Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор результатов исследований по проблемам образования оксидов азота 16
1.1. Актуальность вопроса 16
1.2. Анализ условий образования оксидов азота в камерах сгорания 27
1.2.1. Формирование термических и быстрых N0X 27
1.2.2. Формирование топливных N0X 32
1.2.3. Параметры, влияющие на эмиссию оксидов азота 33
1.3. Аналитический обзор результатов исследований камер сгорания RQL - типа 36
1.4. Выводы 41
2. Методика экспериментальных исследований образо вания оксидов азота при турбулентном горении в камере сгорания RQL - типа 43
2.1. Методические особенности проведения эксперимента 43
2.2. Конструкция модельной установки 45
2.3. Технологические особенности проведения эксперимента 65
2.4. Оценка влияния потерь тепла .на концентрацию оксидов азота 66
2.5. Выводы 70
3. Экспериментальное исследование образования оксидов азота при турбулентном горении «богатой» топливовоздушной смеси 72
3.1 Экспериментальное исследование образования оксидов азота при турбулентном горении топливовоздушной смеси 72
3.2. Термодинамический анализ условий образования оксидов азота и сажи при горении углеводородовоз-душных смесей 84
3.3. Исследование влияния различий в молекулярных коэффициентах переноса на выход оксидов азота при турбулентном горении однородной смеси 84
3.4. Выводы 94
4. Экспериментальное исследование образования оксидов азота в модельной камере сгорания RQL - типа 96
4.1. Основные принципы построения плана эксперимента 99
4.2. Рототабельное планирование эксперимента по исследованию камеры сгорания RQL типа 104
4.3. Результаты экспериментальных исследований 107
4.4. Выводы 111
Основные результаты и выводы 113
Список использованной литературы 117
- Аналитический обзор результатов исследований камер сгорания RQL - типа
- Оценка влияния потерь тепла .на концентрацию оксидов азота
- Исследование влияния различий в молекулярных коэффициентах переноса на выход оксидов азота при турбулентном горении однородной смеси
- Рототабельное планирование эксперимента по исследованию камеры сгорания RQL типа
Введение к работе
Одним из загрязнителей окружающей среды являются газотурбинные двигатели. К основным веществам, образующимся при- работе ГТД и оказывающим вредное воздействие на окружающую среду и человека, относятся оксиды азота (N0X) , дым, оксид углерода (СО), несгоревшие углеводороды (UHC), оксиды серы (S0X) , а также мелкодисперсные частицы сажи.
Вредные вещества, эмитируемые двигателями летательных аппаратов во время взлета, руления и захода на посадку, являются основными загрязнителями окружающей среды в аэропортах и прилегающих к ним городских территориях. К ним следует добавить также и загрязнение от газотурбинных двигателей, применяемых для очистки взлетно-посадочной полосы.
По' сравнению с другими загрязнителями авиация вносит незначительный вклад в загрязнение атмосферы. Камеры сгорания современных летательных аппаратов позволяют поддерживать относительно низкие уровни эмиссии вредных веществ. Однако авиация - единственный, прямой источник загрязнения верхних слоев атмосферы.
Благодаря высоким показателям экономичности и эксплуатационным параметрам, в настоящее время широкое распространение получили наземные газотурбинные установки (ГТУ) на базе отработавших свой ресурс авиационных ГТД. Спектр их использования довольно широк. Они применяются в качестве энергетических установок, газоперекачивающих агрегатов, источников сжатого воздуха (турбокомпрессорных агрегатов), парогазогенераторов и т. п.. Экологический аспект при этом также является очень важным.
8 Процесс совершенствования авиационных двигателей идет
по пути повышения таких показателей как степень повышения
давления в компрессоре и температура на выходе из камеры
сгорания. Эти тенденции приводят к увеличению эмиссии
вредных веществ, образующихся при горении углеводородных
топлив.
Удорожание очистки топлива и, как следствие, использование в ГТД более дешевых, низкосортных и синтетических топлив (например, биогаз) также оказывает отрицательное воздействие на загрязнение атмосферы.
Наибольшую опасность для атмосферы представляют оксиды азота, разрушающие озоновый слой земли, что приводит к увеличению ультрафиолетовой радиации на земной поверхности.
