Эмиссия вредных веществ авиационными двигателями н загрязнение атмосферы

Авиация является одним из важнейших источников антропогенного загрязнения атмосферы. Спектр эмитируемых из авиационных двигателей веществ достаточно широк и зависит от типа двигателя и используемого топлива. Основными загрязняющими веществами, входящими в состав выхлопных газов авиационных двигателей, являются оксиды азота (ЫОх), оксиды углерода, углеводороды, сажевые частицы и, в очень малых количествах, оксиды серы [19-20].

Оксид углерода, углеводороды и сажевые частицы появляются вследствие неполного окисления топлива и его пиролиза. N0* образуются в зоне горения в результате реакций окисления азота, находящегося в воздухе. Реакция окисления идет с заметной скоростью только при температурах 2000° С и выше, т.е. в самых высокотемпературных зонах камеры сгорания (КС). Механизмы образования вредных веществ подробно рассмотрены в работе [21]. Разработана система уравнений для расчета составляющих вредных выбросов (ЫОх, СО, НС, дыма) и оптимизации камер сгорания [22].

Наиболее важными параметрами процессов, происходящих в КС и оказывающих существенное влияние на механизмы образования вредных веществ, являются температура газа, время пребывания продуктов сгорания в зоне горения, коэффициент

избытка воздуха (а). Эти параметры, в свою очередь, зависят от качества распиливания топлива и его смесеобразования с воздухом, интенсивности подвода и количества воздуха в зоне горения.

На рис. 1.1 показаны выбросы загрязняющих веществ авиационными ГТД как функция величины тяги. На режиме малого газа коэффициент полноты сгорания топлива составляет примерно 99% и выбросы НС и СО являются максимальными. На режимах взлета, набора высоты и крейсерского полета коэффициент полноты сгорания составляет более 99,9%, и величина выбросов НС и СО является очень малой. Выбросы N0* и дымление двигателей ведут себя противоположно: их максимум образуется при наибольшей тяге двигателя.

Эмиссионные характеристики ГТД [1.10]

Рис. 1.1. Эмиссионные характеристики ГТД [1.10]: 1 - режим работы двигателя;

  • 2 - режим малого газа;
  • 3 - максимальный режим;
  • 4 - полнота сгорания;
  • 5 - N0* - высокая температура газов

В табл. 1.1. приведены индексы эмиссий загрязняющих веществ (N0x5 СО, НС) ГТД на различных режимах взлетно-посадочного цикла [23, 24]. Взлетно-посадочный цикл включает в себя режимы малого газа'(холостого газа), руления, взлета, набора высоты и посадки. Кроме того, в выхлопных газах современных авиационных ГТД может содержаться еще до 0,1 г/кг БСК Зависимость уровня дымности выхлопа от режимных параметров показана на рис. 1.2.

посадку высота

Рис. 1.2. Число дымности выхлопных газов в зависимости

от условной раоогы двигателя

Особую опасность представляют канцерогенные (и мута-генные; полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые присутствуют в малых концентрациях (несколько мкг/м3) в продуктах сгорания любого нефтяного топлива. Химическая сшбильность ПАУ позволяет им постепенно накапливаться в среде обитания. Кроме того, ПАУ характеризуются

ю

большим «инкубационным» периодом обнаружения медикобиологических последствий (15-20 лет) [25]. Авиационные ГГД представляют собой достаточно существенный источник антропогенных ПАУ.

Таблица 1 I

Индексы эмиссий загрязняющих веществ ГТД

Тип самолета

и

двигателей

Режим работы

Индекс эмиссии*, г/кг топлива

НС

СО

N0,

ЯК-40 (ТВД АИ - 25)

Холостой ход, руление

Взлет

Набор высоты Заход на посадку

  • 45,5
  • 0,2
  • 0,2
  • 2,7
  • 18,9
  • 10
  • 44
  • 1,2
  • 7,7
  • 4,2

Холостой ход,

15

25

2,5

АН-24

руление

Взлет

0,2

1

12,5

(ТВД АИ - 24)

Набор высоты

0,3

2

10

Заход на посадку

0.5

12,5

6

?Индекс эмиссии (Е1) представляет собой массу загрязняющего вещества (в граммах), отнесенную к количеству сожженного топлива (в килограммах).

