автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка каталитического блока для камер сгорания ГТД на основе взаимодействия вихревых структур в компланарно - пересекающихся каналах

^правах рукописи

ДМИТРИЕВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КАТАЛИТИЧЕСКОГО БЛОКА ДЛЯ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТД НА ОСНОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В КОМПЛАНАРНО - ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ КАНАЛАХ

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Самара - 2013

005541756

005541756

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре теории двигателей летательных аппаратов.

Научный руководитель: Кныш Юрий Алексеевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Бирюк Владимир Васильевич, доктор технических

наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», профессор кафедры теплотехники и тепловых двигателей

Шайкин Александр Петрович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» (ТГУ), профессор кафедры энергетических машин и систем управления

Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ)»

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.215.02

'Скуратов Д.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Увеличение в последние десятилетия масштабов промышленного применения газотурбинной техники в авиации и наземных установках поставило перед разработчиками совершенно новые задачи. Среди них наиболее сложной является обеспечение экологической безопасности при эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и наземных газотурбинных установок (ГТУ). Прежде всего, это относится к снижению загрязнения атмосферы вредными веществами, образующимися при сгорании углеводородных топлив.

Начиная с 70-80-х годов истекшего столетия, принимаются законодательные национальные и международные нормативы по допустимым выбросам (эмиссии) вредных веществ от воздушных судов с ГТД и промышленных установок с ГТУ. Международные и национальные нормативы периодически пересматриваются и ужесточаются с тенденцией поэтапного снижения допустимых выбросов (уровней

эмиссии) вредных веществ.

В настоящее время основное внимание сконцентрировано на резком снижении выбросов NO„ как самом опасном компоненте загрязнения окружающей среды, (рисунок 1).

В результате многолетних исследований ведущих мировых двигателестроительных фирм созданы и освоены в производстве методы снижения выбросов вредных веществ. Среди них можно выделить три основных, которые нашли наиболее широкое распространение в отечественной и зарубежной практике по созданию малоэмиссионных камер сгорания (КС) ГТД и ГТУ:

- LDI (Lean Direct Injection) - горение обеднённой топливо-воздушной смеси (TBC) с прямым впрыском топлива. Multi-LDI - многофорсуночная (до 300 шт.) камера сгорания;

- LPP (Lean Premixed Prevaporized) - горение обеднённой, предварительно подготовленной TBC;

- RQL (Rich (burn) - (quick) Quench — Lean (burn)) - сжигание обогащенной TBC, последующее быстрое перемешивание с воздухом и догорание в обеднённой фазе.

Указанные ранее технологии малоэмиссионного горения в ГТД практически достигли пределов своих возможностей. Однако целевые установки международной организации гражданской авиации ICAO (ИКАО), инициируют дальнейшие исследования по уменьшению эмиссий вредных веществ. По мнению большинства отечественных и зарубежных специалистов, достижение целевых и перспективных нормативов по эмиссии вредных веществ, таких как СО и NOx, возможно

1996 г. Нормы 2004 г. Нормь 2008 г.

Нормь

Vi ' ■ 2014 г. Нормы

, V " - 2020 г. (-60 %) Нормы 2030 г.

- ■ ин

яви SH3B9S ш

1996 2004 2008 2014 2020 2030 Годы

Рисунок 1 - Нормы на эмиссию NOx по данным ИКАО

лишь путем применения каталитических систем горения в КС ГТД. Поэтому тема исследования является актуальной.

Степень разработанности темы. У нас в стране и за рубежом работы в этом направлении были начаты уже более 30-ти лет назад. Тем не менее, до настоящего времени остаются нерешенными многие вопросы организации процессов каталитического горения в высокоскоростном турбулентном потоке газа в КС ГТД высокой мощности - свыше 20...30 МВт. Среди главных трудностей можно обозначить проблемы значительного повышения интенсификации процесса смесеобразования топлива и воздуха, увеличения эффективности тепломассопереноса в зонах химических реакций без потери устойчивости по срыву пламени.