Кинетика процесса реагирования оксида азота с озоном
выглядит следующим образом:
NO + 03=N02+02 N02+0 = NO + 02
Таким образом, оксид азота разрушает озон, а затем рекомбинирует. Благодаря этому оксид азота может вновь вступать в реакцию с озоном, разрушая его.
Гражданские самолеты основное время полета (80-85%) находятся в тропосфере, где выбросы оксидов азота оказывают разрушающее воздействие на озоновый слой. На стратосферу аналогичное, негативное влияние оказывают сверхзвуковые летательные аппараты /1/.
Кроме того, оксиды азота являются сильными токсичными веществами, относящимися ко второму классу опасности /2 9/, представляют серьезную угрозу для населения. Оксиды азота оказывают раздражающее воздействие на органы дыха-
ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, Россия;
ФГУП «НПП «Мотор»», г. Уфа, Россия;
ОАО «А.Люлька-Сатурн», Москва, Россия;
Rolls-Royce Motors, U.K.;
Pratt & Wittney, Canada;
General Motors Corporation, Indianapolis, USA;
General Electric Company, Cincinnati, USA;
United Technologies Corporation, Hartford, USA;
Lewis Research Center, Cleveland, USA;
- Institut fur Thermische Stromungsmaschinen, Karls
ruhe, Germany.
Использование на практике всех преимуществ камеры сгорания этого типа в части снижения концентрации оксидов азота невозможно без экспериментальных исследований.
Приведенные соображения определили выбор цели и по-
становку задач исследований, получивших отражение в данной работе.
Цель работы
Установление количественных закономерностей образования оксидов азота в камерах сгорания RQL - типа в зависимости от режимных параметров рабочего процесса и разработка методики выбора рабочих параметров камер сгорания на основе полученных результатов.
Задачи работы
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
ния. В больших концентрациях могут вызывать отек легких и летальный исход.
Таким образом, проблема снижения выбросов оксидов азота при сжигании углеводородных топлив в газотурбинных двигателях и газотурбинных установках имеет важное практическое значение.
К настоящему времени сложился ряд схемных решений камер сгорания ГТД, позволяющих снизить уровень эмиссии оксидов азота:
впрыск воды или водяного пара в первичную зону камеры сгорания;
обеднение первичной зоны;
предварительное смешение горючего и окислителя;
интенсификация смешения топлива и воздуха и уменьшение протяженности стехиометрических зон;
использование" каталитической камеры сгорания;
двухстадийное сжигание.
Одна из наиболее перспективных схем низкоэмиссионной камеры сгорания имеет организацию горения по типу «богатое - гашение - бедное» (так называемая, камера сгорания RQL - типа). Камера сгорания этого типа обладает устойчивым горением на всех режимах работы двигателя, надежным запуском, возможностью значительного снижения эмиссии оксидов азота при использовании топлива со значительным содержанием связанного азота.
Эти преимущества предопределили интерес исследователей и разработчиков к этой схеме. Ведущими организациями в изучении этой концепции являются:
- Центральный институт авиационного моторостроения им.
П.И.Баранова, г. Москва, Россия;
разработан и создан экспериментальный комплекс для моделирования процессов образования оксидов азота в камерах сгорания RQL - типа;
проведено экспериментальное исследование закономерностей образования оксидов азота в камерах сгорания RQL - типа;
разработана методика расчета и прогнозирования выхода оксидов азота* при турбулентном горении гомогенной смеси;
выработаны практические рекомендации к организации горения в камерах сгорания RQL - типа.
Методы исследования
Экспериментальные исследования процессов образования и разложения оксидов азота проводились на модельной камере сгорания RQL - типа с фронтовым устройством, выполненным по сотовой схеме. В качестве топлива были использованы метан и пропан. Регистрация режимных параметров выполнялась с использованием автоматизированной системы измерения .
Для исследования процессов образования оксидов азота в камере сгорания RQL - типа применялась методика планированного эксперимента.
Измерение оксидов азота проводилось по методу ГОСТ 17.2.2.04-86. (Соответствует стандарту Международной организации гражданской авиации (Приложение 16 «Охрана окружающей среды» к конвенции о Международной гражданской
авиации, в части норм выбросов загрязняющих веществ двигателями и методов их определения.)).
