10.5 Охлаждение стенок кольцевых камер сгорания

Температуры газа в зоне горения достаточно высокие, и способны привести к быстрому разрушению стенок камеры сгорания, если они вошли в контакт с разогретым газом. Камеры сгорания современных больших двигателей способны сохранять свою работоспособность в течение 20 000 часов. Кроме того, так как тепловое напряжение и усталость достигают своего критического значения, необходимо отметить, что они способны допустить до 5 000 циклов взлёта, подъёма, круиза, посадки и руления. Поэтому каждая стенка камеры сгорания ограждена и непрерывно охлаждается, так как показано на рисунке 10.1. Есть очевидное преимущество в сокращении количества поверхностной площади в отношении к площади потока. Ранние двигатели имели иные формы и виды камер сгорания, устроенные как ряды дискретных канистр, или труб (чаще встречающихся как кольцевые или трубчато-кольцевые камеры сгорания) но двигатели с высокой степенью двухконтурности, разрабатываемые в 1960 годах имели камеру сгорания кольцевой геометрии, такой как проиллюстрирована на рисунке 10.2. Топливо здесь также подаётся через множество дискретных инжекторов.

Рисунок 10.2. Кольцевая камера сгорания

В современных камерах сгорания часто внутренние стены выравнивают с покрытиями тепловых барьеров. Это уменьшает температуру металла до температуры газа и предотвращает окисление поверхностей. Современные камеры сгорания часто имеют множество мелких отверстий, предназначенных для охлаждения, подобно тем, что расположены на лопатках турбины, но альтернативой им должна вступить замена отверстий металлическими плитками (или полками), которые также способствуют охлаждению. Плитки несут большую нагрузку и поэтому могут работать при более высокой температуре, чем с нагрузкой, переносимой обычной стенкой камеры сгорания.

10.6 Эмиссия: возникновение, управление и контроль

Эмиссия это процесс создания вредных или ядовитых газов во время сгорания топлива, который может рассматриваться со стороны двух различных, но важных точек зрения. Первая, имеет отношение к эффекту воздействия на окружающую среду, типа глобального потепления, изменения климата и истощения озона, к которым приводит, темным образом, осуществление полёта на крейсерском режиме, когда сжигается практически весь запас топлива, имеющегося на борту летательного аппарата. Другая имеет непосредственное отношение к размещению аэропортов. Здесь подразумевается недовольство населения от уровня шума при запуске двигателей, взлёте летательного аппарата, совершении полёта и его приземлении, что в первую очередь вызвало протесты населения, а позже стало регламентироваться законодательством. По существующим законам, регулируются шумы и выбросы только в зонах, прилегающих к аэропортам, хотя потенциально гораздо более серьёзны последствия эмиссии при выполнения круиза; к счастью, в настоящее время приняты шаги по уменьшению выброса опасных и вредных газов в атмосферы не только вблизи аэропортов но и по всей длине перелёта летательного аппарата.

Уровень эмиссии загрязнителя выражается в системе (ЭЛЬ), характеризующей индекс эмиссии, которая выражается через эмиссию для каждого килограмма сожженного топлива в граммах. CO₂ и H₂O - неизменные продуты сжигания топлива Количество углеводородов, полученных в процессе горения может быть существенно уменьшено, но это приведёт к большей эффективности двигателя и сокращению тяги летательного аппарата. Количество оксидов серы SO_X, определяется полностью элемента серы в массе топлива; обычно, уровень серы, очень низок. Оксиды азота - NO_X, недожжённые углеводороды - UHC, СО (и особенно сажа, которая образуется от недожжённого углерода) зависят от корректной работы камеры сгорания, и в идеальном состоянии практически равны нулю. Как показано в таблице ниже, для современного летательного аппарата, при выполнении круиза, норма эмиссии ЭЛЬ (выраженная в граммах на килограмм топлива) для углеводородов – UHC и оксидов углерода - CO настолько малы, что полностью удовлетворяют законам:

Соединения:	CO2:	H2O:	NOX:	SOX:	CO:	UHC:	Сыпучие:
ЭЛЬ	3 200	1 300	9 - 15	0.3 – 0.8	0.2 – 0.6	0 – 0.1	0.01 – 0.05