В ЦИАМ совместно с КуАИ [26] проведены исследования, которые позволили уточнить данные об эмиссии канцерогенов и установить основные закономерности их образования в процессе сжигания топлива в камере сгорания. Показано, что при изменении режима от малого газа до взлетного скорость образования бенз(я )пирена, как и скорость образования сажи, увеличивается на несколько порядков. Максимум эмиссии наблюдается не на взлетном режиме, как для эмиссии сажи, а на режиме малого газа, как и для всех несгоревших углеводородов.

Эмиссия ПАУ в современных ТРДД, оснащенных камерами сгорания с интенсификацией смешения во фронтовом уст-

ройстве, в 10 — 20 раз ниже, чем в двигателях предшествующих поколений.

Авиационные двигатели, выбрасывая газы, частицы, тонкодисперсные аэрозоли и образуя конденсационные следы, активно воздействуют на атмосферу. Газы, вызывающие парниковый эффект (ССЬ, Н2О), поглощают солнечную радиацию. Химически активные газы видоизменяют природные парниковые газы. Частицы могут стимулировать в атмосфере химические реакции, непосредственно влиять на земной радиационный баланс и изменять свойства облаков.

Динамика развития возмущенной самолетом области атмосферы определяется целым комплексом гидродинамических и фотохимических процессов. На начальном этапе происходит смешение истекающих из сопла двигателя газов со спутным потоком атмосферного воздуха. Одновременно с этим происходит эволюция вихревых структур, сходящих с концов крыльев, которые на некотором расстоянии от среза сопла начинают взаимодействовать с потоком, образовавшимся в результате смешения продуктов сгорания с окружающим воздухом. На следующей стадии происходит распад вихревого следа на отдельные крупномасштабные образования кольцевой формы, которые по истечении определенного времени смешиваются с невозмущенной атмосферой [27].

Детальный анализ современного состояния исспедований по влиянию авиации на атмосферные процессы дан в работе [1]. Рассмотрены неравновесные процессы в газовом тракте реактивных двигателей и спутной струе, приводящие к эмиссии различных компонентов в атмосферу. Проанализированы механизмы влияния авиации на изменение газового и аэрозольного составов атмосферы, на образование полярных стратосферных облаков, озоновый слой, облачность и климат.

Влияние авиации на атмосферу происходит через комплекс взаимосвязанных процессов. Так, увеличение концентрации ЫОх в стратосфере, обусловленное полетами сверхзвуковой авиации, приводит к уменьшению концентрации озона и, как следствие, к увеличению интенсивности биологически опасного ультрафиолетового излучения у поверхности земли [4, 28]. Снижение концентрации озона в атмосфере составляет от 3% на высоте 20 км до 23 % на высоте 30 км. В коридоре полетов снижение концентрации озона еще больше — около 50 % [3, 29]. При этом более глубокое проникновение солнечного ультрафиолета в тропосферу должно привести к увеличению концентрации озона и, таким образом, изменить ее радиационный баланс и температуру.

В 1999 г. был опубликован [6] отчет Межправительственной комиссии по изучению изменения климата (1РСС) под названием «Авиация и атмосфера планеты». В отчете приведены результаты исследований газов и частиц, которые выбрасываются из двигателей в атмосферу, их влияние на изменение химического состава последней. Показана потенциальная опасность неизбежного увеличения конденсационных следов из-за роста интенсивности воздушного сообщения, а также связанное с этим формирование на больших высотах долгоживущих перистых облаков. Каждый из этих процессов может нарушить слабое равновесие между количеством поступающего и покидающего тепла в атмосфере. Различные выбросы загрязняющих веществ вызывают различный химический и физический эффект. В отчете изучено воздействие, получаемое от всего спск-гра известных загрязняющих веществ в авиации, а также его величина и влияние на парниковый эффект.