Данная диссертационная работа посвящена решению проблем для начального этапа выбранного направления исследований.

Цель и задачи. Цель работы - снижение уровня эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания за счет каталитического блока с компланарно-пересекающимися каналами для камер сгорания газотурбинных двигателей.

Задачи исследования:

1. Разработать каталитический блок, обеспечивающий микрофакельное горение топлива.

2. Методами численного моделирования:

- выявить закономерности формирование вихревых структур в компланарно-пересекающихся каналах каталитического блока;

- оценить уровень гидравлических потерь каталитических блоков.

- Экспериментально установить:

- закономерности взаимодействия потоков газа в системе компланарно-пересекающихся каналов;

- эффективность дожигания СО на образце каталитического блока.

3. Разработать схему конструкции каталитической камеры сгорания на основе результатов газодинамического исследования, обеспечивающей наименьшие потери полного давления.

Объект исследования. Газодинамический эффект преобразования прямоточного течения в закрученное (по типу вихревого шнура) при движении и взаимодействии потоков в системе компланарно-пересекающихся каналов.

Предмет исследования. Каталитический блок с компланарно-пересекающимися каналами, с различными геометрическими размерами каналов.

Научная новизна.

1. Предложена новая газодинамическая схема организации микрофакельного горения топлива применительно к камерам сгорания ГТД и ГТУ.

2. Расчётными и экспериментальными способами выявлены условия формирования газодинамически устойчивых микровихревых структур, удовлетворяющих требованиям вихревой стабилизации пламени в микрофакеле.

3. Предложено новое техническое решение по использованию каталитических покрытий, обеспечивающее быстрое и экологически безопасное сгорание топли-вовоздушной смеси в поле действия массовых сил.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в создании математических и физических моделей организации рабочего процесса микрофакельного горения в каталитическом блоке с компланарно-пересекающимися каналами.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты работы позволяют снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания ГТД. Они могут использоваться на предприятиях авиационного двигателестроения, специализирующихся на проектировании современных и перспективных малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Полученные образцы каталитических блоков могут применяться в нефтехимической отрасли при переработке нефти и газа, а также для получения синтетических топлив по методу Фишера-Тропша. На основе результатов научно-технического сотрудничества СГАУ и ОАО «Кузнецов» (г. Самара) разработан план внедрения рекомендаций по использованию каталитического блока для камеры сгорания ГТУ НК-38СТ.

Результаты работы планируется также использовать при подготовке специалистов в области газотурбинной энергетики, конструировании и проектировании двигателей летательных аппаратов в высших учебных заведениях.

Методология и методы исследования. Общий методологический подход к решению проблемы базируется на системном анализе, математическом и численном моделировании процессов.

Для решения задач использовались методы двумерного и трехмерного моделирования, вычислительной газовой динамики, модельных и натурных экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новая схема организации процессов горения в микровихревых потоках топливовоздушной смеси с применением катализаторов.

2. Результаты теоретического исследования и численного моделирования новой схемы организации рабочего процесса в каталитических блоках с компланарно-пересекающимися каналами.

3. Результаты экспериментального исследования газодинамической структуры потока на модельных образцах каталитических блоков с компланарно-пересекающимися каналами.

Степень достоверности разработанных моделей и полученных результатов исследования подтверждена корректностью постановки задачи исследования, применением апробированных теорий, программных средств, сходимостью результатов расчета с экспериментами данными, полученными на специально созданном модельном стенде и с данными других авторов.

Апробация работы. Основные результаты и положения полученные в ходе диссертационного исследования были доложены на VIII Всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей" Самара, 19-20 сентября 2012 г.; на VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» Казань, 16-18 октября 2012 г.; на Всероссийской научно технической конференции «Проблемы и пер-

спективы развития авиации и авиастроения России» г. Уфа, 17 мая 2013; на 19-ой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева; на шестой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроении России» г. Москва, 25-28 сентября 2013 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ из них 4 в изданиях, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованных источников, в количестве 109 наименований. Работа изложена на 181 странице, содержит 82 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель исследования, представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, изложены методы исследования, а также степень достоверности и апробации результатов.