Научная новизна
Установлены закономерности, характеризующие изменение концентрации оксидов азота в камере сгорания RQL - типа в зависимости от качества подготовки, состава топливо-воздушной смеси и длины первичной зоны, конструктивных особенностей зоны смешения.
Впервые установлено влияние начального масштаба неоднородности поля скоростей на выход оксидов азота при горении гомогенной топливовоздушной смеси.
Впервые разработана математическая модель образования оксидов азота при горении однородной топливовоздушной смеси с учетом диффузионного расслоения.
Практическая значимость
Получены количественные характеристики процессов образования оксидов азота при горении углеводородовоздушных смесей, учитывающие изменение начального масштаба неоднородности поля скоростей.
Установлено влияние конструктивных особенностей фронтового устройства, длины первичной зоны, и типа смеси-' тельного устройства на эмиссионные характеристики камеры сгорания RQL - типа.
Выработаны рекомендации по выбору оптимальных парамет
ров рабочего процесса камеры сгорания RQL - типа с низ
кой эмиссией оксидов азота.
На защиту выносятся
Результаты экспериментальных исследований по выбросам оксидов азота в камерах сгорания RQL - типа при горении углеводородовоздушных смесей.
Методика расчета выбросов оксидов азота при турбулентном горении гомогенной смеси.
Принципы выбора рабочих параметров камеры сгорания RQL - типа.
Апробация работы
Результаты, изложенные в работе, были представлены на:
международном симпозиуме по горению, Москва-С. Петербург, 19 93 г.;
научно-технической конференции по проблемам двойного применения, Самара, 1995 г.;
II научно-техническом семинаре по ГТД, Стамбул, Турция, 1996 г.;
международном симпозиуме по проблемам рабочих процессов ГТД, Нанкин, Китай, 1997 г.;
симпозиуме по актуальным проблемам авиадвигателестрое-ния в г. Уфе, 1998 г.;
второй научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение в республике Башкортостан» в г. Уфе, 1999 г.;
международной конференции « Двигатели XXI века», ЦИАМ, Москва, 2000 г.;
XII международном симпозиуме по горению и взрыву, Черноголовка, 2000 г..
Результаты работы используются на кафедре теории авиационных и ракетных двигателей Уфимского государственного авиационного технического университета, а также переданы для практического использования ФГУП НПП «Мотор» г. Уфа.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 87 наименований. Основной текст содержит 127 страниц, 53 иллюстрации, 8 таблиц.
Содержание работы изложено в четырех главах. В 1 главе проведен анализ существующих исследований. В ней приведены нормы на эмиссию оксидов азота, принятые в России, Европе и США; рассмотрены основные схемные решения, позволяющие снизить выбросы оксидов азота; проанал-изированы основные факторы, влияющие на эмиссию оксидов азота.
Во 2 главе рассмотрена конструкция экспериментальной установки, и систем обеспечивающих ее функционирование.
Аналитический обзор результатов исследований камер сгорания RQL - типа
Одной из основных методических проблем, решение которой предварило экспериментальные работы, явился выбор схемы организации горения в первичной зоне камеры сгорания RQL - типа, позволяющей получить простые газодинамические условия стабилизации и горения /12,16,17,24,46,61/. Важным является также обеспечение организации горения как однородной топливовоздушной смеси, так и смесей с различной степенью смешения топлива и окислителя в близких газодинамических условиях, позволяющих сравнивать полученные результаты.
В результате рассмотрения возможных схем, была принята следующая организация процесса /12,16,17,24,4 6,61/. Горение осуществлялось в цилиндрическом канале. В качестве топлива применялись пропан, имеющий близкие к керосину физико-химические свойства, и метан. Применение газообразного топлива позволило снять проблемы по обеспечению гомогенного горения. Топливо и воздух подавались через систему параллельных каналов, имеющих «сотовое» расположение в стабилизирующей решетке.
