Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

Контрольным параметром эмиссии является отношение массы j-го вещества Пj (в граммах), выделившейся за стандартный цикл, к взлетной (расчетной) тяге двигателя Rp [кН]:

где i = 1, 2, …, 4 – номер режима (см. табл. 7.1); EIj характеризует совершенство рабочего процесса в КС; cRi характери-

зует экономичность ВРД и зависит от параметров термодинамического цикла и совершенства всех узлов ВРД.

При использовании двигателей выпуска до 31.12.1999 г. для дозвуковых скоростей полета и при тяге R > 26,7 кН допустимые нормы эмиссии ВВ на территории России составляют:

ПCHx / Rp ≤19,6; ПCO / Rp ≤118;

ПNOx / Rp ≤ 40 + 2∑ πк .

Для аналогичных двигателей выпуска после 31.12.1999 г.

ПNOx / Rp ≤32 +1,6∑ πк .

Для двигателей сверхзвуковых самолетов

Для обеспечения конкурентоспособности отечественных двигателей необходимо при их разработке стремиться к достижению норм ИКАО (табл. 7.2).

201

Вотличие от авиационных ВРД единицы измерения вредных выбросов стационарных ГТУ основаны на концентрации ВВ в единице объема мг/н.м3 – количество вещества

вмилиграммах, отнесенное к «нормальному» (н.) кубометру отработанных газов, то есть кубометру, приведенному к температуре 0 °C и давлению 0,1013 МПа.

ВРоссии для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) установлены нормы: NOх – 150 мг/н.м3; СО – 300 мг/н.м3.

Для новых ГТУ, эксплуатируемых с 1.01.1995 г.:

NOх – 50 мг/н.м3 на газообразном топливе, 100 мг/н.м3 на жидком топливе.

Уложиться в эти нормы возможно только при обеспечении значений ηг > 0,99 на всех режимах, включая режим МГ. Для того чтобы нормы не ограничивали рост экономичности авиационных ВРД, предусмотрено увеличение допустимого

значения ПNOх / Rp при росте πк.p .

Содержание дыма определяется по методу фильтрации. Сущность метода фильтрации заключается в следующем: через белый бумажный фильтр пропускается 16,2 кг/м2 вы-

202

хлопных газов; определяется число дымности SN (Smoke number): SN = 100 % (1 – Rs/Rw), где Rs, Rw – абсолютные от-

ражательные способности загрязненного и чистого фильтров соответственно.

Нормами устанавливается максимально допустимое

значение SN в зависимости от взлетной тяги: (SN)доп = = 83,6 (Rp)–0,274, но не более 50.

Трудности создания КС с минимальной эмиссией всех основных вредных веществ связаны с тем, что СО, СНх – продукты неполного сгорания, и для их уменьшения необходимо увеличивать τКС (время пребывания ПС в КС) и увеличивать ТПС . Однако при увеличении τПС в КС и увеличении

температуры ПС ТПС > 1800 K интенсивно растет содержа-

ние NOх в отработанных газах.

Для обеспечения требуемых ИКАО на сегодняшний день норм выбросов достаточно совершенствовать процесс

впервичной зоне:

–применять форсунки с пневмомеханическим распылом;

–применять многоярусное расположение форсунок;

–применять комбинированные фронтовые устройства;

–выбирать рациональный объем и форму ЖТ.

Для радикального уменьшения эмиссии вредных веществ необходима разработка малоэмиссионных КС, реализующих новые концепции организации горения.

7.9.Снижение выбросов оксидов азота

вперспективных КС

7.9.1.Концептуальные основы

ВКС авиационных ВРД стандарты допускают бόльшие

уровни выброса оксидов азота NOх на повышенных режимах работы, чем в КС стационарных ГТУ, но в то же время для стационарных ГТУ отсутствует ряд жестких ограничений по

203

габаритам и массе. Так как стационарные ГТУ большую часть своего ресурса работают на повышенных режимах, близких к номинальным, основной экологической проблемой для них является снижение эмиссии оксидов азота. При этом эмиссия остальных вредных веществ (СНх, СО, С) не должна возрастать. Для достижения данной цели прорабатываются следующие способы снижения эмиссии NOх.

1. Концепция LPP (Lean – premixed and prevapozised, бу-

квально: «бедная – перемешанная и испаренная») основана на низкотемпературном (ТПС < 1800…1900 K) сжигании

к срыву пламени (α = 1,6…1,8), поэтому камеры сгорания с организацией горения по схеме LPP требуют решения такой сложной проблемы, как пульсационное горение. Еще одна проблема – возможность «проскока» пламени и самовоспламенение топлива в зоне предварительного перемешивания. Кроме этого, для обеспечения оптимального состава топливовоздушной смеси в зоне горения требуется многоколлекторная подача топлива с перераспределением топлива между коллекторами и перепуск воздуха в зависимости от режима работы двигателя, а также сложная и дорогостоящая система автоматического регулирования работы камеры сгорания.