Наиболее изученным веществом, оказывающим воздействие на изменение климата, является СОг. Из-за своей исключительной устойчивости в атмосфере СО2 полностью смешивается

с воздухом и легко распространяется по планете. Наряду с водой, СО2 является веществом, которое в максимальном количестве образуется при горении авиационного топлива. Сегодня на авиацию приходится 2,4% от общего количества выбросов С02 всех промышленных источников. Вследствие роста перевозок эта цифра к 2050 г., вероятно, превысит 7%, с учетом того, что с внедрением новых технологий выбросы С02 в пересчете на двигатель значительно сократились.

Эмиссия паров воды авиационными двигателями непосредственно ведет к образованию конденсационных следов, которые характерны для высоколетящего самолета на крейсерском режиме. Эти следы могут оказывать сильное воздействие на глобальное потепление.

Вода сохраняется в тропосфере в течение примерно 9 дней. В стратосфере она может оставаться несколько месяцев или даже лет, следовательно, происходит накопление образуемых самолетами паров воды, что может нарушить природный гидрологический баланс. Это приводит к двум основным последствиям: непосредственному влиянию на процесс теплообмена в атмосфере и химическому воздействию на стратосферный озон, что увеличивает вероятность образования на больших высотах полярных стратосферных облаков.

N0* влияют на химический состав атмосферы и на разрушение и образование озонового слоя, вносят большой вклад в образование смога и кислотных дождей [30, 31]. Процессы, посредством которых N0* воздействует на химический состав атмосферы, сложны и разнообразны, что зависит от таких факторов, как время года и местоположение. На высоте крейсерского полета увеличение озона приводит к усилению парникового эффекта. В 1992 г. эмиссия Ы02, связанная с дозвуковыми ЛА, оценивалась как увеличивающая концентрацию озона на высоте крейсерского полета на 6 %, а к 2050 г. может возрасти до 13 % [6].

Диоксиды серы и азота являются причиной выпадения кислотных дождей. Азотная и серная кислоты образуются соответственно из оксидов азота и серы с участием гидроксильного радикала по реакциям [31]:

Ы02+ ОН* — НЖ>3;

БОт + ОН* —* Н80‘3;

Н50*з+ 02 —? Н0% + 803;

803 + Н20 -> Н2804;

Ы02 + О3 —? N03 ^ 02»

N0-3 + N02 -*• N.05;

^05 + Н20 -> 2Ш03.

В ходе газофазных окислительных процессов, в которых участвуют в основном летучие органические соединения, олефины и оксиды азота, образуются органические кислоты, главным образом, муравьиная и уксусная, которые также являются предшественниками кислотных дождей.

Двигатели выбрасывают тонкодисперсные аэрозоли, в которых содержатся частицы сажи, металлов, серной кислоты, пары воды, и даже, возможно, азотной кислоты и несгоревшие углеводороды. Все они могут стимулировать в атмосфере химические реакции, поглощать или рассеивать радиацию и изменять свойства облаков. Они могут быть источником образования конденсационных следов или перистых облаков и могут являться одним из факторов увеличения облачности. Данные измерений плотности стратосферного аэрозольного слоя свидетельствуют о том, что содержание аэрозолей в стратосфере увеличивается в течение последних 15-20 лет со скоростью 5% в год [32]. Химический состав аэрозольных выбросов и их взаимодействие с атмосферой пока еще мало изучены [6, 33, 34].

В связи с исследованиями влияния авиации на атмосферу в начале 1990-х годов возникла необходимость изучения физикохимических процессов, определяющих образование различных соединении в камере сгорания двигателя, во внутреннем тракте и в выхлопной струе. Развитие этого направления потребовало создания новых кинетических моделей горения углеводородных топлив в воздухе с детальными механизмами образования не только оксидов азота МОх, углерода СОх и водорода НОх, но п сернистых соединений 80х, НБО;,, ГЬЗО.*, элементов группы НЫОу, ЫХНУ, СхНу02, ионов и др.

