автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование влияние химсостава топлива на образование и выбров бенз(а)пирена при сжигании углеводородных топлив в камерах сгорания ГТД

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННИК АЗР0К0СМИЧЕСШ ЗНИВЕРСНТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА

Р Г Б ОД На правах рукописи

-5 сен 1994

ОРЛОВ МИХАИЛ ОРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМСОСТАВА ТОПЛИВА НА ОБРАЗОВАНИЕ И ВЫБРОС БЕНЗСАШРЕНА ПРИ С5ИГАНИИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГТД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, двигатели

летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нацк

Сахара 1994

Работа выполнена и Самарском государственной аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ : доктор технических наук.

профессор ЛУКАЧЕВ C.B.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук,

профессор ДПННЛЬЧЕНКО В.П. кандидат технических наук, профессор БАКИРОВ Ф.Г.

ВЕДЫДАЗ ОРГАНИЗАЦИЯ : Центральный институт

авиамоторостроениа им. П.И.БАРОНОВА

Защита состоится "____________ 1994 г. в^______часов

на заседании диссертационного совета Д 063.87.01 при Самарском государственном азрокосмическом университете имени академика С.П.КОРОЛЕВА по адресу: 443086,г. Самара, Московское воссе. 34.

С диссертацией xoiho ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета

Автореферат разослан "_____*___________ 1994 г.

НЧЕНЫИ СЕКРЕТАРЬ

ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА А.Н.КОПТЕВ

ОБЦАЗ ХПРйКТЕРИСТИКй РЙБОТ11

Актуальность темы. В выхлопе авиационных ГТД содержится больное количество вредных вецеств. Международная организация гражданской авиации СIСА0) нормирует выбросы окиси углерода (СО), окислов азота (нох), дыма и несгоревяих углеводородов (НС). Под последними подразумевается целый спектр органических соединений, в том числе и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), обладавцие повыаенной канцерогенной и (или) мутагенной активностью (т.е.способность«) вызывать раковые заболевания у живых организмов и мутацию клеток). Индикатором присутствия ПДУ в загрЯзняицих веществах принято считать бенз(а)пирен (БП). как один из наиболвэ сильных по воздействии и стабильных канцерогенов, отсутствия которого не было обнаружено ни в одном исследовании при наличии других ПАЯ. Органами здравоохранения приняты предельно-допустимые концентрации (ПДК) для БП, которые на 4...6 порядков жестче, чем соответствуйте величины для НС, СО, ИОх и дыма. Так. например, ПДК БП в воздухе рабочей зоны составляет 0,15-10 Змг/м5,а ПДК для СО -20 мг/м*. Это свидетельствует о реальности угрозы здоровью людей со стороны БП даже в случае попадания микродоз его в атмосферу и, следовательно,о необходимости борьбы за уменьвение этих выбросов.

Согласно имевшимся данных по отечественным авиационным двигателям, в их выхлопных газах содерхится 40...450 «кг БП на килограмм? сгореваего топлива, что на 5...6 порядков ниже уровня выбросов НС, СО, Шх . Однако, с учётом того, что ПДК БП во столько же раз меньие ПДК других токсичных веществ, оказывается, что условный относительный вклад БП в загрязнение окружающей среды выбросами ГТД составляет 20...40 X в зависи-

иости от рехима работы двигатели, что сопоставимо с вкладом СО и КОх и суцественно превышает соответстиупщув величину для НС.

. Приникая во вникание тот факт, что помимо БП в отраб.отавиих газах ГТД содерхатся и другие канцерогенные ПДЗ. можно говорить о значительном вкладе ..группы канцерогенных ПАН в общее загрязнение окружавщей среды вредными веществами, содерхащими-ся в выхлопе ГТД.

Возникавшая в последнее время необходимость применения топлив, отличавшихся по химсоставу от тоилив высокой очистки и непрерывное ухудаение экологической обстановки делавт проблему уменьаения загрязнения атмосферы канцерогенными выбросами ГТД чрезвычайно актуальной. Проведенные к настоящему времени экспериментальные исследования не смогли дать ответа на вопрос о взаимосвязи между химсоставом топлива и уровнем образования БП. .Это мохно объяснить как тем, что исследования проводились преимущественно на иолноразмерных двигателях, рабочий процесс которых отличается чрезвычайной слохностьв и зависит от ряда факторов, изменявшихся по рехиму работы (давление.температура на входе в камеру сгорания (КС), качество смесеобразования и т.д.), так и использованием в некоторых случаях несовераенных методов отбора проб и их анализа. Работ но изученив процесса выгорания БП при подаче вторичного воздуха до настоящего времени не проводилось. В связи с этим экспериментальное изучение влияния химсостава топлива на образование БП и процесса выгорания БП в модельных условиях имеет приоритетное значение, так как по другим факторам, определявшим выброс БП КС ГТД: температура, давление, качество смесеобразования, состав топливо-воздумной смеси (TBC), ухе получены достоверные данные о механизме их воздействия на выход БП из КС. Реиение этой проблемы мохет быть выполнено ливь путем глубоких научных исследований

механизмоз образования и выгорания БП и разработки на этой основе методов уменьшения его выбросов. Данная работа была начата в соответствии с Постановлением ГКНТ СССР N 555 от 30.10.85 и научно-технической программой "Полет" Министерства авиационной промыяленности.

