Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Авиационная экология. Воздействие авиационных горюче-смазочных материалов на окружающую среду

Эмиссия вредных веществ авиационными двигателями

и 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 (МОх), 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. 1МОх 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 (>ЮХ, 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 распыливания 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 МОх 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 - Ж)х - высокая температура газов

В табл. 1.1. приведены индексы эмиссий загрязняющих веществ (Ы0Х, 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 БОг. 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 раооты двигателя

Особую опасность представляют канцерогенные (и мутагенные; полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые присутствуют в малых концентрациях (несколько мкг/м3) в продуктах сгорания любого нефтяного топлива. Химическая сдабильность Г1АУ позволяет им постепенно накапливаться в среде обитания. Кроме того, 11АУ характеризуются

ю

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

Таблица 1.1

Индексы эмиссий загрязняющих веществ ГТД

Тип самолета

и

двигателей

Режим работы

Индекс эмиссии*, г/кг топлива

НС

СО

N0*

Холостой ход,

45,5

18,9

1,2

ЯК-40

руление

Взлет

0,2

10

8

(ТВД АИ - 25)

Набор высоты

0,2

10

7,7

Заход на посадку

2,7

44

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 ТДТАМ 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(«)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 (СОг, ГЬО), 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 исследований по влиянию авиации на атмосферные процессы дан в работе [1]. Рассмотрены неравновесные процессы в газовом тракте реактивных двигателей и спутной струс, 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 N0* 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 спектра 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 исключи тельной 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.

Ж)х 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 Ж)х 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 N02, 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]:

N02+ОН* -? НЖ>3;

802 + ОН* —* Ш0*3;

Н80*3 + 02 —> Н0*2 + 803;

803 + Н20 — Н2804;

Ы02 + 03 —» N6)3 + 02;

N01 + N02 -> N205;

N205 + Н20 — 2ЬШ03.

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 физико-химических процессов, определяющих образование различных соединений 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 ИОх, углерода СОх и водорода НОх, но и сернистых соединений БОх, Н80з, НгБО^ элементов группы НЬЮу, МхНу, СхНу02, ионов и др.

В.Р.Кузнецовым на основании подходов, проверенных на турбулентном диффузионном факеле, разработан интегральный метод расчета индекса эмиссии натурных камер сгорания ГТД [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;

сот* = }^мох (2)б2 - эффективная скорость окисления азота; о

Ра 'К

т = - характерное время пребывания в камере;

Са

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

жаровой трубы; Са - расход воздуха через камеру; Ъ - восстановленная концентрация горючего; индекс 5 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).

ЕШОх

103 'Уко,

р5ме(ї

Рис. 1.3. Экспериментальные и расчетные значения индекса эмиссии оксидов азота: о - СР6-50; • - Л9Е>-7; а - КБ-401; * - СРМ56;

д-ЛЗО-7; а-ЛЖИ 7; 0-ТРР731-2;

? - Ли-25; « - Д-36; + - НК-8-2У; * - ПС90А;

V - Д-30А; ? - Д-30КУ; © - Д-30КП; © - Д-18Т

Разработана [36-38] новая кинетическая модель процессов образования И-, Н-, С-, 5 - 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, N02, СО, С02, Н20 и Б02, могут присутствовать также 803, БО, Н280з, Н2804, НЫ02, НЫ03, N26), N6)3 и другие нейтральные компоненты, а также ионы Н8СГ4, N0^, N0^, С2Н30+, N0*, Н30+.

Разработана [39, 40] квазиодномерная модель течения химически неравновесного газа в турбине и сопле ГТД. С использованием расширенной кинетической модели, включающей 242 реакции элементов групп Ж)х, С0Х, Б0Х, Н0Х, ЬШ0у, СХНУ, ИХНУ, С^у СхНу02, а также N20, НБОз, 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, БОг, NN02, N20, HN03, N03, ЭОз, ИБО*

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 И-, Б-, Н- и С1-содержащих компонентов [27]. Установлено, что вследствие взаимодействия элементов группы N0X 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 СШОз— в 400 раз. Взаимодействие СНз с N02 и Ы03 приводит к возникновению новых компонентов СН3Ж)2 и СН3ЫОз.

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 80г 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 802 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 N0, N02, NN0, РШОг, НЖ)з, но и СО, СН2О, СНзМ) и хлорсодержащие компоненты

С1, 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, N0, N02, частицы сажи), но и для малых составляющих продуктов сгорания (80х, Н80у, NOy,

НОх, СХНУ, ЫХНУ 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 [1], наряду с расширением натурных исследований в ближнем поле струи 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 Н2О. 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 NOx. 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 NASA считает снижение уровня выбросов оксидов азота относительно существующих норм в 3 раза.

Преимущественно образование NOx 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 NOx находится в степенной зависимости от температуры пламени.

Снижение эмиссии NOx 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 мере увеличения тяги двигателя и тем самым уменьшать выбросы Ж)х. 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 РгаДЛУЬДпсу

Рис. 1.4. Двухзонная камера сгорания фирмы РгаДЛУЬДпсу:

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

На рис. 1.5 показаны зависимости эмиссии Ж)х 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 Ж)х.

2 -*

Рис. 1.5. Уменьшение эмиссии NOx в двухзонной

камере сгорания:

  • 1 - NOx; 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 NOx 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 сверхнизкой эмиссией N0*

Рис. 1.6. Концепция камер сгорания со сверхнизкой 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 ТЮХ 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 {сск = 2-6) достигается снижение эмиссии ГЮХ 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, БЫ ЕІІМОх, г/кг топя

Характеристики камеры сгорания с регулируемым фронтовым устройством

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 Ж)х 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 ЫОх (рис. 1.10).

ГАЗ ЖИДКОЕ ТОПЛИВО

Двухзонная двухтопливная камера сгорания

Рис. 1.9. Двухзонная двухтопливная камера сгорания

Концентрация оксида азота, мг/нм3

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 ЫОх (до 2-4 раз).

Модульная камера, разработанная для сжигания стехиометрических смесей, по способу организации процесса приближается к схеме с переобогащенпой первичной зоной («богатая — бедная»). В отличие от камер традиционной схемы, в которых через головную 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. 1.1 1).

Модульная камера сгорания

Рис. 1.11. Модульная камера сгорания:

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

На рис. 1.12 приведены сравнительные данные об эмиссии Ж)х 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 ЫАБА и ЦИАМ. Эмиссия 1ЧОх модульной камерой находится на верхней границе этой зоны.

г'/кг

Зависимость индекса эмиссии от температуры воздуха за компрессором

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

Схемы камер сгорания CFMI (DAC, TAPS)

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

Схема двухзонной камеры сгорания

Рис. 1.14. Схема двухзонной камеры сгорания:

1 - модуль LPP для предварительного распиливания, 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
Зависимость индекса эмиссии N0* от давления в камере сгорания (а^=2). Камера сгорания

Рис. 1.16. Зависимость индекса эмиссии N0* от давления в камере сгорания (а^=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).

зз

воздушный поток с М-1

вход

воздуха

лепестковый

смеситель

из камеры сгорания повышенного давления

ниша с вихренм

Камера сгорания ТУС с лепестковым смесителем (а)

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

лепестковый смеситель (б)

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 
Популярные страницы