В.Р.Кузнецовым на основании подходов, проверенных на турбулентном диффузионном факеле, разработан интегральный метод расчета индекса эмиссии натурных камер сгорания Г'ТД [35]. Метод базируется на интегрировании уравнений переноса осредненной концентрации оксидов азота и горючего по всему объему камеры. Предполагается, что скорость расходования горючего на фронте пламени бесконечно велика. В результате интегрирования получено соотношение для определения индекса эмиссии:

ЕШОх =

(1 1)

где у/ - эмпирическая константа;

1

&>мох = 1^ох (%)№. - эффективная скорость окисления азота; о

- характерное время пребывания в камере;

ра - плотность воздуха, поступающего в камеру; V* - объем

жаровой трубы; ва - расход воздуха через камеру; Ъ - восстановленная концентрация горючего; индекс Б относится к стехиометрической поверхности.

Полученное соотношение позволило описать экспериментально измеренные значения индекса эмиссии оксидов для разных классов двигателей с точностью до 23 % при изменении температуры и давления на входе в камеру в широком диапазоне значений, используя единую эмпирическую константу у/ = 0,183 (рис. 1.3).

Е1ШХ

10і УУщ,,

р,ме

Рис. 1.3. Экспериментальные и расчетные значения индекса эмиссии оксидов азота: о - СР6-50; • - Л9Э-7; а - ЛВ-401; ? - СРМ56; л - ЛЗЭ-7; а - Л80-17; О - ТРР731-2;

  • ? - Аи-25; « - Д-36; ? - НК-8-2У; * - ПС90А;
  • * - Д-ЗОА; ? - Д-ЗОКУ; ® Д-30КП; в Д-18Т

Разработана [36-38] новая кинетическая модель процессов образования И-, Н-, С-, Б - содержащих соединений, а также положительных и отрицательных ионов, образующихся при окислении сложных углеводородов и продуктов их термической деструкции в смеси с воздухом. Установлено, что в продуктах сгорания авиационных керосинов, помимо N0, ЫОо, СО, СО2, Н2О и 802, могут присутствовать также БОз, БО, НгБОз, Н2804, РШ02, НЫ03, И20, N0, и другие нейтральные компоненты, а также ионы Н8СГ4, N0^, N0”:,

С2н30+, N0", НэО

Разработана [39, 40] квазиодномерная модель течения химически неравновесного газа в гурбине и сопле ГТД. С использованием расширенной кинетической модели, включающей 242 реакции элементов групп N0*, С0Х, 80х, Н0Х, 1-ШОу, СХНУ, ЫХНУ, СХЫУ СхНу07., а также N20, Н80з, Н2804, проведен численный анализ динамики изменения химического состава продуктов сгорания углеводородных топлив в воздухе в газовом тракте ТРДД. В выходном сечении сопла смесь содержит в достаточно больших количествах Н20, С02, СО, N0, N02, ОН, БОз, НЖ)2, N20, NN03, N03, 803, Н804.

На основе разработанной модели турбулентного течения химически реагирующего газа проведен анализ влияния смешения горячих газов, истекающих из сопла двигателя, со спутным потоком атмосферного воздуха на динамику образования Ы-, 8-, Н- и С1-содержащих компонентов [27]. Установлено, что вследствие взаимодействия элементов группы N0,4 с хлорными компонентами, поступающими из атмосферы, в приосевой части струи формируется область с повышенным уровнем концентрации свободного хлора. Так, на оси струи на расстоянии 100

м от среза сопла дозвукового самолета концентрация свободного хлора в 1000 раз превосходит фоновую, а концентрация CINO3 — в 400 раз. Взаимодействие СН3 с NO2 и NO3 приводит К возникновению НОВЫХ компонентов CH3NO2 и CH3N03-

Впервые проведено [8] численное моделирование газодинамических и химических процессов при смешении спутного потока атмосферного воздуха с горячими газами, истекающими из сопла ГПВРД на водородном топливе. Проведен анализ динамики изменения концентраций экологически вредных компонентов в сверхзвуковой струе двигателя. При исследовании кинетики окисления SO2 на поверхности и в объеме сульфатного и водяного аэрозолей в конденсационном следе самолета в результате теоретического анализа химико-диффузионной модели показана возможность реализации цепного механизма окисления SO2 при поглощении частицами аэрозоля в следе самолета.