Цель работы. Выявление влияния химсостава топлива на образование и выброс бенз(а)пирена при схигании углеводородных топлив в КС ГТД, разработка рекомендаций, направленных на сни-хение уровня выбросов бензСа)пирена с выхлопными газами авиационных ГТД.

Задачи исследования. Экспериментально исследовать влияние химсостава топлива на образование бенз(а)пирена при горении гомогенной топливовоздуиной смеси в модельных условиях. Экспе-' риментально исследовать влияние химсостава топлива и выгорания бенз(а)пирена на уровень выброса бензСа )пирена КС ГТД и разработать рекомендации по его снижении.

Научная новизна работы. В результате проведенного исследования установлена зависимость массового выхода 5П ( 1бп, мкг БП/кг сгоревяего топлива ) при схигании углеводородных топлив от молекулярной структуры топлива и содер*анкя в нём водорода. Проведена оценка влияния moho-, бицикдических и полициклических ароматических углеводородов на уровень выхода БП при различных временах пребывания продуктов сгорания (¿пр) в модельной КС. Показано, что выгорание БП при подаче вторичного воздуха лимитируется условиями смеиения воздуха с продуктами сгорания а не химической кинетикой. Получены экспериментальные данные по распределения концентраций БП ( Сбп.г/м3)по длине и радиусу КС традиционной схемы, свидетельствупцие о сучествен-ном вкладе в суммарный выброс БП КС со стороны пристеночного слоя, где реакции выгорания БП"замороаены"из-за низких темпе-

ратур. Экспериментальный путем установлено, что влияние химсостава топлива на выброс БП КС ГТД сопоставимо с влиянием такого фактора как качество смесеобразования.

Практическая ценность работы. Результаты исследования позволяет проанализировать и оценить влияние вида используемого на *конкретном изделии топлива на интенсивность образования БП в зоне горения, показывают возможность существенного снижения выброса БП за счет качественной организации его выгорания, подачи воды в первичнуп зону и улучшения мелкости распиливания.

Результаты работы использованы на предприятиях авиационной промынленности, ЦИАН, 1(113 "САТУРН", АО СШ, а такхе АО АвтоВАЗ •Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались: на Всесовзной научно-технической конференции "Газотурбинные и комбинированные установки" ОПТУ им. Баумана. Хосква 1991); на научно-техническом совете отдела 005 ЦИАН (Москва 1988, 1989, 1990 ); на Всесовзной научно-технической конференции "Образование и выброс канцерогенных углеводородов с продуктами сгорания томлив" (Самара 1991 ). на НТС каф. "Теория двигателей летательных аппаратов" СГАУ (Самара 1991, . 1994' на НТС каф. "Теплотехника и тепловые двигатели" СГА9 (Самара 1994 ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа излохена на 160 страницах машинописного текста, содержит.54 рисунка и 6 таблиц. Список использованных источников содержит 149 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

'Первая-тлава посвяцена анализу современного состояния воп--

роса и постановке цели и задач исследования.

Анализ опубликованных работ показывает, что существующие гипотетические схемы механизма образования БП. созданные Г.М.Бедхером, Н.В. Лавровым, С.К. Рейем и Р. Лонгом, сходятся в том, что механизм образования БП из алифатических и ароматических углеводородов носит различный характер, а БП является промехуточным продуктом в процессе сахеобразования.

По вопросам образования БП к настоящему времени проведен значительный объем экспериментальных исследований, большая часть из которых выполнена в СГАУ Ы.А.Кнывом, С.В.Лукачевым, А.В.Ивлиевым, В.Г.Розно. С.Г.Матвеевым. А.Ф.Урывским, М.В.Ани-симовым. В результате, удалось выявить ряд основных факторов, определявших уровень выброса БП ГТД: состав топливовоздувной смеси; качество смесеобразования; температура и давление; условия выгорания БП; род топлива. Вместе с тем, если влияние первых трех факторов на уровень образования БП было достаточно подробно изучено, в том числе и в модельных исследованиях, а закономерности этих явлений выявлены и теоретически обоснованы. то для выгорания БП подобных исследований не проводилось вовсе, а результаты работ по выявлении взаимосвязи мехду химсоставом топлив и уровнями выбросов БП толливосхигавщими устройствами носят противоречивый характер и не давт даже качественного ответа по этому вопросу.