Первая глава посвящена анализу современных подходов к созданию малоэмиссионных камер сгорания. В ней подробно рассмотрены традиционные концепции организации процессов горения в малоэмиссионных КС ГТД и ГТУ, приведены их анализ и сравнение.

Выявлены проблемы совершенствования каталитических систем в ГТД и ГТУ. Рассмотрен мировой и отечественный опыт исследования и применения каталитических технологий. Выполнена патентная проработка, приведен анализ статей из ведущих журналов и трудов конференций.

Проанализирована опубликованная информация по использованию каталитических систем в ГТУ ведущих фирм, таких как: Kawasaki, Mitsubishi, General Electric и т.д.

На базе приведенных и обобщенных результатов сформулированы выводы в области применения каталитических систем в ГТД и ГТУ:

- опубликованные данные носят, как правило, рекламный характер. Ноу-хау не раскрываются, данные по потерям КПД цикла не приводятся. Поэтому объективно оценить общую эффективность применения каталитических систем горения не представляется возможным;

- каталитический блок, как правило, предлагается изготавливать по известным схемам из области автомобильных нейтрализаторов в виде гофрированной ленты, свернутой в рулон;

- во многих случаях для начального подогрева катализатора, используются выхлопные газы, отбираемые из затурбинного тракта. Подогрев воздуха на входе в компрессор, как известно, приводит к снижению КПД компрессора. Этот вариант неприемлем, да и нецелесообразен для мощных ГТД и ГТУ;

- во всех опубликованных схемах каталитических блоков используются микроразмерные прямолинейные каналы с ламинарным режимом течения, что также должно приводить к повышенным гидравлическим потерям и невозможности применения в газотурбинной технике;

- известные каталитические системы горения обладают высоким уровнем совершенства по химическим показателям самого катализатора, формам активной поверхности катализатора, материалов носителей катализаторов. Однако не удалось найти разработок и предложений в области совершенствования газодинамики, интенсификации тепломассообменных свойств каталитических блоков и, тем более, применительно для авиационных газотурбинных двигателей и энергоустановок наземного применения.

Наземные ГТУ мощностью свыше 20-30 МВт имеют расходы циклового воздуха более 100 кг/с. Поэтому простое масштабирование известных автомобильных конструкций каталитических блоков неприемлемо для ГТУ как по габаритным показателям, так и по большим потерям полного давления. Как известно, 1% дополнительных потерь полного давления влечет за собой потери около 1% КПД цикла.

Таким образом, к настоящему времени сложилась такая ситуация, при которой, с одной стороны, каталитическое (гетерогенное) горение для ГТУ высокой мощности оказалось неприемлемым ввиду больших потерь КПД цикла, а с другой стороны, известные технологии газофазного горения оказались не в состоянии обеспечить целевые и перспективные нормы 1САО.

В поисках выхода из данного технического противоречия в диссертационной работе предложена новая схема организации рабочего процесса, которая сочетает в себе преимущества как гетерогенного (каталитического), так и газофазного горения топлива.

Компромисс найден путем использования известного в газодинамике эффекта трансформации прямоточного течения в вихревое в системе «компланарно-пересекающихся каналов», например П-образного профиля, расположенных между собой под углом 2/? (рисунок 2).

Схема компланарно-пересекающихся каналов (КПК), как известно, обеспечивает высокие показатели по интенсивности тепломассообмена в широком диапазоне режимов работы.

Модель взаимодействия потоков и организации процессов горения в ячейке системы компланарно-пересекающихся каналов схематически представлена на рисунке 3.

На данной модели показано взаимно пересекающееся движение потоков внутри каждого из каналов. Набегающий поток (топливовоздушной смеси) попадает в каждый из каналов и за счет взаимодействия вязкостных и сдвиговых сил, происходит закрутка потока внутри каждого канала.