Каналы соединены при помощи коллекторов к двум независимым подводящим магистралям, что позволяет осуществлять как раздельную подачу топлива и воздуха, так и подачу предварительно подготовленной смеси в оба канала одновременно. Преимуществом рассматриваемой схемы с точки зрения поставленной задачи является возможность реализации как предельных вариантов качества подготовки смеси (диффузионного режима при раздельной подаче топлива и воздуха и однородного при подаче предварительно подготовленной смеси), так и промежуточных, когда топливо и воздух перед сжиганием подаются в смесительное устройство, в котором осуществлялось частичное перемешивание. Указанное выше смесительное устройство представляло собой простав-ку, выполненную по сотовой схеме с диаметром отверстий подводящих каналов, соответствующим применяемой стабилизирующей решетке, и располагающуюся над ней. В случае, когда осуществляется раздельная подача топлива и воздуха, характерный масштаб начальной неоднородности состава определяется размером каналов в стабилизирующей решетке, при этом сотовое расположение каналов способствует быстрому макроперемешиванию.
Для исследования влияния качества смешения в зоне диффузионного смешения продуктов сгорания первичной зоны камеры сгорания с вторичным воздухом были применены два типа смесителей: со спутной и радиальной подачей воздуха. Коэффициенты избытка воздуха, а также времена пребывания в первичной и вторичной зонах экспериментальной камеры сгорания выбирались с тем условием, чтобы перекрывать известные диапазоны изменения этих параметров для существующих камер сгорания RQL - типа.
Исследования проводились на атмосферном давлении, что дало возможность визуально наблюдать условия стабилизации пламени, его цвет, а также уменьшить методические погрешности экспериментов. Кроме того, влияние давления на выход оксидов азота при организации процесса горения по схеме RQL было .изучено в работах Klose G. /60/, а также Risk N.K. и Mongia Н.С. /80/.
Газовый анализ проводился по методам ГОСТ 17.2.2.04 8 6 с применением газоанализаторов ДИТАНГАЗ 16 и АСГАТ. Отбор газовых проб осуществлялся через охлаждаемый маслом до 150С пробоотборник для предотвращения влияния отборника на зону горения и замораживания происходящих в нем химических реакций.
Воздух, подаваемый в первичную и вторичную зоны камеры сгорания, подогревался до температуры 200С в теплообменниках, где нагрев осуществлялся продуктами сгорания. Поддержание температуры производилось при помощи охлаждения теплообменников воздухом в автоматическом режиме. Запуск установки и вывод на рабочий режим осуществлялись вручную. Измерение параметров производилось в авто-матизированном режиме при помощи системы КАМАК с последующим выводом сигнала на ЭВМ.
Модельная экспериментальная установка /61,81/ (Рис. 2.1), созданная в соответствии с концепцией, приведенной в разделе 2.1, состоит из: камеры сгорания RQL-типа, системы подачи топлива, системы подачи первичного воздуха, системы подачи вторичного воздуха, системы отбора газовых проб из первичной зоны камеры сгорания, системы отбора газовых проб из вторичной зоны камеры сгорания, системы запуска, системы отвода продуктов сгорания, системы подогрева первичного воздуха и системы подогрева вторичного воздуха.
Модельная камера сгорания RQL-типа (Рис. 2.2) выполнена из секций таким образом, чтобы обеспечивалась возможность варьирования длиной первичной зоны (временем пребывания ті в первичной зоне) камеры сгорания. Нижняя секция жаровой трубы изготовлена из керамики для снижения теплопереноса от стенок жаровой трубы к стальному основанию. Далее по потоку смонтирована кварцевая секция для обеспечения визуального наблюдения стабилизации пламени. Последующие секции изготовлены из жаростойкого ниобиевого сплава ВН-4. В секциях жаровой трубы предусмотрены отверстия для установки термопары, газовых отборников и свечи зажигания.
Оценка влияния потерь тепла .на концентрацию оксидов азота
Первичная зона камеры сгорания RQL - типа - элемент отвечающий за стабилизацию горения и отсутствие срывов пламени. Результаты экспериментальных исследований камеры сгорания RQL - типа полученные в работе /8 0/ свидетельствуют о том, что вклад первичной зоны в общую эмиссию оксидов азота может составлять до 65% в зависимости от режима работы.
Таким образом, оптимизация работы богатой зоны камеры сгорания RQL - типа является актуальной задачей, решение которой позволит максимально использовать преимущества организации горения по схеме «богатое-гашение-бедное».