При отсутствии достоверных данных о влиянии рода топлива на образование БП.и в соответствии с гипотезой о образовании БП, как промежуточном этапе в процессе сахеообразования,11редс-тавляется целесообразным провести анализ работ по изучение взаимосвязи мехду химическим составом топлива и сахеообразова-нием, так как в настоящее время эта проблема изучена более

тцательно. Результаты этого анализа позволили предполохить, что по аналогии с сахей выход БП долхен зависеть от молекулярной структуры топлива (в частности от наличия ароматических ■ углеводородов) и от процентного содерхания водорода в нём . На основании этого вывода с учетом необходимости изучения процесса выгорания БП была поставлена цель и сформулированы задачи исследования.

Вторая глава содержит описание экспериментальных стендов и моделей, а также методических вопросов определения концентрации БП.

Основные рехимы работы модельных установок соответствовали условиям рабочего процесса в первичной зоне камеры сгорания авиационных ГТД (характер горения - турбулентный, время пребывания - 1...30 мс, состав TBC -„¿< 1.) Опыты проводились при атмосферном давлении.

Исследование влияния химсостава топлива на образование БП проводилось в цилиндрической камере из кварцевого стекла (внутренний диаметр 0,057 м). Воспламенение смеси происходило . • за стабилизирующей реиеткой с сотовым расположением 88 отверстий диаметром 1*10 Зм, перед которой была установлена выравнивавшая рематка, служащая также для предотвращения проскока пламени. Для исклпчения влияния качества смесеобразования при работе на жидких топливах воздух поступал в электроподогреватель, который обеспечивал его нагрев до 750 К, а топливо подавалось в воздухнув струп, на. выходе из теплообменника и распиливалось но пневматическому принципу. В модель подавалась гомогенная TBC, для получения которой мехду модельной камерой и местом впрыска топлива была установлена витая- трубка длиной 1 м и внутренним диаметром 10*10"V Проверка полноты испарения жидкого топлива была проведена как расчетным, так и экспери-

влял'ось при горении гомогенных топливовоздуаных смесей с«¿=0.5 и предварительной испарении смесевых топлив.

Сжигание двух топлен без ароматических углеводородов- (пропан, изооктан) и топлива РТ (до 20 'А ароматических углеводородов по массе.) позволило установить (рис. 1). что зависимость массового выхода БП от времени пребывания для топлива содержащего ароматические составляичие имеет качественное отличие. Если для топлив без ароматикн при временах пребывания порядка 20 мс выход БП с продуктами сгорания достигает максимальной величины и далее,с ростом времени пребывания в реакционной трубе не изменяется, то для топлива РТ при временах пребывания больших 20 мс характерно резкое снижение выхода БП при существенно болыем значении его максимальной величины. Данный эксперимент показал значительное влияние ароматических углеводородов, содержащихся в топливе, на уровень выхода БП при его сгорании, но не позволил оценить вклад каждой из ароматических составляющих в величину выхода БП вследствие сложного химического состава РТ.

Анализ химического состава стандартных реактивных и автомобильных топлиз свидетельствует, что первые в большинстве своём состоят из парафинов, нафтенов (близких к парафинах по склонности к сажеобразованип) и ароматических углеводородов, а вторые из парафинов и ароматических углеводородов. "Среднее содержание. ароматических углеводородов в реактивных и автомобильных тоиливах по объему соответственно составляет: моноциклических 20 и 40 V, бициклических 1 и 5 X; ПАН (БПИ.. .2.0 мкодгг .топлива^- и 100...400 мкг/кг топлива. Состав исследуемых смесевых топлив подбирался в соответствии с приведенными значениями и с учётом прогнозируемого роста содержания ароматических углеводородов в альтернативных авиационных топливах.

ментальным путем.

Для. исследования выгорания 5П была разработана модель, обеспечивающая двухстадийиое сжигание пропана. Камера сгорания слухила генераторо%м БП. а изучение выгорания 5П проводилось в факеле, формируемом установленным на ней соплом с внутренним диаметром ) 28* 10 Зм. Для получения различных начальных уровней концентрации БП на срезе .сопла конструкция установки предусматривала возможность сжигания предварительно подготовленной гомогенной пропано-воздувной смеси или диффузионного горения пропана в объеме камеры сгорания.

Для изучения выбросов БП натурной КС использовался экспериментальный стенд Самарского государственного аэрокосмического университета, дополнительно оборудованный системами, обеспечивавшими подачу воды или воздуха в двухкаскаднув топливную Форсунку.

Как показал анализ точности измерений, стендовые параметры ( коэффициент избытка воздуха сД расходы топлива и воздуха, температура ТВС. и т.д.) определялись с погреиностьв не более 7.4 X.