Есть беспокойство о большом загрязняющем эффекте соединений CO₂, H₂O и NO_X, которые свободно передвигаются в верхних слоях атмосферы. В настоящее время, приблизительно 2 - 3 % искусственного соединения CO₂ произведено авиацией. Возможно большее беспокойство (но с не большей долей уверенности) вызывает наличие соединения H₂O в верхних слоях атмосферы, особенно в стратосфере, которая сама по себе является сухой. Эффект от действия соединения NO_X на окружающую среду самый большой и сложный; оксид, воздействуя на озон, вызывает парниковый эффект. Все эти явления и процессы объяснялись следующим образом: «До конца 1970 года проектировщики камер сгорания были так озабочены идеями устойчивого горения и эффективного охлаждения стенок камеры сгорания, что совсем забыли об аспектах загрязнения окружающей среды». Тогда впервые США обеспокоилось об охране окружающей среды, и появлением видимого дыма (недожжённых частиц углерода) находящегося пластом на высоте ниже 3 000 футов, который оказывал всё более заметное воздействие на окружающую среду не только вблизи аэропортов. Уровень дыма и загрязнений от двигателей летательных аппаратов стал регулироваться Международной Гражданской Авиационной Организацией (ICAO), которая уже в 1981 году ужесточила регламент на уровень загрязнителей. В инструкцию ICAO не попали только концентрации элементов моно оксида углерода, недожжённого углеводородного соединения и оксидов азота. Авиационная промышленность вначале отвергла инструкцию ICAO о сокращении уровня загрязнителей, но вскоре выполнение правил инструкции стало обязательным и обе стороны пришли к взаимопониманию и достигли согласия. Первые инструкции, выпущенные в 1981 году, обычно упоминаются как инструкции ICAO, но более поздние инструкции, изданные Комитетом по Защите Окружающей среды и Авиации, стали носить название - CAEP. После того, как соглашение в комитете CAEP достигнуто, оно должно быть одобрено и согласовано с организацией ИКАО и уже потом, разослано по правительствам всех государств – членов Международной Авиации. Инструкция, известная как CAEP 2, была выпущена в 1993 году для согласования новых типов самолётов, конструируемых и готовящихся к запуску в 1996 году, а инструкция CAEP 4, была издана в 1998 году и должна была вступить в силу в 2004 году.

Инструкции ICAO регулируют уровни СО, UHC, NO_X и дыма в соответствии с их фактическими уровнями. Для дыма, например, максимально-допустимым уровнем является гарантия нормальной видимости (то есть гарантия невидимости дыма). Для каждой разновидности эмиссии химических соединений, регламентируемая масса суммирована для каждого из режимов работы двигателя в стандарте. По приземлению и взлёту (LTO) цикл: 42 секунды при 100 % тяге, 2.2 минуты при 85 % от максимальной тяги (для совершения подъёма на высоту 3 000 футов), 4 минуты при 30 % тяге (для моделирования процесса захода на посадку) и 26 минут при 7 % тяге для режима руления на земле. Эта масса измеряется максимальной тягой в килоньютонах при стандартных условиях полёта над уровнем моря.

Вообще, измерить загрязнители - оксиды азота NO_X очень сложно. Допустимое количество NO_X пропорционально степени повышения давления, способного компенсироваться за счёт увеличения температуры на выходе из компрессора; исходная формула, определяющая лимит эмиссии для оксида азота по инструкции ICAO, тогда примет вид:

.

Как видно из уравнения лимитирующего содержания оксидов азота в окружающей атмосфере, большое значение имеет величина степени повышения давления.

Рисунок 10.3. Инструкции ICAO о степени повышения давления для различных типов камер сгорания.

Индекс эмиссии, используемый в инструкциях ICAO (выраженный в граммах загрязнителя на килограмм используемого топлива) предусматривает точное вычисление объёма топлива для каждого двигателя (или летательного аппарата в целом). На рисунке 10.3. показан первоначальный уровень ICAO для взлёта и посадки (LTO), далее изображён цикл более строгих инструкций: CAEP 2, требующий сокращения первоначального уровня NO_X до 20 % и CAEP 4, вступающий в силу в 2004 году. Вполне вероятно, что в будущем эти инструкции будут ещё более ужесточены с расчётом выполнения полёта на крейсерском режиме.

Принимая во внимание, что уровень оксидов азота NO_X и дыма - темные проблемы, препятствующие повышению тяги двигателей (при большом потоке топлива и высокой температуре в камере сгорания) эмиссия оксидов углерода СО и углеводородов UHC, наиболее опасны и неблагоприятны при режимах набора высоте и выполнения круиза. По крайней мере, необходимо понизить концентрацию углеродосодержащих примесей СО, UHC и дыма, что в свою очередь приведёт к выполнению полёта на максимально дальний диапазон, при высокой температуре и наличии достаточного количества кислорода в избытке. Это также повысит эффективность всего процесса горения, хотя при перезапуске двигателя на высоте это может повредить и камера сгорания не успеет воспламениться. Проблема сокращения NO_X менее значимая. Оксид азота NO_X образован химическими реакциями, которые протекают намного медленнее, чем при взаимодействии с CO₂ и H₂O, но с увеличением температуры процесс образования NO_X быстро увеличивается. Из-за сравнительно медленного процесса образования NO_X, и количество его выбросов напрямую зависит от температуры, климатических, погодных и временных условий. К сожалению, климатическая зона, противостоящая образования углеродистых соединения СО, UHC и дыма, благоприятно влияет на образование оксидов азота NO_X. Любое последующее расщепление или распад соединения NO_X происходят заметно медленнее. На рисунке 11.13 показано поперечное сечение современной камеры сгорания вместе с участками схемы, соответствующими процессам производства и потребление NO_X и дыма.

Схема камеры сгорания, изображённая на рисунке 10.4., отображает, как усложнён проект для достижения удовлетворительного уровня эмиссии, с детально пересчитанными формами и поверхностью ската, позволяющего направить смешивающийся воздух в ту зону, где это необходимо больше всего. Из графика видно, что сажа образуется в том месте, где присутствует обогащённая смесь (а количество кислорода недостаточно), а так как наличие кислорода не велико, но он всё же присутствует, начинает образовываться оксид азота NO_X; NO_X образуется быстрее при большей подаче воздуха, предназначенного для сожжения сажи. Далее по потоку баланс между поддержанием температуры достаточно высок в присутствии избыточного воздуха, и сожжение сажи при подаче охлаждённого газа недостаточно, чтобы избежать образование высококонцентрированных соединений NO_X. Стандартный подход к уменьшению количества соединений NO_X состоит в максимальном уменьшении времени нахождения в зоне высоких температур (в том случае, если необходимо выжечь сажу, углеродистые соединения UHC и CO, а также при появлении потребности в поддержании приемлемого уровня эффективности горения на больших и малых высотах). Самые горячие газы, в рассматриваемом случае, находятся во впадинах стенок камеры сгорания, это стехиометрические газы, присутствие которых быстро подавляется смешением с прохладным потоком воздуха, понижая тем самым температуру всей камеры сгорания и существенно предотвращая процесс образования оксидов азота NO_X. Потребность в уменьшении времени пребывания двигателя на больших высотах связана с устранением высококонцентрированных соединений NO_X; вырабатываемая мощность при этом приводит к сокращению размеров камеры сгорания и относительных норм расхода воздуха и топлива.

Рисунок 10.4.. Сечение секции современной камеры сгорания.

Большая зависимость образования оксидов азота NO_X от величины температуры означает, что есть соотношение для уровня температуры воздуха на входе, при котором увеличивается концентрация азотистого соединения и аналогично для температуры на выходе из камеры сгорания. Требование, в поддержании низкой концентрации оксидов азота NO_X при высокой величине тяги (при малом промежутке времени работы при высоких температурах) и поддержании низкой концентрации углеродистых соединений СО, UHC при малой величине тяге (на длительном промежутке времени) по существу, противоречит само себе. Для понижения уровня эмиссии (то есть для приемлемого уровня на входе в камеру сгорания и температуре на выходе из неё) камера сгорания должна будет иметь определённую форму. Для таких камер сгорания используются иные типы инжекторов для создания на различных участках зон с повышенной и пониженной тягами. Для зон с низкими и высокими показателями мощности существуют отдельные стадии (или ступени). Двигатель GE90 (который стоит на самолёте Boeing 777), имеет камеру сгорания с двумя ступенями; такую же конструкцию имеют некоторые версии двигателей CFM-56. Во время издания данного пособия, однако, самые низкие уровни эмиссии NO_X были для самолёта Boeing 777, с двигателями Rolls-Royce Trent с однокольцевой камерой сгорания, схематично показанной на рисунке 10.4. Однако использование подобным образом организованных камер сгорания приводит к увеличению затрат на изготовление и сложность в эксплуатации.

Прогресс, связанный с понижением эмиссии загрязнителя NOX, проиллюстрирован на рисунке 10.5, темным образом для двигателей семейства «GE / SNECMA». В отображённой системе координат, по ординате, отложены проценты от предельной величины, первоначально установленной требованиями ICAO, для представленных двигателей. Хотя в настоящее время требования по допустимым нормам и опустились, всё же величина разрыва не столь велика. Кроме того требования организации ICAO объединяют понятия по увеличению степени повышения давления пропорционально увеличению размеров двигателя, что в целом не оказывает значимого влияния. Однако, без усовершенствования проектов двигателя, уровень эмиссии NO_X до сих пор был бы на высоком уровне. На графике, представленном на рисунке 10.5, представлены три различных типа камер сгорания: старый турбо - кольцевой тип, и два типа кольцевых камер сгорания, которые ранее являлись одноступенчатыми, а в настоящее время всё чаще стали встречаться и двухступенчатые кольцевые камеры сгорания.

Рисунок 10.5. Изменение уровня эмиссии NO_X по годам (рисунок построен на данных, представленных фирмой SNECMA).

Даже если понизить уровень эмиссии NO_X, всё равно необходимо согласовать этот процесс, особенно если учесть, что может возникнуть необходимость в ограничении образования оксида азота при выполнении круиза. То есть с появлением новых камер сгорания смешанного типа появляется необходимость в согласовании количества подведённого воздуха, необходимого для смешения с частично выпаренным топливом, перед их совместной подачей в зону горения. Потенциальное преимущество камер сгорания со смешанным типом состоит в том, что при их использовании исключается процесс стехиометрического горения, который происходит практически во всех современных камерах сгорания, при котором частички топлива и воздуха, поданные в смешанном виде приводят к образованию зон с локальным повышением температур. Однако, до внедрения и широкого применения камер сгорания со смешанным типом, необходимо разобраться с целым рядом проблем, связанных с эксплуатацией подобного род камер на газовых турбинах, специально предназначенных для генерации мощности на стационарных (или наземных) установках.

В данном курсе в ходе выполнения упражнений, мы будем обращаться с камерой сгорания, как с «чёрным ящиком», с эффективной полнотой сгорания, составляющей 100 %. При обращении к «чёрному ящику» должны быть учтены условия, при которых с изменением химического состава и температуры в зоне горения изменяются и свойства газа. Для упрощения расчётов в данной книге k входящих продуктов принята равной 1.40, а для продуктов сгорания на выходе за 1.30, что естественно приводит к увеличению величины C_P. Изменение величины C_P приводит к осложнению обработки параметров камеры сгорания, чему посвящено целое упражнение 10.1. Газы, на выходе из камеры сгорания имеют большую величину C_P, чем на входе, в связи с чем потребное количества теплоты для повышения температуры больше того, которое было бы необходимо при постоянной величине C_P.

Упражнение 10.1

10.1. Сдайте эскиз двигателя, подразумевая под двигателем основной компрессор и турбину, которую Вы определили. Важный компонент, которым мы пренебрегли в этом курсе, - камера сгорания. Используйте поперечное сечение двигателя на рис. 5.4, чтобы получить некоторую идею по этому поводу.

Попытайтесь избежать течения потока по извилистым каналам ради изменения радиуса. Пробуйте включить опорные элементы. Очень тяжело все согласовать, и у вас нет времени опробовать много схем. Главная идея состоит в том, чтобы получить представление о сложности компоновки и просторе для различных решений. (Рекомендуется сделать это на бумаге в клетку.)

Тема 11

Характеристики компонентов двигателя