автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка испарителя малотоксичной камеры сгорания автомобильного газотурбинного двигателя

НИНИСТЕРСГЗО НАУКИ, ВЫСПЕЛ EKCÂ1.' Ii ГгЗЖОСКСй Ештзаш ю

кошжсюк жс-^х-лг.г-е^сл институт

На зразах рукссгся

ЮТАЛЕБ Александр Copreгет

?аз?дбот::а испдкпеяя кдгдгы сго?лшзт .

АЕТОМОБШЬНОГО Г/ЛЯЛБИНКОГО ДЗ:1ГЛТ2ЛЯ ' ( скэцкагьпость С5.04.02 - топгов^э дзлгатпгз )

• АвтореСэра? диссертация на сетассшэ ученое степэнз-кандидата тапшчесхгх паук

и

Цосква - 1992

■ Работа Еипол^ена но каСэдре "Транспорта!-.? гкютур^кико да гатё.га" Московского азтсмозсааяэского ¡^статута

доктор технаук.

. Нзутай рукозод:-.гель-■ ССсциальшо оплонентк-

Вэдусэо прз,

профессор ¡0x4^3 Я „А.)

доктор тохютосг^г. игу:!, профоссср Пустграв

доктор тогЕпгча наук, профессор, заслугзшшй деятэль науки и тенпага Всраэаслшй И.Л. кзддздат технически; наук, старика на*' пай сотрудник Арснкн Л.Г.

ПО "ЛвтоГАь", г. .1.-Новгород

■Занята состоится 23 сентября 1592г. з 1С часов на заседала: специализированного Совета К C53.-i9.0I Цоскогского авторе хаш-Ч8С1 ,го пнетату-а по опросу: . 105023, Мокша, ул. Б.Семеновская, -д.СЗ, ауд. Б-ЗОГ

С диссертацией мо^но ознакомиться з О'.'.бл::отоко Московского азтомохашг зского института.

От^^лзи на автореферат в двух Бкзошлярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105323, ¡¿оск-з. ул. Б.Сомоыозская, д.38, ученому секретаре Совета К 063.49.01.

Автореферат разослан 21 августа 1992 г.

Учений секретарь специализированного Совета к.т.н., доцеыт

--у

Калоши! Б.Д.

СЕЩД* ХАРЛ"ТЕП:СТПСА'Р'БОП['

Среди силових ус .а^овок, рассматриваемых в качество порспэк тинных для автомобильного транспорга блияайпего будущего значительное место „анкмапт автомобильные газотурбинные двягать,<ш (АГТД). Эти двигатели т различных своих модификациях р зрабаты-палксь н разрабатываются практически всем: крупными зарубекаг ii автостроительными ф;гр;/хми. Какбол^ско прачтич!. jkiio успехи дистст-нута и дагга^плях, вытадненних кз обычных материалов, в классе мощности 200-600 кВ'г. При кэньиеП мощности такие двигатели в обычном "металлическом" исполнении 'т.о. iron относительно низких мак-

ObiiiaJibiLuiz AOi»uiupoiypcA )

Пэрспоктквный путь создания высокоэкономичнкх малых гззотур-бкнккх Д1 дгателеЯ „¿тачается сейчас а освоении ь-сокотсьз^атур-ной керамчки. Широкомасштабные разработки керамически АГТД малой мелиости ведутся в США, Японии .1 Европе (в р-жах общеевропейской прозаики "Зврпха").

ЛГТД гкдяоетью ССО кВт и 8lj iU3i- разрабо'. ..гш к испытаны и Iw'C-80 гг. з СССР на ГАЗ и КВ. Накопленный. отечественный и керубекаый опыт пока ш:

-по эксплуатационному расходу топлива АГТД вплотную приблизи-:> к дизелям. Расчеты показывают, что паркте-т сохранится и в будущем, когда i-Д дизелей заметно Еозрастрт. Зкспери пт уста'-чвил оуеэственное, более чем на ЯО "вэличе ;;о производительности газотурбинного автомобиля при одинаковой модности АП., и дизеля.

' -АГТД реально являются многотошшеными дзнгатг чми. Оли без существенного изменения регулировки рзоотавт на лпбом кидасом топ-лизе, включая газокс._Д9нсат.

- токсичность забросов АГТД по всем нормируемым сост: "лящим (окисле" азота - 110х, окиси "тлерода - СО, углеводородам - СП' и . case - С) значительно шшэ, чем у ■ ^-¡теребильных дизелей л бен-з5шовнх читателей лопсоег ■ автомобилей с нейтрализаторами. •

Именно это обстоятельство и додает АГТД одной из пачболс перспективных силовых установок, как для грузовых, так и для массовых легковых автомобилей.

Основным элементом двигателя, обэспе-тшагтитл малый уровень выбросов токсичных веществ, является камера сгорания. Разработка мзлотоксичных камер сгорания "ГТД представляет собой о,,.ш из ваз ных аспектов в дело практического осво, ля таких двиг;. .елей.

■ri--

Потенциальная возможность дальнегоiv судао-твенного снижения токсичности сбросов заключается в использовании в ка:.;аро сгора. лп предварительно пэремеааыой однородной (гомогенной) смеси паров "CL-peimoro ш пива с воздухом. Сиггаие гомогенной смеси существенно скпавт ЕыОросы окислов азе ч вследствие устранения высоких локальных температур горе ия вокруг капли, Именно такой п.анцип реализуется в мало жсачгшх нгаарах-гомогенных il:. . гибридных.

Оспоз, лл элементом малотокеичной КС, "чзэспэчзваицим подготовку топливо-воздушной скоси и в большой степени определяющим их работу, является упаритель-гошгенпзагор. Он/ ^пользуется в значь тельной части современных опытшх АГТД, но в то ко время преде зв-ляэт все еще капо ксследов?"тное устройство. Недостаточно исследованы прс. joca исларонпя топлива внутри гомогенизатора, влияние цэ-. "збе'лло.. неравкомер: сти концентрата: лыива по сечениям испарителя, реобходамг минимал^ая степень испзренности капель топлива на' входе s зону горения, а тагев расч&гаял когодика определения минимально неоО-м—*—_ 'Тля.

Реальный успех в освоение t..a¿iww:s4b¿i«: н^ ."Г4" & ул«®— мере. определяйся успехом в разработке соответствующего ислирлге-ля. Это по!—!оляет счх 1ть данну.. работу вполне актуальной.

Цель работы. На основании "-eopi. .ических и экспериментальных исследований создать малогабаритный исгоритель-гс "огенизатор мало-токсичдой КС АГТД. Разработать методику расчета .того устройства.

Научная нозкзна. Практически все малотоксичныо КС современных опытных АГТД используют принцип предварительной подготовь (гомогенизации) рабочей смеси. Теоретически и эхепер-мэнтально обоснованных ме-одов расчета испарителей-гомогенизаторов, позволяющих пра1 -льно выбирать их .размеры, сиг "ему тошпшояодачи и оценивать их эффективность на различных рег-мах двигателя, не имеется. В данной работ» впервые:

-разработан испаритель малотокепчной камеры сг-рания с простой системой подачи топлива форсункой воздушного распыла;

-отработана методика расчета испарьния капель топлива, лчиты-ваицая прогрев к-ивль s изменение концентрации паров топлива;

-исследовано t ЗЕв^ено в расчет влияние турбулентности набе-гащего по' ха на испар чие капель тоь.шва;

-экспериментально опр.деланы граничные условия по неравномерности состава топливо-Еоздуяно" см зп нг выходе из непарно ля, обеопвчтиащие заданную токсичность'КС;

-показано, что малотоксичшэ КС О~щ:айзого будущего не трзбу-ит применения изменяемой гос:. ipr:: проходных сочеппй.

Практическая значимость выполне ной работе заключается в том, что разработана г эдель испарителя с системой т^-хливоподачи, ког.-рзя моаэт служить основой ^ля соз. .зштя малотокслчвкх КС \ГХД такого тала. Следует отыаьш», что размера модели соотзототвуз? размерам ис23\—аТолл КС разрабзтызае ых инсокото'-тарг /рпых ЛР.Д для массовых легковых автомобилей.

Разработана и 1. „пытана оригинальная форсунка воздушного рпс-ПТ-Г^З koto^î-П мол^т 6'j'Tb j установках

различного типа.

Внедрение. 'Разработа.лая модель принята ни производственном объединении "âbtoIY " п HAJ.K з качестве одного из Зразцов,который будэт использоваться .а создаваемых отечественных АГГД. Созданная экспериментальная установка лс ользуется п ,-чебном ироцессо ;о курсу "Камеры сгорания" Разработаны к пспольг зтся двг методически* пособия по соответствующим Л1 срат ш: работам.

Публикации. По материалам денной работа опубликованы трл статьи, получено од~о авторское свпдэтольствс па пссбретониэ. Результаты работы докладывались на пяти Всесоюзных конференциях "Г-зотурбинные и комбинированные устаЕОЕШ". По всем эта-» выступлениям опублп* заны тезисы в соответствующих сборнпкг-.

' ' . ОСНОВНОЕ КЩЕгЯАНИЕ РАБОТЫ

• Во введении рассмстены основные преимущества чвтсмобпльных ГГД и намечены г 'ш дальнейшего ¿иь-ынавха токегчноегл. таких двигателей.

В первой главе дзц обзор литературы и ставится задача исследования.

Среди проблем, связанных с бы г тюП глобальной эвтомоб7*аза-цией, в ;ьма Еакнуи роль чграет проблема загрязнепи окруказдей среды выбросами автомобильных двигателей. Есть все основания счг • тать, что Слагайте года зта проблема окажется одной из самых важных. Несмотря на зн. ягельное пр обладали лс ковых автомобилей, грузовые мзязшы потребляет около 70 " топлива ? да_г еще больпуи относительную долю вредных выбросов. Поэтому с глобальной точки зрения наиболее ва:агой проблемой язляется проблема токсичности нг легкового, а грузового автомобиля. Кмв'—ся все осниваг-я предполагать, что в буддам доля вредных выбросов грузов!" автомобилей у-

дот на уконьтаться, а возрастать, поскольку во всэх развитых странах роль авто1^анспорта в объеме грузоперевозок увеличивается.

Каш»"ним, что токсичность выбросов в настоящее время ограни--иьлют для ав'. лобилей с бонзиновым двигателем только по окислам азота (К0Х) окиси углорода (СО), тгловодородам (СН), а для автомобилей с дизелями еще и . о дошости. Для оценки токсичном.. лег' кових автомобилей ..¿пользуется ездовыэ циклы, а д.хя грузовых автомобилей - _3-ти ступенчатый цикл исштаящ- отдельно езятого двигателя. Данные по токсичности двигателей по этил циклам практически не связаны с реа-ышш условиями эксплуатацш. автомобиля.

Характерны розу^таты испытаний выполненных еще в не. злэ семидесятые годов .фирмой ""пайслер" (СШД). На легковой автомобиле были последовательно установлены карбюраторный даигатель, де-зель'и ащэ несовер! лшй ДГТД (с обычь-й "даХфугионпоЗ" КС). Все двигатели нмэли „римернос ду и ту ¿о мощность (~100кВт). При испытании по ездовому циклу были получены.знбоосн окисло" азота ЛГТД в четыре раза мегчшг. чем у дьиг ?елэй другого типа. Выбросы окиси углерода были примерно в десять раз, а углеводородов - примерно в два р~за меньше. чем у бензиновых чзигателей. Соответствующие в' Зросы по _;авзеншо о дизелями - меньше в два, и двенадцать раз.

Поскольку нагрузочная характеристика токсичисти у ДГТД лучше, чем у дизеля, то преимущество АГГД по всем ь^рмируекнм показателям токсичности явно имеет место практически .на любом ездовом (эксплутационном) чикле.

Токсичность выбросов АГГД монет быть сущ' зтвенно уменьшена песколькшг* способами. Исследовались: впрыск воды в 'зону горения КС, рециркуляция отработавших гаг в, обеднение первичной зоны.

В данной работе рассматривает-я, по нашему мнении, наиболее перспективны* путь, который сводится к подаче в КС предварительно подготовленной, испаренной и перемешанной топ.'_-во-воздуикой смеси. Скитание предварительно подготовленной смеси существенно снижает выбг^сы К0Х, вследствие устранения локальных высоки*, температур вокруг "зпли. КС, в ко—>рых сангается однородная смесь .воздуха и полностью испаренного топлива, называются гомогенными. Поскольку. I .уюгепная тс гаво-воздушная смесь же от существенно более узкий диапазон устойчивого горбния, возкисает необходимость дополнительных мер по стаЗшша&ш п. хчешт в КС. Один из г "-рек-тке:шх способов - подвчэ небольиой части топлива ¿оку горения

в гадкой фаза дакурной ^лрсункой. Ta—ie Ко называются гибридными. Освоение го^генных КС зг чительно слоянее, чем гибридных jr'-этому целесообразно пръдде всего ос чаевать гибридную КС.

Подготовка топливо-воздушной смеси в м. лотоксичньл. кам jaz сгорания (гомогонпйх и га рядных' происходит в специальг^ выделенном объеме - испарителе-гомогенизаторе. В него поступает горячт! воздух из теплообменника и форс нкоД впрыекгчает i топливе Обра-зовавааяся тояливо-воздупная смесь из испарителя лост.—шэт чере? . Фронтовое устрсйи о в зону горения.

Известно, что ДГТД с гибридной . jwepoQ сгорания по езоим экологическим показателям превослодит дизели в несколько раз. Такой :;э результат получен при с _ авкоззи ЛГТД с ггбрвдгой камерой ь бензиновыми двигатех га с нейтрализаторами, испытан' чги з любом ездовом или многоступенчатом цикле.

К настоящему времени в юшек стране " за рустам вше зон пирокпй комплекс работ по исследованию габрг ;пых и : могечных КС 3'ia исследования позволили устан вить сковные рзщгчальные режимные параметры таких камер. Во всех построенных и испытанных АГТД с гибридными КС пспо.тгъзоезллсь испарители (гсмс .энизаторы), объемы которых п способы подачи топлива далеко еыходят за рамк. рацио-нчльных инженерных рэсэнкй.

Могзю у' •ергздать, что в настоящее время испаритель, являеци? ся взгяэйпм элз:,птом мэлотокспчеой 1>п, нохет быть создан только на основе достаточно гяфокого г^оретпческого и экспериментального исследования. Этому исследованию посвящена данная работа.

Проведений обзор- эксперта гг. ¿пых и теоретических работ 1 выявил, что сущест'ует много недостаточно исследовали : вопросов, связанных с созданием устройства подготовки топливо-возду^ой смеси. Совершенно недостаточно исследованы процессы :спарепия топляк внутрь гомогенизатора, влияние нея";а:гаоЯ неравномерности концентрации топлива по сечениям испарителя, а таксе пробл' ы, связанные с определением минимально необходимых размеров испарителя. Езл'чя считать решенной проблему организации подачи топлива в испаритель. Для решения о тих в ¡р^сов неосх д-.".:с проЕеде ie экспериментальных и теоретических исследований процессов испарения : Лель в ограниченном объеме испарителя-гомогенизатора калотоксачноЯ КС..

В дашой работе рассматриваются некоторые из перчислев"* задач, на нал взгляд наиболее вакные. Сформулируй о-човлыэ задачи данного исследования, решение которых необходимо при разра'-/тк"

пспарлтоля-гомогенизатора малотоксичаой кы\'.ори сгорания АГТД:

-на осно_инии сравнения п оценки существующих модэлой исполнил "каш;* топлива разработать методику расчета в наибольшей степе-удовлатЕор. ж-ей условиям нспаркголя-гокогеигзатора мглотоксэт-ной камеры торания АГТД;

-провости опытную щ верку расчетной методики на осно! экспериментов с одаж. лоё каллой, топливным факелом и разработанным испарителе;

-экспериментально и теоретически исследовать влияние турбулентности Еоздут^ого штока на испарение кап. л топлива;

-эксперимэнталькч. определить влияние пространственной н. ^ав-номерноск' состава топливо воздушной смеси в выходаом сечении испарителе на токсичность выбросов КС АГТД;

'-¿-сспершэнтаг. :о определить характеристики токсичности спроектированного п осноЕаг 31 расчетов испарителя-гомогенизатора, работашцего в составе малотоксичной камеры сгорания.

-провести ра^.ег'уи оцс тку вог одного уровня выбросов малотоксичного АГТД с разработанным испарителем. Оценить перспективу применения ма'тгоксичных "С с изменяемой гео"отрлей проходных сечений..

Во второй главе работы приветил теоретические. исследог. ,*ия процесса испарения капель топлива в испзрителе И ?Д.

В объеме испарителя-гомогенизатора происходи взаимосвязаннне физические процессы, которые условно разделяют на отдельные этапы:

1. Деформация стр«и горючего, .выходящей из форсунки в воздушный поток, и образование пелены топлива;

2. распад пелены и образование топливного факела, характеризуемого спе гром распиливания .(законом рас-оеделения капель по размерам);

3. Ускорение деформируемых и постепенно испарящися капель топлива, обдуваема потоком воздуха;

А. Прогрев капель топлива до равновесной температуры, при которой все подводимое к капле тепло от воздуха расходуется на испарение; 5. Равновесное испарение капли, пришыапцей по «ере уые^шения числа Вебера сф^чическую форму;

•6. Турбулентное а молекулярное перемешивание паров горючего с воздухом.

Расчеты процессоз в ..„-парителе обычно проводят по отдельным группам этапов.

Конечным результатом расчета д'олзно бить опр'1ь..ен::о степени

испарекпости топлива Сд до длине исперителя, размер я скорость капель горше .'о на енходэ испарителя (при неполном кспарени ) " распределение ко: 'дентрэц-Л паров горючего по выходное сечепию испарителя. Кроме того, необходимо определить, н попадает .л част, капель топлива на стенки "спарит"ля и если попадает, то в каком колиество.

Теори! двухфазного течения гспаряпцихся капв.г-> топлива в токе газа разработана достаточно полно. Данная мэ" ">дикр строится на оснызэ ср,. мнения тршпзмаемг^ допущений и получаемых результатов в известных моделях движения и испарегтя одиночной капли.

ОСвдя система уравнений -остоит из трех дифференциал,.иах .равнений, описывавших дег чеио, испарение и погрев капли; • -закона двизвеия, гчязивапцего координату х и враг" т; -трех дкффэренциальнп уравнений сохранения - расхода, ап _лтга и импульса двухфззноЯ смеси;

-уравнения состояния газа и зависимости доли "спаренного вещества от ^.азкэроз капля. К ос^оиогм уре^тепиг' присоединяет соотвьтству-вщие зависимости для физических констант.

Существенным недостатком данных уравнений -пуляется допущение о том, что турбулентные пульсации скор^тл газа не влияют п дви-зение капли. Поэтому были предприняты пештки учесть з з ЕоздеЯ-ствие.

Турбулентные пульсации скорости пс 'ска злняют за про^эссы тепло- и массообмена между каплям гмдкисти и газом. Возможны два механизма воздействия турбулентности на испарение. Один т связан с влиянием пульсаций скорости на.коз£"Т1гэнты тепло- ^ массообмена. Второй- с интенсификчцгей обдува капли пульсационной "оставляющая.

В условиях испарителя КС АРГД размеры капель не превышают 70-100 мхм ( для различных видов топлива). Эти раз"вры- меньше мас-птаба ч аргоне сущих галерей турбулентного'потока. Цри таких соотношениях ^чзмеров капли омываются вихрями и это приводит к резкому увеличению обдува и, следовательно, :"чсореншВ' испарения капель топлива.

Рассмотрел случай бтекания сферической р^шп газовым потоком, имэащим гармоническую составляющую. Уравнение твйжения капли после преобразования примет вид

¿V 3 Рг Г-7| (I)

— = -С^— (Я-У)--

й 4 *р„ а

довели набегающий газовый шток моделировать суммой гармонических колебаний, то скорость модно выразить как

"Ч/^ Н1£о1п к£ш0г+'.70 (2)

„десь А~ - амплитуда изменения первой (низшей) гапмоникп скорости, чэ'

о0 - низшая кругова' частота пульсаций, ( К(,к( - отно цельные аг.!шштудц и частоты' 1 ^этных гармоник. Эта и. дель справедлива для дрейфувдей капли, которая движется со скоростью близкой к скорости газа илл, иначе говоря, при умепь-пенш скорости обдува. Такое условие, по оценкам, устанавливаете . па расстоянии 50-100 л для капель разного (типичного для та-рителя КС) диаметра. Тогда ™з выражений (I) и (2) получил:

где

P|£|1-",É=2Ntl:ísin k(u0T (3)

ОДБВг^р^о)1-"1

Г

Амплитуда ^ульсациЗ ^¿орости определялась по спектрам продольной компоненты.пульсаций скс ости типичных турбулгзированных потоков, приведенным в работа Эпика. Была получена .зависимость

. А^ОД-е-и

Для получения среднего значения t проводилось численное решение уравнения (3), при этом задавались достаточно типичным спектром турбулоктных пульсаций, заменяющим действительный непрерывный спс :тр для течения в прямом канале. Вычисления проводились для практически ваетого диапазона- изменения коэффг^ивнта р<25, включающего изменение е от 5% до 50%, температуру Г от 300° до 600'С, и дав'еше нэ Чолее 4 бар. (pzc. I).

Для пульсирующего обдува в уравнении прогрева капли следует использовать осредвенное по времени ( за петаод 2тс/ы0 ) зннченио квадратного :орзя из числа Рейнольдса (Не1/^). Выражение

Г

-Л /? / \о'и —1/2

у--

VT

св^знчает параметр обдува £ капли в пульскрувдом потико с числом

гпсчот испарена.. каши при тг'льсацкях скоросм

1.4

J

О

Б

10

15

20

Р

Рас Л

Нуссэльта. Конечно это позволяет весьма грубо оценить коли стваи-Еое влп'гта пульсаций потока ня цеп. ■ эниэ калл:! тегиг -а.

Для экспериментальной проверки предложенной методики расчета зл пшя турбулентности потока на чснаряемость капли были поведаны две сарииа опытов. В первой серя опаты проводились в выссхотур-булэнтной обласга за клнноеым стабилизатором, расположенным в воздушном потеке. Объект исследования - 1 паряыдаяся капля - располагалась на границе зоны обратных токов за стабилизаторов т.е. там, Где средняя скорость воздуха Т? г: 0, а интенсивность турбулентности - высокая, ло данным В.П. Солнцева -

■ Вторая сорил ч-яытоз провода зсь в условиях набегаицего штока (когда скорость >7=6;,'./с). турбулентность потока создавалась решетка-

тность набегандего потока замедляет испарение капли - угол наклона линия (I) меньше, -гем (3) и (2) ((З)-испзрение к^члк без потока; Качес: енно объяснить парадоксальный, на первый взгляд, результат' моено, рассмотрев следущиВ прикор: .предпологлм, что акороо^ь обдува газоЕого потока .изменяется по закону сшуса Т/=Я0(1+а з1л(ш1)), тогда величина ь

а Таким образом мояю объяснит! замедление исг^рения капель

е К2бегаюцем потоке (при П*0).

ми, причем интенсивность турбулентное""! за ними з ..кэсте подвески .капли известна (е=20%). Результаты опыта показывают, что турбулбн-

Расчетнре значения, полученные для условий опыта, хорошо согласуется с данными эксперимента.

Пред. тавленая методика логла в основу уточнения расчетных формул, оппсыьсосих движет.. н испарение капли топлива в испарителе КС АГТ~. Полученная зависимость I ?1/г!=Г(р) вошла в уравнениие прогрева капли.

Полная система девяти уравнений реиаотся числе ниш,! интегрированием по методу Рунге-Кутта. ILгодика позволила учесть прогрев капли от начальной до равновесной температуры. Кроме того, был цроведон анализ влияния зависимости ■ одзических параметров испаряидейся жидкости от ее переменней темературы' (например/ давления псыщенного пара, коэффициента поверхностного натяиения, теплоты испарения, плотности, вязкости и т.д.), а ташке турбулен-. .ность набегащего штока.

На' основании разработанной методики били рассчитаны две частные задачи, позволяющие определить габ'риты нспарь.еля-гомоге-низатора ыалотоксь ло£ камеры сгорания АГТД. Граничными условиями расчетов были заданная степень испаренности топлива в выходном сечении и допустимая доля китель, попавших п с.энку.

Длина испарителя, по-видимому, должна выбираться по суммарной степени испаренности, рассчитаны. 1 по каплям всего спектра. Ро-зультг^ы такого расчета, выполненные по экспериментально полученному. спектру разрабо—шной топливо-воздушной форсунки," позволяет, задавшись допустимой степенью "еиспаренности тошшва, внбрать необходимую и прием эмую длину испаритоля-гомогенизатора. В работа Копклова В.Е. показано, что подача в зону горевлш згвдкого топлива дежурной с^рсункой с расходом 5-7Ж от общего расхода' не приводит к уве.ш1чению выбросов токсичных составлявших. Поэте у, уменьшив расход 'через деяурную форсунку, ь-дзримзр на 2% (до 3-5S обдэго расхода) и . .опуская степень испаренности Z-1,98, молю получить приемлемую длину испарителя.

Расчет траекторий движения капель в объеме испарителя -гомогенизатора ..эобходим для определения доли топлива, попавшего на стенку. Такие дилные полезны гля определения диаметра испарителя. • Кромо того необходимо знать, как распрделяхпя ш выходному сечению неполностью испгтившиегч капли.

В третьей главе описаны экспериментальные установки, объекты в методика испытаний.

Были слроектироьаны и изготогчены эксперимент ^льная установ-

ка, модель для исследования испарения одиночной капли и топливного факела, форсунка воздушного распыла оригинальной конструкции, модель малотоксичной камеры сгорания с испарителем-гомогенизатором.

Установка позволяет менять параметры горючей смеси при любом коэффициенте избытка воздуха _< следящих пределах:тешерат"ра воздуха до 800К, расход смеси до 0,15 кг/с, давление Р=1-1,6 бар.

Для измерепил равномерност распределения состава —¡пливо-—воздушной смеси устанавливались специальные отборные трубки. Контроль распределения испаренного топлива по выходному сечению испарителя-гомогенизатора производился по оригинально»; методике отработанной в НАМИ. Отбор проб из высокотемпературной зоны модели КС производился с помощью водоохлаждаекого пробоотборника.

Представлена оцененка погр^пшости результатов эксперимента.

В "втввртой главе представлены результаты экспериментальных исследований.

Граничным! условиями для расчета испарителя, как известно, является давление, температура, поле скоростей, состав топл..ло-воздушюй смеси (а) па входе в испаритель и его геометрические размеры. В реальных условиях трудно выполнить испаритель-гсмоге-ппзатор так, чтобы на его выхода имела место полная гомогенность топливо-воздушнойсмесп. Для рационального проектирования гомогенизатора необходимо знать, как влияет пространственная неравномерность состава горшей смеси на его выходе (на входе з зону горения КС) на величину ЕЫброса токсичных калтонэнтов.

Расчетно-эксперимопталъшэ' исследования заключались в следующем: в модели испарителя скачала обеспечивалось почти полное перемешивание подаряемого топлива и воздуха, а затем искуственно создавалось неравномерное распределение состава топливо-воздупшой смеси по выходному сечению испарителя. Для кавдой. характерной неравномерности определялись выбросы КО и СО, величина которых сравнивалась с выбр^ама при полностью равномерном • состава выходящей тошшво-воздушой смеси.

. Различные распределения концентраций топливо-воздушно* смеси на выходе из испарителя обеспечивались установкой форсунки на оси испарителя на различных расстояниях от выхода (680, 1000 и 2000мм или 1/6=4,5; 6,7* 13,3), как по потоку воздуха так и против Опыты проводились при температуре воздуха К, давлении 0,12 МПа

(1,2 бар), скорости топливо-воздушной смеси 4^=30 м/с, тош._,во -авиакеросин ТС-1. Эпюры концентраций представлены на рис 2.

Эиюры распределения состава горячей смеси па еыходо из испарителя-гомогенизатора

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Г О а/а(

Рсс.2. .

Щ . неравномерном распределении топлива на выходе испарителя нельзя судить о величине дбросов токсичных компонентов по тбору газа в одной точке. Поэтому отбор проб продуктов сгорания 'производился Еодоохлаздаемым подвижным пробоотборником в 12-ти точках выходного сечения КС. затем определялась средняя по площади концентрация искомс э компонента.

Для обобщения ь.«сперимен'. льннх данных то влиянию пространственной неравномерности состава горячей смеси на входе КС па выбросы токсичных компонентов введен обобщенный показатель неравномерности состава смеси К^. В качестве такого показателя предлагается усредненная по площади выхода из испарителя дисперсия коэффициента избытка топлива <р=1/а, причем для характеристики не толчсо Еели тны, но и типа неравномерности, коэффициенту нераномерпоста придается знак в зависимости от того, возрастает ли в средне" го г. зщади концентрация горючего по сечению канала (знак "+") или убывает (знак "-").

Величина Кя для случая осесимметричного канала определяется

внракэнием:

Г'бГ

о

1

где <,0^=2 Г срг-Ог, г=--относительшй текущий радиус кмнала.

Для шявления влияния неравномерности состава смеси на токсичность выбросов интегральный выброс каждого из компонентов отн сился к его значении при равномерном поле концентрации горючей смеси (^,=0).

Влияние коэффициента пространствои.ой неравг-мерности состоим смоси Кц на относительную токсичность торосов представлено па ряс.З.

Зависимость относительных выбросов от показателя неравномерности

состава снега

'шаксп . С"аксц сыексп

о

. 1.0

3,0

2.0

О

0.1

0,2

0,3

РИС.3.

При различных средних составах смеси (0^=1,45+1,85/ влияние этого коэффициента на относительную токсичность Еыбросоч ко и СО одинаково (графики линейны ) во всем иссладованом диапазоне.

Эти графики могут служить для оценки допустимой неравномерности состава смеси на выходе из гомогенизатора КС. Они позволяют установить приближенное соотноае^е мезду дей твительными концентрациями гЮх и СО, и показателями, рассчитанными по в таре состава смеси на »ыходэ испарителя на основе экспериментальных зависимостей шбросов от то.-юрат^и горения при равномерном распределении состава смеси на выходе испарителя.

Неравномерность распределения "ошшво-воздушнои смеси на входе КС существенно сдвигает границу срыва в области чед^ых смесей. Так при ТВ1=743К п масшальной неравномерности срыв пламени наступает при 0^=4,77. При тех же условиях, но при равномерном распределении смеси срыв наступал при 0^=3:2.

Качество разработанной ыалотоксичкой камеры сгорания мокно оценить интегральными показателями - токсичностью ее выбросов на различных режимах, полноте" сгорания, п горя;,я полного давления. В определении этих характеристик заключалась цель дишого раздела.

Опыты проводились на модели первичной зс_ы камера сгорания с ква^чввой агаровой трубой. Опыты проводились на ке^сине ТС-1.

Проверка потока смеси на выходе из испарителя-гомогешзотора . на прис. .-ствие в ном неиспаривяихся капель горючего показала, что Кыбш отсутствовали.

Основные результаты испытаний - характеристики токсичности-представлены на рис.4 в виде зависимости весо:<-гх концентраций (в'г/кг топл.) токсичного компонента в пробе от локального коэффициента ьзбн—» воздуха а в точках отбора при трех зпачениях температуры воздуха ..а входе е испаритель-гомогенизатор (Т=6~3, 698, 773К). На рисунках показаны значения концентраций для точек отбора на оси КС.

Сравнение данных до выбросам окислов азота, полученных в. разработанной ыалотоксичной камеры сгорания, с расчетом показывает, что в диапазоне о=1,7+2,7 расчетные и экспериментальные данные практически совпадают (с то достью ± 7й).

Необходимо отметить, что достаточно полное совпадение р< ¡ультатов эксперимента по выбросам окислов азота в испытуемо* кшоре сгорания получено при их сравнении с аналогии .¿ми выброса.:/, полученными для полностью равномерного распределения топливо- воз-

Измерошше'копцзнтрг.цпи токсичных ..омпоноптов по оси пимдиого сочошш зош горения ' Р=0,1!Д!а, тоштво-ТС-1

1.4

1.6

□ -Тн=623 К;

1,8 2,0 2,2 д-Тн=698 1С; • Рпс.4.

',4 2,6 0|

о-Тн=Т73 К.

душной смеси на выходе из испарителя-гомогенизатора. Е, ,<т ^ака' является косвенным поджверздэнпвм приемлег т характеристик, разработанной системы "испаритель-гомогенизатор + топливо-вое 'ушная форсунка". Выбросы окислоп азота малотоксичной КС с испарителем-

-гомогонизатором сравнимы с аналогичными выбросами гомогенной камеры сгорания.

Полнота сгорания tjz в зоне циркуляции, вычисленная по результатам химического анализа для различных режимов изменялась от т)2=96,8Г при Т=623 К до Т}а=99,6й при Т=773 К.

Было провэдопо сравнение результатов исп-таний малотоксичной камеры сгорания с разработанным испарителем-гомогенизатором, построенг"х в координатах "выбросы N0^- выбросы СО". Рассматривались экспериментальные даышэ по выбросам чисто гомогенных камор зарулекных АГТД, результаты испытаьЛ 34 диффузионнчх КС таки? двигателей. Принимался ьи ышшш да-"паэон, в котором выполняются наиболее жесткие требования на токсичность - перспективные но^мы США для легковых автомобилей.

Показатели выбросов испытанной камеры сгорания совпадают с областью работы гомогенных камер сгорания, г на рейке высоких температур воздуха на входе (Т=773 К), становится даже несколько нике указанных границ. Вероятны.'.! объяснением атому кагэтся наличие высокотемпературной стеш ; заровой .рубы испытанной модели. Характерно, что выбросы разработанной камеры совпадают в целом с областью выбросов КС "ерамическкх двигате^й AGT-I0Q, который раз; збатывался с камерой сгорания и предварите„.ьной подготовки смеси. Такое совпадение результатов является косвенным годтвервде-. нийм да^шх выполненных экспериментов.

В пятой главе привс.^тся оценка токсичности АГТД с ра' ;або-танной малотоксичной КС. Расчеты 'позволяют установить оптимальный реизм'работы автомобильного ГТД с точки зрения наименьших выбросов при его эксплуатации по произвольно заданному ездовому циклу. Расчета;.!:! Taicso : ;2но проверить, удовлетворяет лп АГГД с оптимцзирй-ваяной камерой сгораьля устанс ленным нормам выбросов' токсичшых компонентов по 13-ти ступенчатому испытательному циклу.

Известно что для обеспечения низкого уровня Еыбросоз окислов "зота ИО^без существенно увеличения содержания в ОГ окиси углерода СО и углеводородов СИ, необходимо, чтобы температура в зоне горения находилась в пределах I900K <ТГ<2000К.

"эддеркивать температуру Тр в этих пределах при значительном изменении состава' смеси по per 'ísm ГТД мошо лишь в К1"1 с и. .¡еняемой геометрией, позволяющей перераспределять воздух, идущий в зону горения и разбавления. В нерегулируемой и постоянными проходными сечелиями) КС состав смеси в зоне горения (о,)

-1Э-

определяэтся выбираемым при проектировании Ко коэффициентом избытка воздуха на номинальном резине а10 и программой paryjntpö-вания двигателя. Величину сц0 следует выбирать так, чтобы срьдний вероятный интегральный выброс за ездовой цикл ( пля за контрольный пг -рузочный цикл) бшi минимальный.

Для оценки выгоднейшего значения а10 в нерегулируемой КС были проведены расче:; выбросов тссичных компонентов прл работе ЛГТД на стационарных режимах по погрузочному циклу, построенному на основе статистических данных A.B. Денисова. Этот нагрузочный цикл представляет собой статистическое осреднение экспериментальных данных, полученных при испытаниях газотурбинных автомобилей по асфальтированным и хорош укатанным грунтовым дорогам.

В качестве типхгтого примера был рассмотрен двигатель .имеющий номинальные параметры: степень повышения давления в компрессоре ^=4,0, температуру газа перед турбино: Tz0=I273 К, степень регенерации о0=0,85 и с РСЛ тяговой турбины, управляемы?« по программе с поддержанием постоянной температуры газа пород РСА (7B=const)

Расчеты проводились для трох значений коэффициента избытка воздуха в зопе горония 10 на но: шальном рекиме а,0=1,5; 2,0;2,5. Были также определены средние удельные (па I кВтч) выбросы Они рассчитывались, при типичном для современных АГТД уровне коми-ь .лыгаго удельного расхода топлива &,0=С 25 кг/кВт*ч.

" Расчот вы^росоз па пореходпых режимах производился в квазк стационарной постановке: принта,'.алось, что мгновенный выброс соответствует мгновенному значению величин а(, Тг w Рг. По участкам подсчитывались выбросы при средних для данного временного участка значениях расхода топлива и воздуха, давления Рг с температуры Тг и полученные на участках значения уделышх выбросов осроднялись по времени.

По полу .энным значениям ерэдних удельных выбросов на стационарных режимах и средним удельным выбросам за переходный режим, били определены ( с учетом укгтьшвния ; "чш стационартшх режимов до "^2стац=1"£(Т^аб+^сбр)=0,75 ) средние удельные пыбтюсы с учетом переходных ройков.

Для регулируемой КС расчет выбросов на переходных рахимах ич производился, так как условия такого расчета сильно зав*, .ят от программы регулирования КС на этих рояимзх' выбросы будут близкими с соответствующим величинам при a,=const, но в этом случае су :ост-вешо усложнится система автоматики двигателя. По-видимому подл ар -

глпзать строго аксона! но пороходшсс рояшах но стокт, л если ' у--'; КС сделана регулируемой, то управление дросселем когот *птолнлться просто от педали "газа" ч'ероз простеГший гидрозаме длитель. Выбросы •"оксичних кошонентов ь этом случао несколько увеличатся по сравнению с программой а^сопа^

(ЦиНППЛ КОТОДШСи Т ПСП0Л7 "^ОЗЗТьСЛ ДЛЛ 14ТС ППСрССЗЛ Ми

лотоксичной каморы сгорания, спроектированной на оптимизированное значение о,0.

гасчет токсичн-сти сбросов проводился по 13-ти ступенчатому наглуночному цтаслу испытаний днзолыг. : дютателэй, состоящему из пяти стационарных нагрузочных рошмов '2;25;50;75 и 100" нагрузки) и трех режимов холостого хода. Результаты расчета токсичносп сведены в таблицу. Здесь кэ показаны деПствуюцяе нормы выбросов нашей страны и перспектившо нормы выбросов США.

Сравнение расчетных выбросов ЛГТД с действующими портами и нормативами США

Норматив допустимый уровень, г/кВтч

КОх СО СН

00Т 37.001.234-81 18,4 9,5 . 3,4

Норка США ( 1991 г. ) 6,8 34,0 1,77

. Расчетные выбросы АГТД 1.2 .0,73 е,1б

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

I. Отработана методика расчета движения и испарения -апель топлива, учитывающая прогрев капли и изменение концентрации паров топлива в пот"?е по мере испарения капель.

Экспериментальная проверка зависимости степени кспаронности топлива от расстояния при движении одиночных капель п тошивного факела подтвердила достаточную точность методики.

Экспериментально получено, теоретически обосновано и введено в расчет влияние турбулентности вабегапцего потока н-скорость испарения капли. Показано, что влияние турбулентноси! проявляется сильнее через механизм увеличения скорости обдува пульсащгчной составляющей, а не интенсификацией теплоотдача.

-213. Экспериментально псслздозг э влияние про гранствешой неравномерности распределения состава топливо-воздутаюй смеси в выходам сечении испарителя.

Рассмотренное воздействие долгно включаться в гранич1ше условия,опродоляедно работу испарит"тя-гомогенпзпторо.

Увеличение неравномерности состава смеси, определяемою кооф-фициептом ICjj, от С до 0,4 приводит к двухкратному увеличении выбросов М0Х и трехкратному - 00 по сравнению с равьомерним распределенном состава смоси.

4. Разработана и испытана фэрсупка воздушно распыла, позволяющая па номинальном ренте работа получить медианный диаметр спектра распыливапия 40 мкм. В составе испарителя мелкость распыл составляет примерно 20 мкм.

5. Токсичность выбросов макетного образца испарителя-гомогенизатора малотокскчной камэры сгорания ".оставила по К0Х<1,88 гЛ;г и COsie г/кг в дг лазоне коэффициентов избытка воздуха а=1,&«-+2,1 F '.^'.лературо воздуха па входе в камеру сгорания Т£77°К. .^.-¡■гинутый урорт'ь соответствует самым послам шрспзкттлшм нормам С1ПЛ на ICD-; г. v tckcutt'ctl выбросов.

G. Расчет выбросов токсичных компонентов ( ПОх, СО, СП ) при работе по 13-ти ступенчатому нагрузочному циклу испытаний дизаль-: а двигателей показал, что АГТД с разработанным испарителем-гомо-гелнзатором малотоксичной камэры сгорания соответствует перспо' -тинным нормам выбросов для грузовых автомобилей.

Основное содержание диссертации изложено в слэдкзтх работах:

1. Михалев A.C..Применение заь хрителей в гомогенной камере сгорания.-межвузовский сб. "Транспортные газотурбинные двигатели". Ы., 1530 г.

2. Михалев А.С.,Сройман Ю.И., Влияние лространствешюй неравномерности состава смеси на характеристики гомогенной камеры сгорания. Известия ВУЗов. "Машиностроение".-!!. ,1982,Л 9.

3. Михалев A.C..Сиундэ Я.А. Шгшз \.И.,Разр ботка испарителя малотоксичных камер сгорания автомобильных газотурбинных дрчгато-лой.Изеостия ВУЗов.."Машиностроение, 1937,й 3.

4. !Лзхалев А.С.,Сре«!ман Ю.И., Выбор схемы стабилизации шшмэ-пи и пределов регулирования гомогенной кагора сгорания., L-есовз-пая межвузовская конференция "Газотурбинны двигатели и комбинированные установки", тезисы докладов и сообщений.,«., ЫВТУ,197Г г.

5. Михвлов A.C., Ope Имен D.H., Разработйа и исследование мало-

токсичных камор сгорания автомобильных ГГД. Есосоезиь-i научная конференция "Зшцита воздушного бассейна от загрязнения токсичны),га выбросами транспортных средств".,тозиси докладов..Институт проблом машиноводония All УССР., Харьков, 1931 г.

6. Михрлов A.C. Исследование испарителя камеры сгорания АГТД. Всесоюзная научная конференция "Проблемы cor ряенствования рабочих гтрсцассог. в дзигатолях внутреннего сгорапкг", тозиси. докладов. М., ЫАДИЛ986 г.

/. Ыхалез А.С ,Cnyn^j H.A., Шпиз А.И.,Исследование испарителя малотоксичной каморы сгорания ¿~ТД., Всесоюзная мэявузовскоя конг^ретнгая Тяяотурбий.ле установки л комбинированно двлгатоля", тезисы докладов и сообщений.,М., 1ДЗТУ,1987 г. 1

3. Ияхалов А.С.,Оройман D.M., Движение и испарение одиночной капли жидкости в турбулентном потоке.,Патера-ли научно-технической конференции, посвященной 50-лотюо НАШ.,тезисы докладов, !.!., МАШ, IS89 г.

9. Андреев A.C., Михалев A.C..Спундэ Я.А.,Срейман D.Ii., Хай-дар М., Схема, параметры, программа рс улярованпя и элемента конструкции керамичоского автс;,'пб;1льпого газотурб алого дзигателя (АГГД) малой мощности. Комиссия АН СССР по г.. johim турбинам, тезисы "окладов XXXYII Всесоюзной научно-технической эсии по проблемам газовых турбин., Николаев, 1990 г.