Определение концентрации БП проводилось по методике, разработанной в СГАУ и рекомендованной ЦЯАМ для анализа проб продуктов сгорания на содержание БП. Статистический анализ точности определения Сбп для данной методики показал, что с доверительной вероятностьв 0,95 погревность определения среднего значения (для 16 опытов) составляет ± 6,7 а погрешность единичного измерения ± 12,6 % при уровнях концентрации БП 0,1...10 мкг/м*.

Третья глава посвящена исследовании влияния химического состава топлива на образование БП в модельных условиях.

В экспериментальном плане изучение этого вопроса осущест-

При изучении роли моноциклических ароматических углеводородов в процессе образования БП исследовалось горение 4-х сме-севых топлив на базе изооктана с добавками 20 и 40 X бензола и толуола по объему (рис. 2). Пробы отбирались в точках соответствующих 7пр = 10 и 30 мс. Полученные результаты показывают, что добавки моноциклических ароматических углеводородов при Тпр= 10 мс ведут к существенному росту массового выхода БП. тогда как при £~пр = 30 мс он изменяется незначительно, это соответствует данным предыдущего эксперимента и свидетельствует об экстреиальном характере изменения уровня выхода БП по времени пребывания для топлив содерхацих ароматические составляйте.

С цельв изучения влияния бициклических ароматических углеводородов на уровень выхода БП схигался изооктан с добавкой 2 и 5 X c¿ - иетилнафталина. Точки отбора проб соответствовали 10 и 30 мс. Полученные графики (рис. 3) свидетельствуют об аналогии влияния моно- и бициклических ароматических углеводородов на уровень выхода БП. Следует отметить и тот факт,что бицикли-ческие углеводороды в более значительной степени влияют на образование БП при Tiip = 10 мс, так как при добавке 2 7. °¿ - иетилнафталина достигается уровень выхода БП соответствуюций добавке 20 X моноциклических углеводородов.

На рис. 3 для сравнения нанесены данные по массовому выходу сахи. Видно, что при падении выхода БП с ростом времени пребывания наблюдается интенсивное сахеобразование. что мохет быть объяснено переходом ПАЯ в саху , так как в условиях данного эксперимента (°¿= 0,5; недостаток кислорода и отсутствие подмеяивания воздуха извне) уменьяение уровня выхода БП за счет выгорания невозможно.

Данные, полученные при сжигании изооктана с добавками ПАЗ

(в качестве которого Аспользовался БП, как один из наиболее характерных представителен ПйУ) представлены на рис.4. Они свидетельствуют о качественно аналогичном влиянии БП на уровень выхода БП ио сравнению с «оно- и бициклическиыи ароматическими углеводородами. Характерно, что рост выхода БП при сжигании топлива с добавкой ПАУ происходит при минимальном из-( менении состава исходного топлива, так как добавки БП в объем-них и массовых долях составляли величины менее 1*10 X.

Для удобства анализа данных представленных на рис. 2...4 , был построен график зависимостей выхода БП от массового содержания водорода в исследуемых смесевых топливах. Полученные зависимости показывают, что уменьиение содержания водорода в топливе ведёт к увеличению уровня выхода БП, однако определяющее влияние на выход БП оказывает молекулярная структура добавок в топливо, а не отношение Н/С (рис.5). Так, сравнение данных по выходу БП для топлив с добавками моно- и бициклических ароматических углеводородов при одинаковом содержании водорода показывает, что во втором случае уровень выхода БП достигает больаих значенией. это отражается в различных углах наклона линий зависимостей к осям координат. Наиболее ярко влияние молекулярной структуры просматривается для смесевых топлив с добавками ПЙУ, где при практически неизменном.содержании водорода уровень, выхода БП интенсивно увеличивается с ростом добавки. Графики для анализа строились для Тпр =. 10 мс, так как для современных КС ГТД и ДВС-времена пребывания составляют соответственно величины порядка 5...10 и 0,2...10 мс.

Поскольку процессы горения в реальных двигателях протекают в мироком диапазоне локальных и, то для рассмотрения степенй их влияния при различных топливах был поставлен следующий эксперимент. При Тпр = 20 мс для пропана, изооктана и РТ были по-

лучены зависимости уровней выхода БП от o¿ (см. рис. б >. Представленные данные свидетельствуют, что в пламенах гомогенных TBC БП присутствует только в области U< 0,6. С обогащением смеси происходит экспоненциальное увеличение выхода БП. Для топ-лив с ароматикой и без нее характер зависимости 1бп = f(<¿) качественно не меняется при количественном различии уровней выхода БП и фиксированном Тпр. Из этого следует вывод, что дахе небольшие зоны горения богатых смесей сс(=0,3.. .0,4 могут оказать существенное влияние на выброс БП.