Установлено, что даже при использовании в ГПВРД водородного топлива в истекающей из сопла струе, смешивающейся со спутным потоком атмосферного воздуха, образуются в значительных количествах не только NO, NO2, HNO, HNO2, HN03, но и СО, СН2О, CH3NO и хлорсодержащие компоненты СІ, НС1,С12, СС13.

Механизмы влияния авиации на атмосферные процессы связаны с количеством и типом эмитируемых в атмосферу веществ и траекторией полета летательного аппарата. Поэтому основные направления исследований включают определение эмиссионных характеристик двигателей, причем не только для основных (СО2, СО, Н2О, NO, NO2, частицы сажи), но и для малых составляющих продуктов сгорания (SOx, HSOy, NOy,

НОх, СхНу, и др.), а также моделирование физико

химических процессов при смешении эмитируемых из сопла газов с атмосферой и изучение атмосферных процессов, наиболее чувствительных к воздействию авиации в глобальных масштабах .

Согласно [I], наряду с расширением натурных исследований в ближнем поле струн и следе самолета, необходимо создание более полных кинетических моделей образования малых газовых компонентов при горении авиационных топлив, образования аэрозолей и эволюции их состава при взаимодействии горячих выхлопных газов с атмосферным воздухом, а также определение механизмов активации сажевых частиц для гетерогенной нуклеации Н?0. Необходимо также определить роль гетерогенных процессов в изменении химического состава смеси, эмитируемой в атмосферу. Решение этих вопросов позволит более правильно задать сценарий воздействия для глобального моделирования влияния авиации на атмосферу.

Для ГТД гражданской авиации постоянно ужесточаются международные нормы на выбросы загрязняющих атмосферу продуктов сгорания топлива. Уровень эмиссии вредных веществ ГТД является одним из важных факторов в конкурентной борьбе авиафирм. В камерах сгорания традиционных схем очень сложно удовлетворить всему комплексу требований, так как факторы, способствующие улучшению одних характеристик, могут приводить к ухудшению других на том же или другом режиме работы двигателя [41, 42]. Так, например, увеличение времени пребывания способствует повышению полноты сгорания топлива и, соответственно, снижению выбросов СО и несгоревших углеводородов на режиме малого газа. Однако на максимальных режимах при этом возрастает выброс оксидов азота. С повышением давления и температуры происходит

уменьшение выбросов СО и НС и увеличение выброса N0^. Поэтому характеристики современных камер сгорания являются результатом того или иного компромисса. Существенно осложняет положение рост величин параметров рабочего процесса ГТД новых поколений.

В современных ГТД коэффициент полноты сгорания топлива составляет более 99%, поэтому в конструкции камер сгорания имеется мало возможностей по дальнейшему уменьшению выброса СО и НС. Дымление двигателей также в настоящее время сведено к минимуму. Одной из важнейших задач при создании перспективных двигателей гражданской авиации ЫАБА считает снижение уровня выбросов оксидов азота относительно существующих норм в 3 раза.

Преимущественно образование N0* происходит в зонах высоких (более 1800 К) температур газа, т.е. в первичной зоне камеры сгорания. В пределах этой зоны существуют области, содержащие топливовоздушные смеси, по составу близкие к стехиометрическому. В них реализуются наиболее высокие температуры пламени. С повышением температуры воздуха и давления объем этих областей и температура в них увеличиваются. Скорость образования ЫОх находится в степенной зависимости от температуры пламени.

Снижение эмиссии N0* обеспечивается, главным образом, двумя способами: уменьшением времени пребывания топливовоздушной смеси в зоне высоких температур при диффузионном процессе горения и снижением температуры пламени путем организации процесса горения заранее перемешанной «бедной» и «богатой» топливовоздушной смесью [43].