На практике в первичной зоне камер сгорания RQL - типа в основном применяется диффузионное смешение топлива и окислителя /52,76,83, и др./. Однако, в работе /58/ в го-релочном устройстве такого типа, работающем на смеси топлива с продуктами газификации биомассы, в богатой зоне применено предварительное смешение топлива и окислителя. Исходя из вышеизложенного, изучения требуют как диффузионная, так и гомогенная схемы подачи топлива и окислителя в первичную зону камеры сгорания RQL - типа.
В экспериментальной установке /81/, описанной во 2 главе, было проведено исследование влияния коэффициента избытка воздуха, начальной температуры, начального масштаба неоднородности поля скоростей и рода топлива на эмиссию оксидов азота при турбулентном горении топливо-воздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха варьировался от 0.8 до 1.3. Начальная температура подогрева воздуха составляла 100 и 200С. В качестве топлива применялись пропан и метан.
В опытах были использованы стабилизирующие решетки сотовой схемы №1 и №4. Использование этих горелок позволило варьировать масштабом неоднородности поля скорости, с помощью применения горелок с различным количеством отверстий и их диаметром. Суммарная площадь отверстий, через которые подавалась топливовоздушная смесь, сохранялась постоянной.
Предварительная подготовка смеси осуществлялась в проточном смесительном устройстве, зона смешения которого была выполнена из нержавеющей трубки внутренним диаметром 4 мм и длинной 1 м. Эффективность смешения была проверена экспериментально. При давлении близком к атмосферному на горелке №4 в сечении соответствующем времени пребывания 18 мс была измерена концентрация оксидов азота в диапазоне коэффициента избытка воздуха от 0.8 до 1.3 с применением карбюраторов длинной 1 м и 5 м. В качестве топлива использовался пропан. Результаты эксперимента представлены на рис. 3.1. Концентрация оксидов азота измерялась в точке соответствующей времени пребывания 18 мс. Топливо-воздушная смесь предварительно подогревалась до температуры 200С.
Из приведенного рисунка видно совпадение данных, полученных с использованием смесительных устройств различной длины, что свидетельствует об удовлетворительном смешении топливовоздушной смеси при использовании смесительного устройства длинной 1 м.
На рис 3.2 приведены графики зависимости концентрации оксидов азота при турбулентном горении однородной топливовоздушной смеси в зависимости от коэффициента избытка воздуха для стабилизирующих решеток №1 и №4 в сечении, соответствующем времени пребывания 18 мс при начальной температуре воздуха 2 00С. В качестве топлива применялись пропан и метан.
Из приведенных графиков видно, что концентрация оксидов азота при использовании стабилизирующей решетки №4 выше, чем при использовании стабилизирующей решетки №1, если в качестве топлива применяется пропан. Эта разница равна 20 ррт при а=0,9, 2 5 ррт при а=1,2 и 8 5 ррт, при а близком к 1. Однако при использовании метана в качестве топлива концентрации оксидов азота для стабилизирующих решеток №1 и №4 близки. Таким образом, наблюдается влияние начального макромасштаба неоднородности поля скоростей при горении гомогенной топливовоздушной смеси на выход оксидов азота, необъяснимое с кинетических позиций.
На рис.3.3 представлены зависимости концентрации оксидов азота при турбулентном горении однородной смеси в зависимости от коэффициента избытка воздуха и начальной температуры для стабилизирующей решетки №4 в сечении, соответствующем времени пребывания 18 мс. В качестве топлива также использовались пропан и метан.
Исследование влияния различий в молекулярных коэффициентах переноса на выход оксидов азота при турбулентном горении однородной смеси
Процесс разработки и доводки камер сгорания RQL - типа требует большого количества дорогостоящих экспериментальных исследований, причем экологические характеристики камер сгорания зачастую далеки от ожидаемых.
Камера сгорания по схеме «богатое - гашение - бедное» имеет специфическую организацию рабочего процесса. Такая камера сгорания характеризуется следующими конструктивными факторами и режимными параметрами: - коэффициент избытка воздуха в первичной зоне; - коэффициент избытка воздуха во вторичной зоне; - время пребывания в первичной зоне; - организация смешения в зоне смешения; - способ организации горения в первичной зоне (диффузионный, гомогенный); - охлаждение первичной зоны; - время пребывания во вторичной зоне. Отсутствие надежных методик выбора этих параметров осложняет процедуру проектирования и доводки камеры сгорания . Идеальным подходом было бы наличие математической модели, описывающей выходные параметры камеры сгорания, в частности выход оксидов азота, в зависимости от конструктивных факторов и режимных параметров.