Проведенное модельное исследование показало, что уровни выхода БП при сжигании гомогенных TBC существенно зависят от химсостава топлива. Склонность различных топлив к образованию БП определяется молекулярной структурой, а конкретно-характе-ром и количественным содержанием в топливе ароматических углеводородов. Для топлив с добавками ароматических углеводородов одного типа (например бициклических) уровень выхода БП определяется содержанием водорода в топливе. Для времен пребывания характерных для КС ГТД наибольаее влияние на уровень выхода БП (с учетом содержания в топливе) оказывают моно- и бицикли-ческие ароматические углеводороды. Полученные данные подтверждают гипотезу об образовании ПЙУ ках этапе, предшествующей образованию сажи. Поскольку наличие ароматических углеводородов в топливе дает увеличение выхода БП за счет кинетических факторов в 3 ...4 раза,, а при суммарном влиянии однокольцевых и бициклических очевидно еще выше, то можно предположить, что оно будет существенным и в реальных КС, где как правило реализуется диффузионное горение. Другими словами, влияние химсостава топлива на процесс образования БП сопоставимо с влиянием качества смесеобразования.

В четвертой главе представлены результаты., исследования

закономерностей выгорания БП в модельных условиях. Исследование данного вопроса весьма актуально, так как содержание ПАЯ в продуктах сгорания ГТД определяется нротеканием двух конкурирующих процессов: иитенсииностыо образования ПйУ при' горении углеводородных топлив и эффективностью их выгорания. Анализ работ, посвященных исследованию закономерностей выгорания алифатических углеводородов (СНг ). позволил предположить что окисление ПЙУ происходит но такому хе механизму и определяется только качеством смевения продуктов сгорания со вторичным воздухом, т.е. чисто диффузионными факторами. Для экспериментальной проверки этой гипотезы необходимо иметь стабильный источник ПАЯ и организовать их выгорание в составе богатой TBC при турбулентном смемении с воздухом и заверяемых процессах синтеза БП. Эти условия были реализованы при.двухстадийной схеме сжигания на специально разработанной модельной установке. Для получения различных начальных условий осуществлялось горение как предварительно подготовленной гомогенной TBC (режим Г) так и раздельно подающихся в КС пропана и воздуха (режим Д). Основные результаты представлены на рис. 7...9. Видно, что СНГ интенсивно выгорают по оси факела. Данные по Нсн£ и оС хорошо обобщаются для режимов Г и Д, что говорит об одинаковых условиях горения и смевения и соответствует результатам работ Бу-рико и Кузнецова, согласно которым уровень СНГ определяется только местным значениеми не зависит от предистории процессов горения и смевения. Иная картина наблюдается для БП. В этом случае начальный уровень концентрации в значительной степени зависит от условий образования этого ПАЯ в КС (для режима Д уровень выве, чем для режима Г). Зта разница сохраняется на всем протяжении факела (в диапазоне x/d0 - 0...8), хотя кривые изменяются эквидистантно. Чтобы проанализировать полученные

данные исклвчив снижение Сбп только за счет разбавлении продуктов сгорания подмешивающимся воздухом, график для БП был перестроен в расчете на 1 кг восстановленного топлива (си. рис. 10). Так как дополнительное изменение Iбп возможно также за счет расходования БП на образование более тяжелых ПАУ, к соплу была временно пристыкована кварцевая труба, исклпчаввая возможность подменивания воздуха к продуктам сгорания истекающим из сопла, а следовательно и выгорание БП. Измерения показали, что Iбп в этом случае практически не меняется. Таким образом резкое падение Iбп вдоль оси факела обусловлено только интенсивным выгоранием БП. Полученные данные вместе с данными О-- изменении Сбп по радиусу факела в двух фиксированных сечениях х = 2,5 и 5<1о были обработаны в виде зависимостей <9бп>/<ЗГ>=([<ЭГ>) С см. рис.11), где Убп и 31"-осреднешше концентрации БП и алифатических углеводородов. Видно, что в любой точке факела отномение <Збп>/<9Г> с учетом погрешности измерений остается постоянным. Таким образом можно утверждать, что выгорание БП протекает по тем же закономерностям что и выгорание алифатических углеводородов и зависит только от эффективности смешения с воздухом. Поскольку изучение процесса выгорания БП проводилось при относительно больших величинах Тпр-до 15 мс, был поставлен эксперимент, позволявший сократить ¿пр примерно на порядок за счет установки перед соплом коллектора для высоконапорного вдува воздуха. Получанные данные показывает (рис. 12), что при интенсивном перемешивании продуктов сгорания с вторичным воздухом величину Iбп можно снизить на 2...3 порядка за время примерно равное 1...2 мс.

