС в работу включен анализ стационарного случая ХПР, в котором учитываются испарение топлива, турбулентное смешение и конечная скорость химической реакции.
В работе описываются характеристики первой ступени (предкамеры) экспериментальной КС, поскольку эта ступень главным образом определяет общую характеристику выбросов для двухзонной КС. Другая задача - представить сравнение замеренного выброса NO и СО с соответствующими расчетными величинами, полученными при анализе данного устройства на базе ХПР.
Здесь рассматривается применение горелки с синим пламенем (ГСП) в качестве первой зоны (предкамеры) двухзонной КС, спроектированной в целях уменьшения уровня выброса ВВ. Такая горелка при работе на богатой топливовоздушной смеси существенно снижает максимальные пики температуры, препятствуя, таким образом, образованию NOx, и в то же время, вопреки ожиданиям, не образует сажи. Аналогично контролируется образование SOx ввиду их повышенной чувствительности к местной концентрации кислорода. Горение завершается во второй зоне, где во вторичном воздухе дожигаются СО и несгоревшие углеводороды, образовавшиеся при горении богатой смеси в предкамере. Промежуточный отвод тепла (перед второй зоной) предусмотрен для ограничения температурных пиков во второй зоне, уменьшая таким образом дальнейшее образование NOx.
Для организации рециркуляции продуктов сгорания (ПС) к корню топливного факела применен эжектор Коанда, что снижает местные концентрации 02 ДО такого уровня, когда скорость горения капель практически равна нулю [140]. При этом организуется такой механизм горения, при котором ка 66 пли сначала испаряются, а образовавшиеся пары топлива сгорают ниже по
потоку относительно области, насыщенной капельным топливом, в то время как диффузионный механизм горения капель, окруженных парами топлива, подавляется. Это препятствует образованию сажи, а смесь топливных паров с воздухом регулируется таким образом, что устанавливается горение с синим свечением пламени. Таким образом, испаряющаяся струя распыленного топлива сначала смешивается с рециркулирующими ПС и затем постепенно подпитывается воздухом, вдуваемым в горло эжектора , т.е. достигается предварительное испарение и смешение до основной области горения, расположенной за эжектором.
В стенке криволинейного горла эжектора Коанда выполнена узкая кольцевая щель. Воздух поступает в виде пристеночного слоя по поверхности горла в силу эффекта Коанда, так как в этом пристенке имеется падение давления по нормали к поверхности Коанда. Пристеночная струя, обладающая определенной эжектирующей способностью, подсасывает ПС, рецирку-лирующие по периферии узла. Для обеспечения прилегания пристеночной струи отношение радиуса кривизны поверхности к ширине щели должно быть не менее 25. При этом также реализуются высокие уровни интенсивности турбулентности.