Такие модели в литературе известны /50,80,83/, однако уровень развития физико-химического и математического моделирования не позволяет получать модели пригодные для практических работ по созданию камер сгорания RQL - типа. Они либо не удовлетворяют по точности либо очень сложны для практического использования. Поэтому такие модели могут быть получены экспериментальным путем.
Именно такой подход предложен в этой работе. С целью снижения трудоемкости и сложности экспериментальных исследований RQL - камеры сгорания, а также повышения эффективности эксперимента, при планировании эксперимента вместо последовательной проверки влияния каждого фактора, была спланирована серия испытаний с одновременным изменением ряда параметров, с оценкой влияния каждого фактора в отдельности на выход оксидов азота в первичной и вторичной зонах исследуемой камеры сгорания. Такой подход уже имел место при исследованиях камер сгорания /26/.
В качестве модели для описания системы использована полиномиальная модель. В общем виде эта модель представляется так: При планировании сделаны следующие допущения: - механизм явлений можно описать дифференциальными уравнениями; - коэффициенты функции отклика в 4.1 b0, bi, bij, Ьц (коэффициенты полинома) можно интерпретировать как коэффициенты ряда Тейлора, т.е. как значения частных производных в точке, вокруг которой производится разложение в ряд неизвестной функции, являющейся решением неизвестных дифференциальных уравнений. Объектом исследования в экспериментах являлась камера сгорания RQL-типа. Параметром оптимизации или целевой функцией выбрана концентрация оксидов азота на выходе первичной зоны и на выходе вторичной зоны камеры сгорания RQL - типа. Основными факторами, определяющими эмиссию оксидов азота из первичной зоны, кроме давления и температуры воздуха, являются степень неоднородности состава в начале первичной зоны, время пребывания в первичной зоне и коэффициент избытка воздуха. При этом оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в "богатой" зоне, при котором камера RQL обеспечивает минимальные значения эмиссии оксидов азота, может быть выбрано не только на основании совместного рассмотрения первичной зоны и зоны смешения (см. рис. 1.10), но также и с учетом начальной неоднородности смеси и времени пребывания в первичной зоне, на что указывают результаты экспериментальных исследований, представленные в третьей главе. Было показано, что в зависимости от условий организации подачи топлива можно получить как снижение, так и увеличение оксидов азота с увеличением времени пребывания в первичной зоне. Основным назначением зоны разбавления является интенсивное перемешивание продуктов сгорания богатой смеси, поступающей из первичной зоны, с разбавляющим воздухом с тем, чтобы исключить появление высокотемпературных сте-хиометрических зон. Оценки показывают /8/, что некачественное смешение может увеличить эмиссию оксидов азота более, чем в два раза. Таким образом, на рабочий процесс камеры сгорания RQL - типа влияет большое количество факторов: температура, коэффициент избытка воздуха в первичной зоне, коэффициент избытка воздуха во вторичной зоне, длины.первичной и вторичной зон, тип топлива, способ организации смешения в зоне смешения. Наиболее существенные из них были выбраны в качестве факторов - способов воздействия на исследуемую систему: 1. Коэффициент избытка воздуха в первичной зоне RQL - камеры сгорания. 2. Коэффициент избытка воздуха во вторичной зоне RQL -камеры сгорания. 3. Длина первичной зоны RQL - камеры сгорания. 4. Для оценки влияния качества смешения в зоне смешения и в первичной зоне на эмиссию оксидов азота было решено провести эксперименты с использованием различных сме сителей в quench зоне (рис. 2.11, 2.12) при диффузион ном и гомогенном пламенах в богатой зоне.