Пятад глава содержит описание исследований проведенных на натурных объектах, анализ результатов диссертационной работы применительно к рабочему процессу КС ГТД и рекомендации па

снихению выбросов БП с отработаввими газами.

Исследование характеристик выброса 7 двигателей (5 - авиационные ГТД и 2 - модификации для работы на природном газе, см. рис. 13) показало, что для всех двигателей наблюдается общая закономерность - увеличение рехима "ведет к уменьшению выброса БП и, кроме того, для двигателей работающих на газу имеет место существенно меньвий выброс БП. Изучение спектрального состава продуктов сгорания, проведенное на одном из двигателей, показало,что концентрации отдельных ПйУ в продуктах сгорания уменьваются при увеличении тяги, а их изменение в первом приближении соответствуют изменение концентрации БП - рис. 14.

Были проведены испытания натурной КС на двух видах топлива: ТС—i и ТС— i с добавкой 20 X толуола по объему кс=8,5). Для обеспечения одинаковых условий смесеобразования был использован пневмораспыл топлива за счет подвода воздуха к корню топливного факела. Отборы проб проводились в следующих сечениях КС:

I - в первичной зоне;

II - за первым рядом отверстий подвода вторичного воздуха:

III - в выходном сечении КС.

В первичной зоне КС (см. рис. 15) максимальная концентрация БП наблюдается в центральной зоне обратных токов, что связано с интенсивным пиролизом топлива в высокотемпературных продуктах реакции в' условиях дефицита кислорода. Некоторое увеличение'Сбп наблюдается и у стенки КС, куда БП попадает с крупными каплями сепарирующимися на периферию камеры. Такие зависимости изменения Сбп характерны для обоих топлив, хотя величины Сбп для ТС - 1 с добавкой толуола существенно выае, что свидетельствует о влиянии химсостава. На рис.Ю. показаны данные по измерению Сбп во. II и III сечениях КС. Видно, что вдув

вторичного воздуха приводит к интенсивному выгорании СП в ядре потока. В тоже время вблизи стенки КС снижение Сбп происходит только за счет разбавления продуктов сгорания вторичным воздухом. так как имеющийся здесь уровень температуры недостаточен для выгорания. В результате, на выходе из камеры Сбп в пристеночном слое оказывается выше,чем в ядре потока. Для сравнения на рисунках нанесены графики для ТС-1. полученные без пневмо-распила. их сопоставление с данными для ТС - Г полученными при подаче воздуха к корни факела показывает, что улучшение смесеобразования за счет снижения диаметра капель ведет к уменьшению выброса БП. На рис. 17 представлены данные по изучении возможности снижения выброса БП с помоги впрыска воды в первичнуп зону КС (¿кс=3.5). Полученные графики свидетельствуют о монотонном снижении NOx . незначительном изменении концентрации СО и росте содержания СНГ. Для БП имеется область'оптимальных соотношений расходов воды к расходу топлива (20...50 У.) при которых выброс этого вещества значительно меньше, чем в исходном варианте. # При этом полнота сгорания топлива сохраняется на прежнем уровне (95.52).что свидетельствует о целесообразности использования данного метода подавления выбросов БП. т.к. БП является гораздо более вредным веществом, чем СНс.

На основании проведенного исследования можно сделать вывод о том. что химсостав топлива наряду с качеством смесеобразования являптся важнейшими факторами, определяющими образование БП в КС. Рассмотрение всей группы факторов, определяющей выброс БП КС (состав TBC, качество смесеобразования, температура, »ид топлива и условия организации выгорания) позволяет разработать рекомендации по снижении выброса БП. которые и сокращенном виде можно свести к следующему: снижение содержания всего спектра ароматических углеводородов » топливе (а в иде-

альном случае переход на газообразное топливо,в той числе и не углеводородного состава), совершенствование фронтовых устройств, форсунок (как частный случай и.б. рассмотрено использование пневматических форсунок и форсунок с подводом вспомогательного воздуха), обеднение первичной зоны и схигание предварительно подготовленных TBC с < 0,6; использование двухзонных, каталитических КС и КС изменяемой геометрии, впрыск воды в первичнув зону КС, уменьшение расхода воздуха на иристеночнув завесу с целью снижения "замораживания" реакций в пристенном слое, обеспечение интенсивного перемешивания продуктов сгорания выходящих из первичной зоны КС со вторичным воздухом. Анализ перспективных схем малотоксичных КС разработанных для снижения выбросов НС , СО, НОх и дыма показывает, что заложенные в них решения соответствует рекомендуемым методам уменьшения выбросов БП. Относительно широко рекламируемого в печати перевода конверсируемых для наземного применения авиационных ГТД на использование дизельного топлива, топлив широкого фракционного состава с повышенным содержанием ароматики и синтетических топлив следует иметь в виду, что подобное мероприятие согласно результатам полученным в работе, без использования методов снижения выброса БП может привести к сильному ухудшение экологической обстановки с точки зрения канцерогенной опасности.