Работы по созданию малоэмиссионных камер сгорания подробно изложены в [41-48]. Ниже представлены некоторые схемы перспективных камер сгорания.

Одним из путей регулирования отношения топливо/воздух и уменьшения выброса ЫОх является применение концепции зонного горения [10]. Разделяя общий подвод топлива на отдельные топливовоздушные зоны, можно управлять локальным отношением топливо/воздух по мерс увеличения тяги двигателя и тем самым уменьшать выбросы ЫОх. На рис. 1.4 показана двухзонная камера сгорания. Применение двухзонной камеры сгорания позволяет сохранять бедные топливные смеси вплоть до максимальных режимов, включая крейсерский.

Двухзонная камера сгорания фирмы Pratl-Whitney

Рис. 1.4. Двухзонная камера сгорания фирмы Pratl-Whitney:

  • 1 - пилотная зона;
  • 2 - основная зона;
  • 3 - сегментная стенка жаровой трубы

На рис. 1.5 показаны зависимости эмиссии N0* от тяги двигателя для традиционной и двухзонной камер сгорания. В последней работает только пилотная зона вплоть до режима малого газа, обеспечивая прекрасную работоспособность и низкие уровни эмиссии СО и НС. При увеличении тяги вступает в работу основная зона камеры сгорания, обеспечивая эффективное сгорание топлива даже при низких отношениях топливо/воздух. Распределение топлива между пилотной и основной зонами может быть отрегулировано для обеспечения оптимальных отношений топливо/воздух в обеих зонах на режимах большой тяги, обеспечивая низкую эмиссию N0*.

2 -?

Рис. 1.5. Уменьшение эмиссии N04 в двухзонной

камере сгорания:

  • 1 - NCX; 2 - режим работы двигателя;
  • 3 - режим малого газа;
  • 4 — традиционная камера сгорания,
  • 5 - двухзонная камера сгорания

Эмиссия NOx в двухзонной КС в течение стандартного цикла режимов работы двигателя, установленного Международной организацией гражданской авиации (ICAO), снизилась на 40 %, на крейсерском режиме — на 50 % по сравнению с традиционной КС.

Фирмы Pratt-Whitney и General Electric, а также NASA работают [10] над созданием камер сгорания со сверхнизкой эмиссией N0* на крейсерском режиме - не более 5 грамм на каждый килограмм сгоревшего топлива, что более чем на 75 % меньше эмиссии NOx у лучших современных дозвуковых гражданских самолетов. Исходя из колоколообразной формы зависимости эмиссии от соотношения топливо/воздух, можно определить, что для уменьшения эмиссии NOx нужно сжигать бедные или богатые смеси в основной зоне камеры сгорания.

На рис. 1.6 показаны две основные исследуемые концепции для решения данной проблемы.

Концепция камер сгорания со сверхнизком эмиссией N0*

Рис. 1.6. Концепция камер сгорания со сверхнизком эмиссией N0*:

  • 1 - N0*; 2 - отношение топливо/воздух;
  • 3 - бедные смеси; 4 - богатые смеси;
  • 5 бедные смеси с предварительным испарением и смешением топлива с воздухом;
  • 6 - богатые смеси с быстрым охлаждением продуктов сгорания

Первая заключается в сжигании обедненной топливовоздушной смеси. При этом топливо не впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, а предварительно перемешивается с некоторым количеством воздуха и испаряется до подачи в зону горения.

Вторая концепция заключается в сжигании обогащенной смеси в первичной зоне камеры на режимах большой тяги и быстром охлаждении продуктов сгорания до существенно меньших температур в высокоэффективной камере смешения. Данная концепция позволяет снизить эмиссию N0* за счет пониженных температур газов в первичной зоне (сжигание богатых смесей) и затем уменьшить время пребывания (быстрый нагрев и охлаждение газов). Температура в первичной зоне такой камеры должна быть выбрана таким образом, чтобы избежать значительного образования дыма.