Рототабельное планирование эксперимента по исследованию камеры сгорания RQL типа
Анализ литературных источников показывает, что не существует единой точки зрения на выбор численных значений факторов. Так в работе Risk N.K. и Mongia Н.С./80/ приводятся следующие значения: - коэффициент избытка воздуха в первичной зоне RQL -камеры сгорания: а\ = [0,4 + 0,8]; - коэффициент избытка воздуха во вторичной зоне RQL -камеры сгорания : «2 = [і,5 ч- 2,5] время пребывания в первичной зоне: г=15мс. В работе Meisl J., Koch R., Kneer R. , Wittig S. /83/ приведены такие данные : - коэффициент избытка воздуха в первичной зоне RQL камеры сгорания: а\-[о,бн-0,9]; - коэффициент избытка воздуха во вторичной зоне RQL камеры сгорания: «2 = [2-н4] ; - время пребывания в первичной зоне: г=100мс. В работе Мелхолланда по исследованию двухступенчатого сгорания /62/ значение времени пребывания в первичной зоне составляет 200 мс. На основании вышеприведенной информации были приняты следующие области определения факторов: 1.Коэффициент избытка воздуха в первичной зоне RQL -камеры сгорания: «1 = [0,6-г0,9]. 2.Коэффициент избытка воздуха во вторичной зоне RQL -камеры сгорания: «2 = [2 - - 4]. 3.Длина первичной зоны RQL - камеры сгорания: L= [183- 915] мм, что соответствовало времени пребывания г = [50-г250]мс . Целевая функция - концентрация оксидов азота на выходе первичной зоны NOxl и значение выхода оксидов азота на выходе вторичной зоны NOx2 камеры сгорания RQL - типа. Так как рототабельное планирование второго порядка применяется для получения интерполяционной формулы, то, очевидно, что звездные точки должны лежать на границе области определения. Исходя из вышеприведенных данных, матрица планирования эксперимента будет выглядеть следующим образом (см. таблицу 4.2): 107 Эксперименты проводились на модельной камере сгорания RQL - типа описанной во 2 главе. В качестве топлива применялся пропан. Использовалась стабилизирующая решетка №4. Длина первичной зоны варьировалась от 183 до 915 мм, что соответствовало времени пребывания 50-250 мс. Длина вторичной зоны в экспериментах оставалась постоянной и равнялась 100 мм. Измерения концентрации оксидов азота производились одновременно на выходе первичной и вторичной зон экспериментальной камеры сгорания, что позволило избежать ошибок, связанных с установкой режимов горения. Для исследования влияния качества смешения на выход оксидов азота были проведены серии экспериментов на гомогенном и диффузионном факеле в первичной зоне камеры сгорания с использованием смесителей с радиальной и спутной подачей воздуха в зоне смешения (рис. 2.11, 2.12), расположенной за первичной зоной. На основе результатов экспериментальных исследований были получены математические модели для расчета концентрации оксидов азота в первичной и вторичной зонах экспериментальной камеры сгорания RQL - типа в зависимости от коэффициента избытка воздуха в богатой и бедной зонах а также длины первичной зоны камеры сгорания. Концентрации оксидов азота рассчитанные по этим моделям для гомогенного и диффузионного факела в первичной зоне при использовании смесителя №1 со спутной подачей воздуха в зону смешения приведены на рис. 4.1, 4 - 2. Время пребывания в первичной зоне соответствует т=\50мс. Согласно полученным данным концентрации оксидов азота при использовании диффузионного смешения топлива и окислителя в первичной зоне камеры сгорания и при горении предварительно подготовленной топливовоздушной смеси близки. Концентрация оксидов азота на выходе камеры сгорания RQL - типа в обоих случаях не превышает 38 ррт. Минимальное значение концентрации оксидов азота составляет 18 ррт. ЧТО касается концентрации оксидов азота на выходе первичной зоны камеры сгорания, то при гомогенном горении образуются значительно более низкие по сравнению с диффузионным горением концентрации. Разница составляет порядка 20 ррт. Таким образом, применение камеры сгорания RQL - типа позволяет при использований диффузионного смешения топлива и окислителя в первичной зоне камеры сгорания получать удовлетворяющие международным нормам значения концентрации оксидов азота на выходе, что позволяет: - исключить сложную аппаратуру по предварительной подготовке топливовоздушной смеси; - установить более широкие пределы устойчивого горения; - исключить опасность срыва пламени.