В U В 0 Д Н

1. Выявлено влияние химсостава топлива на образование и выброс БП КС ГТД, и установлено, что:

- уровень образования БП при горении углеводородного топлива определяется молекулярной структурой топлива, и в первую

очередь характером и количественным содержанием присутствующих в топливе ароматических углеводородов;

-при сжигании углеводородного топлива.содержащего- в своём составе ароматические углеводороды одного класса или топлива из углеводородов парафинового ряда, уровень образования БП зависит от количественного содержания водорода;

- вид зависимости массового выхода БП от времени пребывания продуктов сгорания в зоне горения определяется химсоставом топлива, а конкретно-содерханием или отсутствием в нём ароматических углеводородов;

- зависимость массового выхода БП от коэффициента избытка воздуха качественно одинакова для различных но химсоставу топ-лив и фиксированном Тир при существенном различии в уровнях выхода БП;

- влияние ароматических углеводородов на склонность к образованию БП усиливается в ряду: моноциклические - бициклические -полициклические.

2. Экспериментально установлено, что выгорание БП определяется диффузионными факторами, а не химической кинетикой.

3. Впрыск воды (при оптимальных отномениях расхода воды к расходу топлива, равных 20...50%) позволяет существенно снизить выброс БП КС ПД.

4. Выброс БП КС в значительной степени определяется процессами в пристеночном слое.

5. Разработаны рекомендации по снижении уровня выброса БП с отработавиими газами ГТД. Они сводятся к следующим основным направлениям:

- улучиения качества распиливания топлива;

- снижение сепарации капель-топлива на периферии КС;

- предварительная подготовка TBC;

- -20- создание условий для эффективного выгорания продуктов не-'полного сгорания во вторичной зоне КС за счет их интенсивно перемемивания с подающимся туда воздухом; - снижение "замораживания" реакций в пристенном слое КС.

Освовное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Влияние подые1ивания воздуха к горючему газу на распределение концентрации бенз(аЗпирена в диффузионном факеле /ЛУКАЧЕВ C.B.. ПНИСИМОВ М.В.. МАТВЕЕВ С.Г.. ОРЛОВ M.D./КуАбыиев. авиац. ин-т. - Куйбышев. 1988. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 23.03.88, К 2215-В88.

2. ОРЛОВ М.В. Исследование возможности выгорания канцерогенных веществ (полициклических ароматических углеводородов) / / Молодые ученые и специалисты - производству: Тезисы докл. обл. научно-техн. конф. - Самара, ноябрь 1990 г. - Самара, 1991. -С.58.

3. О закономерностях образования и выгорания бенз(а)пирена при сжигании алифатических углеводородов /ЛУКАЧЕВ C.B.. МАТВЕЕВ С. Г.. УР11ВСШ А.®., ОРЛОВ II.В: Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. конф. - Самара, 1-6 июля 1991 г. // Образование и выброс канцерогенных углеводородов с продуктами сгорания топлив, - Самара. - 1991. - С. 12 - 13.

4. О возможности снижения выброса 6енз(а)пирена с отработавми-ми газами ГТУ авиационного типа при использовании пневматического распиливания топлива /ЛЗШЕВ С. В., АБРАИКИН В.В., ЙНИ-СИМОВ М.В., ДИДЕНКО А.Д.. ОРЛОВ М.В. // Газотурбинные двигатели и установки: Тез. докл. и сообщений Всесоюзн. научн. конф., Москва. 19- 21 ноября 1991 г. - Москва. 1991. - С. 146.

5. МАТВЕЕВ С.Г., УРНВСШ А.Ф.. ОРЛОВ М.В. К вопросу о выгора-

' кг

6 5 4 3

г у

г •

1рт

1 1

/

/ \ • v

/ •п зош \ л ► и3£ ююс н

1 . 1

в 4

Ш

Тлр-ЗОНС-

¿7 к

О 10 20 30 $ензал,

о 10 20 30 40 5&тпр,мс Рис.1. Зависимость 1бп от времени пребывания Сс£=0._5)

О ГО 20 30 толуал,%(оЛен.)