На рис. 1.7-1.9 представлены малоэмиссионные камеры сгорания с различными схемами организации процесса горения, предложенными ЦИАМ [43, 45]:

  • - с диффузионным механизмом горения многомодульная, однорядная, с двухъярусным завихрителем, регулируемая, двухтопливная двухзонная;
  • - с комбинированной схемой - многофорсуночная трубчатая (типа ПС-90А) и многофорсуночная кольцевая (типа АЛ-31Ф);
  • - на предварительно перемешанной «бедной» топливовоздушной смеси-модульные камеры сгорания.

Одним из способов достижения удовлетворительных характеристик при использовании высокотемпературных камер сгорания, работающих в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха, является перераспределение воздуха по длине жаровой трубы на различных режимах работы. Разработана камера сгорания с завихрительным фронтовым устройством изменяемой площади проходного сечения (рис. 1.7). Во фронтовом устройстве этой камеры размещены два соосных завихрителя: внутренний с постоянной площадью проходного сечения и внешний с регулируемой. В этой камере в широком диапазоне изменения режимов работы (ак = 2-6) достигается снижение эмиссии N0* в 1,4 раза по

сравнению с уровнем эмиссии традиционных камер, высокая полнота сгорания и низкий уровень дымления (рис. 1.8).

Камера сгорания с регулируемым фронтовым устройством

Рис. 1.7. Камера сгорания с регулируемым фронтовым устройством

Доля воздуха во фронт, % Число дымности. БИ ЫМОх, г/кг тоня

Стопом», открытия заяихритолп

Рис. 1.8. Характеристики камеры сгорания с регулируемым фронтовым устройством

На рис. 1.9 представлена двухзонная камера сгорания с по следовательно расположенными зонами. Существенное сниже

ние эмиссии ЫОх и высокий уровень полноты сгорания достигаются в этой камере благодаря уменьшению времени пребывания и интенсификации смешения топлива и воздуха путем подачи топлива в каждую из четырех горелок через несколько форсунок. Сопоставление с характеристиками камер традиционной схемы показывает, что экспериментальная двухзонная камера сгорания, работающая на керосине и природном газе, обеспечивает примерно двухкратное снижение эмиссии Ж)х (рис. 1.10).

ГАЗ ЖИДКОЕ ТОПЛИВО

Двухзонная двухтопливная камера сгорания

Рис. 1.9. Двухзонная двухтопливная камера сгорания

Коми«*иIрация окьида азота, мг/нм-*

Уровень эмиссии оксидов азота двухзонной камеры сгорания при

Рис. 1.10. Уровень эмиссии оксидов азота двухзонной камеры сгорания при

работе на керосине и газе

Испытана комбинированная схема применительно к камерам сгорания кольцевого и трубчатого типов. Для перемешивания топливовоздушной смеси камера традиционной схемы была снабжена дополнительными топливными форсунками, установленными в первом ряду основных воздушных отверстий. Это позволило значительно снизить выбросы N0* (до 2-4 раз).

Модульная камера, разработанная для сжигания стехиометрических смесей, по способу организации процесса приближается к схеме с переобогащенной первичной зоной («богатая — бедная»), В отличие от камер традиционной схемы, в которых через голов*гую часть жаровой трубы подводится 20-40 % воздуха, в модульной камере эта доля превышает 80-85 %. Вместо равномерного распределения топлива по сечению жаровой трубы предлагается смешивать топливо с воздухом внутри специальных горелок — модулей (рис. 1.11).

Модульная камера сгорания

Рис. 1.11. Модульная камера сгорания:

  • 1 - форсунки; 2 - модули;
  • 3 - насадок для измерения пульсации давления;
  • 4, 5 - насадок и гребенка газового анализа;
  • 6 - смесители; 7 - экспериментальные панели охлаждения

На рис. 1.12 приведены сравнительные данные об эмиссии ЫОх различных камер сгорания: традиционной схемы — с большими временами пребывания (1), с уменьшенным временем пребывания и улучшенным смесеобразованием (2), с регулируемым составом смеси, в частности, двухзонных камер (3) и модульных (4). Область 4 соответствует целевым задачам ЫА5А и ЦИАМ. Эмиссия Ы0Х модульной камерой находится на верхней границе этой зоны.