Для повышения устойчивости горения бедной гомогенной ТВС («огневой» поддержки), особенно на пониженных и переходных режимах, в таких камерах, как правило, организуют дежурную зону, где осуществляется диффузионное горение. Диффузионное пламя устойчиво, но активно генерирует NOх, поэтому запуск двигателя и выход на установившийся режим производится с использованием дежурной зоны, а на повышенных режимах количество топлива, сжигаемого в дежурной зоне, снижают до предела устойчивого горения.

204

Для сохранения полноты сгорания бедной гомогенной смеси необходимо увеличивать время пребывания в зоне горения τПС, что при низкой температуре горения не приводит к заметному росту эмиссии NOх и способствует снижению EIСО и EICH x . Однако увеличение τПС вызывает необходи-

мость увеличения объема (длины) КС и охлаждаемой поверхности жаровой трубы, что ограничивает применение данной концепции при проектировании КС авиационных ВРД, так как вступает в противоречие с требованием уменьшения размеров авиационных КС. К тому же концепцию LPP сложно претворить в жизнь при работе на жидком топливе вследствие того, что процесс испарения жидкого топлива для получения гомогенной смеси сопряжен с серьезными техническими трудностями. Тем не менее, если обеспечить равномерное распределение в объеме зон горения капель топлива диаметром 10…20 мкм, можно реализовать «псевдогомогенное» горение с эмиссией NOх примерно того же уровня, как при горении гомогенной ТВС полностью испаренного топлива.

2. Концепция RQQL (Rich – Quick Quench – Lean, бук-

вально: «богатая – быстрое охлаждение – бедная») основана на низкотемпературном сжигании богатой ТВС с подачей всего топлива в первичной зоне горения, быстром смешении с оставшимся воздухом и дожиганием бедной ТВС при низкой температуре в зоне дожигания.

При реализации данной концепции возникают следующие проблемы:

–при переходе от богатой смеси к бедной в зоне смешения неизбежен переход через стехиометрическое соотношение компонентов ТВС, следовательно, увеличивается эмиссия NOх;

–при богатом горении в первичной зоне неизбежно увеличение образования свободного углерода, дожигание которого сложно организовать, ожидается увеличение дымления.

205

Для успешной реализации концепции RQQL необходимо:

–обеспечить в богатой зоне максимально гомогенную смесь для исключения образования областей с ТВС, близкой

кстехиометрической, и обеспечения практически полного выгорания кислорода;

–организовать процесс разбавления таким образом,

чтобы перемешивание продуктов сгорания богатой зоны с воздухом происходило как можно быстрее и равномерно по всему поперечному сечению жаровой трубы.

При использовании жидкого топлива концепция RQQL имеет преимущество перед LPP, так как проблема испарения топлива решается естественным образом, также не возникает проблемы устойчивого горения.

3. Впрыск воды или пара в КС является эффективным способом снижения эмиссии NOх за счет снижения температуры зоны горения при диффузионном горении в традиционных КС.

В случае применения воды или пара для снижения уровня выбросов NOх камера сгорания должна иметь «запас» по полноте сгорания с тем, чтобы впрыск влаги не привел к недопустимому росту выбросов СО и СНх или срыву пламени. Отсюда следует, что впрыск воды (пара) в камеру, работающую на бедной гомогенной смеси по концепции LPP, не целесообразен. Он применяется, как правило, при сжигании околостехиометрических топливовоздушных смесей в диффузионном режиме. Для получения выбросов NOх на уровне 50 мг/н.м3 расход пара должен составлять не менее 100…150 % от расхода топлива. При впрыске воды, в соответствии с тепловым балансом, ее требуется в 1,62 раза больше по сравнению с паром для достижения одинакового эффекта по снижению NOх. Так как впрыск воды или пара подавляет образование NOх по термическому механизму, очень важно для уменьшения расхода воды (пара) подавать ее в область максимальных температур вместе с топливом.

206

Очевидно, что лучший способ добиться желаемого – это подготовить и сжечь водно-топливную эмульсию.

Исследования показали, что на некоторых режимах работы КС подача водно-топливной эмульсии в зону горения даже способствует улучшению процесса горения и повышению полноты сгорания. Это можно объяснить тем, что при попадании водно-топливной эмульсии в высокотемпературную зону горения происходит вскипание и «микровзрывы» капель воды, покрытых топливной пленкой, так как температура кипения воды в 1,5 раза ниже, чем топлива. В результате этого происходят дополнительная турбулизация и интенсификация процессов смесеобразования, способствующие процессам реагирования горючего с окислителем. Однако одновременно с этим снижается температура в зоне горения на величину, пропорциональную теплоотводу на нагрев и испарение воды.

К недостаткам способа впрыска воды (пара) можно отнести:

–снижение ресурса из-за возникающих пульсаций давления в камере и высокого градиента термических нагрузок, особенно при впрыске воды;

–усложнение конструкции ГТУ (иногда требуются изменения первого соплового аппарата турбины с целью повышения его пропускной способности);

–значительные эксплуатационные расходы, связанные

скачественной подготовкой воды (жесткость не более 0,005 мгэ/л). Это дорогостоящая вода затем безвозвратно теряется вместе с выхлопными газами.

Несмотря на указанные недостатки, способ подачи воды или пара в камеру сгорания широко используется в ГТУ многих фирм, особенно за рубежом.

4. Перспективным направлением в решении проблем по снижению выбросов вредных веществ является разработка каталитических камер сгорания. С их помощью можно получить ультранизкие выбросы.

207

Использование катализа позволяет окислять молекулы топлива при температурах ниже бедной границы воспламенения (ТПС = 1200…1500 K) и получать в натурных условиях выбросы NOх менее 12 мг/н.м3, а СО и СНх – менее 7 мг/н.м3.

Широкое коммерческое применение каталитических камер сгорания сдерживается такими проблемами, как сложность запуска и ограниченный ресурс из-за низкой надежности решетки катализаторов.

5. Селективное каталитическое восстановление, основанное на восстановлении оксидов азота аммиаком в присутствии катализаторов в выхлопной трубе ГТУ.

Аммиак является единственным доступным восстановителем избирательного действия, способным обеспечить восстановление NOх при наличии кислорода в выхлопных газах. Процесс восстановления протекает по следующим основным реакциям:

6NO + 4NH3 = 5N2 + 6H2O;

6NO2 + 8NH3 = 7N2 + 12H2O.

В качестве катализаторов обычно применяется платина, окислы ванадия V2O5, диоксид титана ТiO2, цеолит и другие активные элементы.

Широкому распространению этого метода препятствует высокая стоимость и неизбежный выброс аммиака в атмосферу.

7.9.2. Реализация способов снижения эмиссии NOх

Примером малоэмиссионной КС с чаcтичной реализацией концепции LPP для авиационного двигателя может служить двухзонная кольцевая КС (рис. 7.14, а). Зоны горения расположены параллельно. Дежурная зона 1 обеспечивает низкий уровень выбросов СО и СНх при запуске и на пониженных режимах работы, когда все топливо подается через форсунку дежурной зоны. При этом на пониженных режимах

208

скорость воздуха в дежурной зоне небольшая (↑τПС ) , а со-

став смеси близок к стехиометрическому, что обеспечивает высокую полноту сгорания и низкие значения EIСО и EICH x .

Рис. 7.14. Кольцевые КС концепции LPP: а – двухъярусная; б – двухзонная КС

Основная зона 2 позволяет получить низкий уровень эмиссии NOх на режимах большой тяги. Это обеспечивается бедным составом псевдогомогенной ТВС (α ≈ 1,8) и малым временем пребывания ТВС в зоне горения τПС. «Огневую» поддержку при горении бедной ТВС оказывает дежурная зона 1, в которой на повышенных режимах количество топлива снижают до предела устойчивого горения.

Для эффективного перемешивания ТВС используются пневмомеханические форсунки в сочетании с комбинированными фронтовыми устройствами с противонаправленной закруткой 4.

При параллельном расположении зон горения все топливные ступени должны быть напрямую запитаны воздухом из компрессора. В результате все зоны оказываются в узком диапазоне между бедным горением и срывом пламени. При последовательном расположении зон горения требуется более длинная КС, но при этом имеется ряд преимуществ. Пер-

209

вая по потоку зона обеспечивает необходимую «огневую» поддержку горению во второй зоне, а процессы во второй зоне не оказывают отрицательного воздействия на горение

впервой зоне.

Вавиационной двухзонной кольцевой КС (рис. 7.14, б) дежурная зона 1 обеспечивает диффузионное горение при запуске и работе на пониженных режимах, а также обеспечивает «огневую» поддержку при горении в основной зоне на повышенных режимах. Гомогенная бедная ТВС для работы на повышенных режимах готовится в камере предварительного смешивания 3.

Для стационарных ГТУ предпочтительнее использование КС трубчатого типа (рис. 7.15), так как модульность жаровых труб позволяет довести рабочий процесс в них до высокой степени совершенства, а также улучшает их экс-

плуатационную технологичность. Для надежного запуска и устойчивой работы на пониженных режимах в дежурной зоне 1 устанавливается центральная форсунка 6, создающая обычное диффузионное пламя. Процесс горения практически заканчивается внутри дежурной зоны, что не приводит к резкому «захолаживанию» продуктов сгорания, когда в основную зону 2 не подается топливо, и, следовательно, снижаются выбросы СО.

Рис. 7.15. Схема жаровой трубы КС концепции LPP

210