Рис.2." Влияние моноциклических ароматических углеводородов на 1бп. (¿=0.5)

ыкг

Т Ш Лея, кг

Тпр'й - Тис

9 -Я

-г— V о

Г ■ / ТлрК Оме

О /. 2^ытша<ргаш

Рис.3. Влияние бициклических ароматических дглево-родов на 1бп (о^=0,5)

200

Рис.4. Влияние содерханил- БГГ в топливе на 1бп (^=0,5)

&

6 г

а -Г 1 1 1

% и «г стш афп иин

п

1 ■8 Г \ пропан

изо <Хю \

к 15 н <€ /7 н'л(иасс) 0,3 0,4 0,5 0,6 Рис.5. Зависимость 1бп от'со- Рис.б. Зависимость Сбл от держания водорода в топ- (Тпр=20 мс)

ливе (<¿=0,5: Гпр=10-мс)

- Л

-22-o¿

1,0

0.8

as

0 2 4 6 X/d9

Рис.7. Изменение CHZ вдоль оси факела

Cea,

ъг

юо ю

i 0.1

д>—

/

NN л

Л р

-

О 2 А 6 ХМ

Ркс.8. Изменение вдоль оси факела

leo, • нкг кг

1000 100 10 1

i

N

>

ъ

Рис.3. Изменение Сбп вдоль оси факела

а/и.

о г 4 € ш

Рис.10. Изменение Iбп вдоль оси факела

-5

-6 -7

»"Г А ЯЛ Л

-•0--!■--О- гИ— —' . — _ -

--- - Р.

1000 100

•2

-3 -4 Режим „А" РсжнмвГ* 10

9-по оси О-ПО ОСИ

n-vopabuycyü&d»)

¿ -рарадиусу(Sd,) у

л

Г

i *

8Эу8 Boidtpa

-20

20 40 тпр.мс

Ркс.11. Обобщение результатов Рис.12. Выгорание БП при подаче исследования выгорания вторичного воздуха

ЫКГ

ИГ 100

250

200

{50

100

50

1-трАа-1 г-трм-г

3-тод-з

4-Т8Д-Г

5-твяй.-1

17-Т8ЛД-3

О 25 50 75 Р,У.

Рис.13. Изменение выброса БП по рехиму'работы ГТД

мкг кг

1000 № 1О 4 0,1

о-хрчген

Ф^срлуарантен

д-пирен

А-Лн г (5) флуоронтен ф-Лн зпернлен + -5сн1[а1антрацея О-&ен1(а]пирен ж-<Гсиу(е)пирен

рахтсн

V-кopoнe>^

0-дц?ею&Ыантраиен

ф.лермден

д-3 и^еяг(а^)пирен

О .10 20 -30 Р/Л

Рис.14. Изменение выбросов' ПАЗ по рехиму работы ТРДД-1

ТТсечеяие

щ

« .—

Шсечение.

• -ТС-1+толуол \ 0,0 -ТС-1 : „„Сыэууа

(¿топлива •;0 - та о,2 о - /п: О

60 гмм

'ис.15. Изменение Сбп но радиусу НС

ФГ ся £

ОЛ

О

ЕТог, ¥ ш

20 40 60 г, ми Рис. 16.- Изменение Сбп по радиусу КС

СО.У-

'X А —

1

0,2

Ух.% 0,01

0,01

о

1 1. А А.. 1

; Г

- < г*1

-<

О 20 40 60 (;&,-/. О 20 40 60

Рис.17. Зависимость экологических характеристик КС от расхода воды в первичную зону

нин бенз(а)пирвна в камерах сгорания ГТЗ // Газотурбинные и комбинированные установки: Тезисы докл. и сообщений Всесоюзн. научи, конф., Москва, 19-21 ноября 1991 г. - Москва. 1991.-С.147.

6. ЛУКАЧЕВ C.B.. МАТВЕЕВ С.Г.. ОРЛОВ М. В. Выгорание канцерогенных углеводородов при диффузионном сыехении продуктов неполного сгорания углеводородных топлив с воздухом // Теплоэнергетика. - 1393. - H 4. - С. 73 -'75.

7. ОРЛОВ М.В. О влиянии химсостава топлива на сажеобразование при горении хидких углеводородов / Самарск. гос. азрокосм. унт. г Самара. 1993. - 14с. - Деп. в ВИНИТИ 08.07.93. Н1924 -В93.

8. Епивев М.Н., ОРЛОВ М.В. Исследование закономерностей образования бе"нз(а)пирена в камерах сгорания авиационных ГТД / Самарск.гос. аэрокосн. ун-т. - Самара, 1993. - 27с. - Деп. в ВИНИТИ '09.10.93. H 2571 - В93.

9. Епияев М.Н., Орлов М.В. Исследование методов схигания широкого спектра топлив обеспечивающих пониженный уровень выброса канцерогенных веществ с отработавиими газами .ГТД наземного применения / Самарск.гос. аэрокосм, ун-т.- Самара, i994.- 20с,-Деи. в ВИНИТИ 25.03. 34. К 725 - В94.

Подписано в печать 20.06.9*< . «ория 60 « 34 1/24 Офсетная печать. Усл.п.л. 1.5 Уч.-тад.л. 1.5.. Зах. Тирах 100 вкз. • • г.Самара, СГАУ, Ульяновская, 18. Участок оперативной полиграфии.