Зависимость индекса эмиссии от температуры воздуха за компрессором

Рис. 1.12. Зависимость индекса эмиссии от температуры воздуха за компрессором

500 600 700 ВО О Т}К

Схемы камер сгорания CFM1 (DAC, TAPS)

Рис. 1.13. Схемы камер сгорания CFM1 (DAC, TAPS)

Схема двухзонной камеры сгорания

Рис. 1.14. Схема двухзонной камеры сгорания:

1 - модуль LPP для предварительного распыливания, испарения и смешения жидкого топлива с воздухом

В обзоре [46] рассмотрены различные схемы современных и разрабатываемых за рубежом в настоящее время камер сгорания авиационных двигателей. Представлены всевозможные схемы: с одной (SAC) или двумя (DAC) зонами горения, новая схема TAPS, схемы с богатой первичной зоной, быстрым смешением и горением бедной топливо-воздушной смеси (RQL), схемы с предварительным смешением и горением бедной смеси (LPP), а также различные комбинированные схемы (рис. 1.13, 1.14).

Наибольшими потенциальными возможностями обладают схемы LPP, обеспечивающие предварительное смешение и испарение топлива в потоке воздуха до зоны горения, или смешанные схемы, имеющие в своем составе современные смеси-

тельные элементы наряду с элементами, обеспечивающими устойчивость процесса горения.

Последнее достижение — камера сгорания концепции TVC (горение с вихреобразованием в нишах), разработанная научно-исследовательской лабораторией ВВС США в сотрудничестве с General Electric [46, 47]. Революционная технология TVC, используемая при проектировании камеры сгорания (рис. 1.15), расширяет диапазон полетных режимов самолетов и снижает эмиссию NOx на 55 % и летучих органических соединений на 50 % по сравнению с эмиссией находящихся в эксплуатации двигателей (рис. 1.16).

Схема камеры сгорания ТУС

Рис. 1.15. Схема камеры сгорания ТУС:

  • 1 - подача топливовоздушной смеси в нишу; 2 - двойной вихрь в нише;
  • 3 - добавление воздуха в нишу;
  • 4 - основной воздух;
  • 5 - основной воздух + основное топливо;
  • 6 - хорошо смешанные горячие газы
  • 500л

« л X

О

2

давление, атм.

Рис. 1.16. Зависимость индекса эмиссии N0, от давления в камере сгорания (а.г=2). Камера сгорания:

  • 1 обычная конструкция;
  • 2 - двухзонная кольцевая; 3 - ТУС;
  • 4 идеальная конструкция

Камера сгорания ТУС отличается высокой устойчивостью горения, т.к. в нишах образуется устойчивое рециркуляционное вихревое течение, защищенное от основного потока в камере сгорания. Ниша выполняет роль пилотной (дежурной) зоны и является источником непрерывного воспламенения для основной зоны КС, помогая поддерживать пламя во всем диапазоне полетных режимов. Такое взаимодействие между потоками в нишах и в основной зоне КС значительно улучшает смешение, благодаря чему КС может быть выполнена более короткой и компактной. Низкий уровень эмиссии N0* получают, главным образом, благодаря лучшему смешению топлива и воздуха в нишах и во фронтовом устройстве КС.

Исследуются камеры сгорания ТУС с лепестковым смесителем, улучшающим перемешивание (рис. 1.17).

ВХОД

воздуха

к*

воздушный поток с М=1

ниша с вихренм

лепестковый

смеситель

из камеры сгорания повышенного давления

Камера сгорания ТУС с лепестковым смесителем (а)

Рис. 1.17. Камера сгорания ТУС с лепестковым смесителем (а),

лепестковый смеситель (б)

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >