Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 6-6-Osobennosti_KS

ка воздуха позволяет обеспечить устойчивое горение во всем рабочем диапазоне ГТД и, в то же время, получить низкие выбросы вредных веществ.

В случае применения воды или пара для снижения уровня выбросов NОx КС должна иметь «запас» по полноте сгорания с тем, чтобы впрыск влаги не привел к недопустимому росту выбросов СО и СН или срыву пламени. Отсюда следует, что впрыск воды (пара) в камеру, работающую на бедной гомогенной смеси по концепции LPP, нецелесообразен. Он применяется, как правило, при сжигании околостехиометрических ТВС в диффузионном режиме. Для получения выбросов NОx на уровне 50 мг/нм3 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 NОx. Так как впрыск воды или пара подавляет образование NOx по термическому механизму, очень важно для уменьшения расхода воды (пара) подавать ее в область максимальных температур вместе с топливом. Очевидно, что луч- ший способ добиться желаемого – это подготовить

èсжечь водно-топливную эмульсию.

Êнедостаткам способа с впрыском воды (пара) можно отнести:

- снижение ресурса из-за возникающих пульсаций давления в камере и высокого градиента термических нагрузок, особенно при впрыске воды; - усложнение конструкции ГТД (иногда требуются изменения первого соплового аппарата турбины с целью повышения его пропускной способ-

ности); - значительные эксплуатационные расходы,

связанные с качественной подготовкой воды (жесткость не более 0,005 мгэ/л). Дорогостоящая вода затем безвозвратно теряется вместе с выхлопными газами.

Несмотря на указанные недостатки, способ подачи воды или пара в КС широко используется в ГТД многих фирм, особенно за рубежом.

Перспективным направлением в решении проблем по снижению выбросов вредных веществ является разработка каталитических КС. С их помощью можно получить ультранизкие выбросы. Так, на фирме General Electric в стендовых условиях при параметрах, характерных для двигателей серии F были получены выбросы: NОx = 0,5 ppm; CO = 0,8 ppm; HC = 1,7 ppm.

Работы по каталитическим КС проводятся уже длительное время практически на всех фирмах, занимающихся разработкой ГТД. Некоторые

Рисунок 6.77 - Экономичность различных методов снижения NОx в промышленных ГТД [6.34] 1- каталитическая КС; 2 - впрыск

воды; 3- впрыск пара; 4- сжигание по схеме LPP; 5- сжигание по схеме LPP+селективная каталитическая азотоочистка продуктов сгорания

из этих камер находятся в стадии натурных испытаний или опытной эксплуатации (ГТД 501 фирмы Allisson, ГТД Frame-9E (PG9171E) фирмы Pratt&Whitney совместно с фирмой «Catalytic», ГТД M1A-13A фирмы Kawasaki и др). Разработ- чики считают, что применение каталитических систем приведет к уменьшению капитальных

èэксплуатационных затрат (см. Рис. 6.77). Использование катализа позволяет получать в натурных условиях выбросы NOx менее 12 мг/нм3, à ÑÎ

èСН - менее 7 мг/нм3. Так как широкое коммер- ческое применение каталитических КС сдерживается их ограниченным ресурсом, то основные работы в настоящее время ведутся по оптимизации конструкции каталитической камеры и по увели- чению ресурса катализатора и повышению температуры его работы. Конструктивная схема каталитической КС и принцип ее работы приведены в разделе 6.3.4.

Проблема высокого ресурса жаровых труб ГТД наземного применения при дефиците воздуха, идущего на охлаждение, решается, как правило, применением высокоэффективных конструкций систем охлаждения с использованием теплозащитного

Рисунок 6.78 - Жаровая труба КС фирмы Siemens с керамическим покрытием [6.9.35]

покрытия. Так, фирма Rolls-Royce применяет систему охлаждения типа «трансплай» с «толстым» (δ ê = 500…600 мк) теплозащитным покрытием стенок жаровой трубы. От исходного уровня расход воздуха на охлаждение уменьшается почти в два раза. Фирмы General Electric и Pratt&Whitney внедрили технологию конвективного охлаждения также с «толстым» теплозащитным покрытием, что дало возможность исключить расход воздуха на пленочное охлаждение, использовать его в процессе низкотемпературного горения.

Наиболее радикальным способом снижения расхода охлаждающего воздуха является применение керамики. Фирма Siemens на своих больших цилиндрических камерах применяет керамические плитки, не связанные жестко с основной конструкцией, а в газосборнике – металлические плитки, покрытые керамикой (см. Рис. 6.78). В результате межремонтный ресурс достиг уровня 100000 ча- сов. Несмотря на очевидные положительные стороны внедрения керамики в конструкцию КС, ее применение ограничивается такими свойствами как:

-малые запасы прочности на изгиб и растяжение;

-растрескивание при больших и часто повторяющихся тепловых «ударных» градиентах температур;

-трудности неразрушающего контроля деталей перед поставкой на двигатель.

6.7 - Перспективы развития камер сгорания ГТД

Âсвязи с постоянно растущим вниманием

êохране окружающей среды, основным требованием из общего перечня требований к КС ГТД на ближайшую перспективу по-прежнему остается обеспечение низких уровней выбросов вредных веществ. При этом, одновременно делается упор на снижение стоимости жизненного цикла, куда входит стоимость изготовления, ремонта и технического обслуживания. Для промышленных ГТД, учитывая конъюнктуру рынка, дополнительно выдвигается требование по расширению диапазона применяемых видов топлива - от низкокалорийных газообразных топлив до тяжелых продуктов нефтепереработки.

Успешное решение задачи по созданию перспективной конструкции КС невозможно без применения новых материалов и технологий изготовления. В первую очередь это относится к жаровой трубе. Так, для повышения эффективности системы охлаждения требуются материалы с высокой рабочей температурой (1200°С и более), например, такие как интерметаллиды и композиционные материалы на основе керамики. Кроме этого, на внутренней поверхности жаровой трубы должно быть предусмотрено керамическое теплозащитное покрытие, обладающее хорошим сцеплением с основным материалом жаровой трубы и стойкостью

êтермоциклам.

Для каталитических КС основной проблемой является повышение теплостойкости и долговеч- ности катализатора.

К перспективному направлению в плане создания малоэмиссионных КС относится создания гибких автоматизированных систем управления, позволяющих контролировать эмиссию (как правило, по косвенным параметрам) в процессе работы ГТД и при изменении условий воздействовать на регулирующие элементы. В качестве регулирующих элементов могут выступать топливные коллекторы, перепускные трубы и (или) фронтовые устройства изменяемой геометрии. Такие системы позволяют поддерживать минимальный уровень эмиссии во всем диапазоне работы ГТД и предотвращать пульсационное горение и проскок пламени в смесительное устройство.

С целью сокращения времени на создание перспективной КС большая роль отводится расчетным работам. Здесь необходимы надежные методики расчета, использующие, как правило, трехмерные модели и апробированные предыдущими испытаниями.