Рисунок 2 - Схема компланарно - пересекающихся каналов плоской формы

крытие стенки канала; 7 - радиальная центростремительная конвекция продуктов гетерогенного окисления топлива; 8 - поверхность газофазного горения топлива, стабилизированная в ядре вихря;

9 - область турбулентного взаимодействия потоков (вихрей) Рисунок 3 - Схема формирования микровихревых структур в ячейках с КПК

На поверхности каналов нанесено каталитически-активные материалы. При взаимодействии топливовоздушной смеси с поверхностью катализатора происходит быстрое гетерогенное окисление. В результате чего образуется водород Н2 и активные радикалы (ОН и др.), которые устремляются к центру ядра вихря, за счет разности плотностей. Где происходит дальнейшее горение в газовой фазе.

Таким образом, каждая ячейка в верхней и нижней частях блока КПК представляет собой очаг микрофакельного комбинированного гетерогенно-газофазного горения. В свободном пространстве за пределами каталитического блока закрученные микрофакелы продолжают интенсивное газодинамическое взаимодействие, в процессе которого осуществляется быстрое перемешивание продуктов сгорания богатой смеси с дополнительными потоками воздуха. Малое время смешения и сгорание при температурах менее 1800К должно обеспечить минимальные концентрации NOx и других загрязняющих веществ.

Степень закрутки оценивается отношением осредненной окружной составляющей скорости - V к осевой составляющей скорости потока - U, т.е. V/U. Закрутка тем интенсивнее, чем большее количество пересечений преодолел поток 3, подкручивая на своем пути поток 4 в нижних ячейках.

Изложенный принцип рабочего процесса микрофакельного, гетерогенно-газофазного горения имеет достаточно широкие возможности выбора влияющих факторов: геометрические размеры ячеек, число пересечений потоков, угол встречи потоков, наклон каналов по отношению к потоку и другие. Это обеспечивает широкие возможности оптимизации по соотношению гидравлических потерь с параметрами эмиссии.

На основании проведенного анализа имеющейся информации были сформулированы задачи исследования.

Вторая глава включает описание экспериментального оборудования, стендов, систем измерения и погрешностей данных систем. Вся экспериментальная база располагается в научно - образовательном центре газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) СГАУ. Экспериментально-исследовательская работа выполня-

лась в лаборатории лазерно-оптических исследований структуры потока и лаборатории исследования моделей камер сгорания ГТД.

Лазерно-оптические измерения скорости газовоздушного потока в представленной работе проводились с помощью новейших лазерно-оптических систем:

- 2D-PIV Dantec (Дания);

- 3D-LDA ЛАД-056С (Россия, г. Новосибирск),

- 3D-LDA-PDA Dantec (Дания).

Для сопоставления результатов, получаемых разными приборами, в разное время, но при одинаковых условиях, потребовалось выполнение их калибровки на одном стандартном газодинамическом объекте.

В качестве такого объекта была использована высокоскоростная струя из сопла Витошинского. Диаметр выходного цилиндрического участка сопла равен 14 мм. Особенность этой струи состоит, как известно, в том, что профиль скорости на срезе сопла имеет форму близкую к прямоугольной и на протяжении нескольких калибров скорость на оси струи остается равной скорости на срезе сопла.

Тестирование заключалось в следующем. Задавался режим, соответствующий перепаду давления 2,25% по воздуху. На входе в ресивер подавалась трассерная жидкость. Основная задача - создать засев исследуемого потока воздуха микрокаплями - маркерными частицами, которые идеально увлекаются исследуемым потоком. В качестве маркерных частиц использовалось мелко распыленное оливковое масло. Сопло устанавливалось так, чтобы направление движения потока было вертикально вниз. В процессе эксперимента осуществлялся непрерывный контроль за параметрами режима (мониторинг) и поддержание выбранного режима неизменным. Измерения скорости производились в плоскости XOY, расположенный вниз по потоку от среза сопла на расстояние Z = 30 мм в 17x17=289 точках. Точки измерений располагались в узлах прямоугольной решетки с шагом 2 мм по каждой координатной оси. Эти условия измерения были выдержаны одинаковыми, для обоих измерителей (3D-LDA ЛАД-056С (Россия, г. Новосибирск) и 3D-LDA-PDA Dantec (Дания)). Дополнительно были произведены измерения полного давления в этой же плоскости на оси струи. Во всех случаях производилось измерение расхода основного воздуха, а также вспомогательного воздуха, проходящего через генератор маркерной жидкости.

Расхождение в значениях осевой скорости С2, полученных двумя разными оптическими измерителями, оказалось равным 0,28 % от среднего, что является хорошим результатом.

В третьей главе описано построение геометрических моделей каталитических блоков с компланарно-пересекающимися каналами (рисунок 4),и результаты численного моделирования по определению структуры потока КБ, спроектированного в ходе работы. Все расчётно — теоретические исследования газодинамического течения в каталитическом блоке проводились с использованием методов численного решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих турбулентное течение вязкого сжимаемого газа.

Численное моделирование газодинамических и тепловых процессов проводились в программном комплексе ANSYS Fluent производства ANSYS Inc., в лаборатории вычислительной газовой динами научно образовательного центра газо-

Рисунок 4 - ЗО-модель каталитического блока цилиндрической формы с компланарно - пересекающимися каналами

Рисунок 5 - Векторное поле распределения скорости потока газа в КБ 5x5 после пересечения с тремя кана-

0,35 0,3 0,25 | 0,2 0,15 ОД 0,05 0

6

3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 1 Количество взаимных пересечений

Рисунок 6 - График зависимости степени закрутки потока (V/U) от количества пересечений каналов

динамических исследовании (НОЦ ГДИ) СГАУ. Результаты вычислений позволили получить общую картину течения как внутри канала (рисунок 5), так и на выходе из каталитического блока. Кроме этого, стало возможным получить график зависимости степени закрутки от количества актов взаимодействий потоков по длине канала (рисунок 6).

Из графика видно, что с увеличением длины взаимно пересекающихся каналов, поток по мере увеличения длины постепенно увеличивает степень закрутки.

Кроме этого в работе приводятся векторные и скалярные поля различных составляющих скорости течения потока газа, на разных режимах работы и удалении от среза моделей каталитических блоков. Описанная обработка результатов применялась для каждой проектируемой модели каталитического блока.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментального исследования. Учитывая сложность поставленной

задачи и отсутствие системных исследовании по влиянию конструктивных и режимных параметров на газодинамические характеристики потока на выходе из КБ с компланарно-пересекающимися каналами, их изучение проводились главным образом экспериментально.

Объектами экспериментального исследования являлись два каталитических образца с компланарно-пересекающимися каналами цилиндрической формы, с размером каналов 5x5 (рисунок 7) и 8x8 мм.

После проведения газодинамических экспериментальных испытаний были получены результаты, представленные на рисунках 8, 9. Основные зависимости и

параметры определялись по следующим формулам: р" - р"

а = ——-УШ- х 100% - потери полного давления;

Рисунок 9 - Расходная характеристика КБ

б в, кг/с

0,08

О 2000 4000 6000 8000 10000 «6в(5х5) в вв (8x8) ЛР*, Па

Рисунок 8 - График зависимости потерь полного давления от скорости на входе в КБ _

20 30 40

«0(5x5) ® ст (8x8)

50 60

Свх, м/с

Рисунок 7 - Модель каталитического образца цилиндрической формы с каналом 5x5 мм, выполненная методом точного литья

точке (сечении) потока газа.

где Р*х, Р'ых - давление торможения на входе и выходе КБ соответственно.

X = — - приведенная скорость;

а«Р

где С - скорость движения в исследуемой точке (сечении) потока газа; а - критическая скорость в исследуемой точке (сечении) потока газа, которая определяется:

где к - показатель адиабаты, равный 1,4 для воздуха (двухатомного газа); Я - универсальная газовая постоянная, равная 287 (Дж/кг К).

Т - температура торможения в исследуемой

пропускная способность,

где Св - массовый расход воздуха в исследуемой точке (сечении) потока газа, который определяется:

г- рЛ

где та - постоянный коэффициент равный 0,0404, при к=1,4; ^ - площадь поперечного сече-

ния; рК - статическое давление в исследуемой точке (сечения) потока газа; ул - газодинамическая функция.

В работе Н.П. Соколова, В.Г. Полищука, К.Д. Андреева представлены результаты по экспериментальному исследованию гидравлических характеристик трактов с компланарно-пересекающимися каналами. Авторы предприняли попытку обобщения эмпирических данных, полученных в разных организациях (рисунок 10). На графике представлены зависимости

эквивалентного сопротивления от величины критерия Рейнольдса Re. Где определялся как:

Reí;

Большой разброс в величинах гидравлических сопротивлений связан с большими отличиями конструктивных форм КПК._____

0 10 ООО 20 ООО 30 ООО 40 000 50 000

-1-ЦИАМ -2-CSIR -3-ЦИАМ

-^-4-МВТУ 5-КНПО —б-ЛГТУ -7 - МАТИ -Ж-8 - СГАУ (5x5) —t— 9 - СГАУ (8x8)

Рисунок 10 - Сопоставление эмпирических критериальных соотношений для расчетов коэффициентов сопротивления в компланарно-пересекающихся каналах со скрещивающимся под углом 2р=9(Г полученных различными организациями

Из результатов, представленных на рисунке 10, можно сделать вывод о том, что экспериментальные данные, полученные в ходе выполнения данной диссертационной работы, удовлетворительно согласуются с результатами других ведущих университетов и предприятий.

При подготовке к огневым испытаниям методом точного литья из жаропрочного сплава были изготовлены образцы КБ. В дальнейшем они были покрыты каталитическим материалом.

Испытания по определению эффективности каталитических образцов проводились на огневом стенде при атмосферных условиях р„ = 745 мм.рт.ст и Т„ = 20°С. Полученные результаты приведены на рисунке 11. Данные результаты рассчитаны по соответствующей формуле: С„(СО)

Кэф

2,5 •

• ♦

1,5 С -V.

»

600 650 700 750 800 850 ♦ Кэф (СО) 5x5 • Кэф (СО) 8x8 Тв*. К

Рисунок 11 - Эффективность КБ

с„„(со):

где С„ (СО) - концентрация оксида углерода на входе в КБ; Стх (СО) - концентрация оксида углерода на выходе из КБ.

Из экспериментальных результатов, представленных на графиках рисунка 1 1, можно отметить 2-х ... 3-х кратное снижение концентрации оксида углерода в выхлопных газах. Для малоэмиссионной камеры сгорания ГТУ, работающей на обедненных смесях, полученный результат свидетельствует о перспективности внедрения каталитических систем горения в целях снижения СО в выхлопных газах.

В данной главе приведено также сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных исследований.

На рисунке 12 представлены графики зависимости С„ = /(дР"), полученные в ходе численного моделирования, экспериментальных исследований (посчитанные по формулам определения скорости по среднемассовому расходу воздуха), а также при помощи лазерно-оптических средств измерений. Сравнение осуществлялось на двух моделях численного расчета и аналогичных образцах каталитического блока, применяемых в экспериментальных исследованиях. Это модели цилиндрической формы, с размерами ячейки канала 5x5 и 8x8 мм. Режимы работы выбраны таким образом, что бы на входе в КБ были одинаковые граничные условия.

Рисунок 12 - Сравнение скоростной характеристики каталитических блоков

Свх, м/с" 40

О 500 1000 в Скос. эксп. 5x5 X Сэксп (8x8)

1500 2000 2500 Ш Скос. эксп. 8x8 ---СЗО расч (5x5)

3000 3500 4000 4500

+ Сэксп (5x5) др»; ---СЗО расч (8x8)

В ходе сравнительного анализа было выявлено, что результаты численного расчета и эксперимента адекватны и статистически значимы при одинаковых режимах работы.

В пятой главе на базе сформулированного газодинамического анализа, приведенного в четвертой главе, предложена принципиально новая схема конструкции каталитической камеры сгорания для ГТД (рисунок 13).

Рисунок 13 - Схема конструкции каталитической камеры сгорания с применением системы компланарно - пересекающихся каналов

Зона догорания

А№5У5

По предложенной схеме осуществлено построение расчётно-геометрической модели трубчатой камеры сгорания. Далее проведена работа по генерации конечно-элементной сетки, для расчета структуры течения потока в постановке осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. В ходе проведённых численных расчетов была определена аэродинамическая структура течения потока (рисунок 14), получены гидравлические характеристики КС на 4-х режимах работы (рисунок 15).

Согласно представленным результатам по потерям полного давления, предложенная конструкция с компланарно-пересекающимися каналами отвечает требованиям к современным и перспективным камерам сгорания.

Рисунок 14 - Векторное распределение скорости по длине КС (граничные условия на входе в КС: Я = 0,32, 7= 700 К)

0,15 0,2

-"Исходная КС

0,25 0,3

-Предлагаемая КС

Рисунок 15 - Потери полного давления на модели КС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение для повышения экологической безопасности газотурбинных двигателей, за счет использования и внедрения каталитических блоков с компланарно-пересекающимися каналами в составе камер сгорания ГТД.

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1. Разработана принципиально новая конструкция каталитического блока с компланарно-пересекающимися каналами, обеспечивающая эффективное сжигание концентрации оксида углерода в продуктах сгорания.

2. Методами численного моделирования:

- выявлены формирования вихревых структур в компланарно-пересекающихся каналах каталитического блока;

- определены гидравлические потери каталитических блоков, при Лвх = 0,35 а < 8%.

3. Экспериментально:

- установлены закономерности взаимодействия потоков газа в системе компланарно-пересекающихся каналов;

- определена эффективность дожигания СО на образце каталитического блока. Которая составила 2...3 кратное снижение СО в диапазоне температур 600 - 800 К.

4. На основе результатов газодинамического исследования предложена концептуальная схема конструкции каталитической камеры сгорания.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК

1. Кныш, Ю.А. Особенности применения метода цифровой трассерной визуализации для экспериментального исследования закрученных газовых струй [Текст] / Ю.А. Кныш, Д.Н. Дмитриев, Редькин Е.С. // Вестник Самар. гос. аэрокосм, ун-та. -2011. №5(29).-С. 113-117.

2. Матвеев, С.Г. Моделирование процессов горения пропана при переводе камеры сгорания ГТД на газообразное топливо [Текст] / С.Г. Матвеев, A.M. Лан-ский, М.Ю. Орлов, В.Ю. Абрашкин, Д.Н. Дмитриев, A.B. Семенов // Вестник Самар. гос. аэрокосм, ун-та. -2011. №5(29). - С. 168-178.

3. Кныш Ю.А., Формирование в каналах блочного катализатора микровихревых потоков газа с интенсивной закруткой [Текст] / Ю.А. Кныш, Ю.И. Цыбизов, Д.Н. Дмитриев, A.A. Горшкалев // Вестник Самар. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. №3(34). Ч. 3. - С. 121 - 126.

4. Кныш Ю.А. Формирование микровихревых потоков газа в каналах блочного катализатора с компланарными каналами [Текст] / Ю.А. Кныш, Ю.И. Цыбизов, Д.Н. Дмитриев, A.A. Горшкалев // Вестник Самар. гос. аэрокосм, ун-та. -2013. №3.

В других изданиях:

5. Матвеев, С.Г. Расчетно-экспериментальная доводка камер сгорания малоразмерных ГТД [Текст] / С.Г. Матвеев, М.Ю. Орлов, С.С. Матвеев, Д.Н. Дмитриев // Научно-технический конгресс по двигателестроению: Сборник тезисов. — М.: ЦИАМ, 2012 г.-С. 48.

6. Иголкин, A.A. Акустические характеристики КС с вихревой газовой горелкой [Текст] / A.A. Иголкин, Д.Н. Дмитриев, А.И. Сафин // Человек и космос: Сборник тезисов XIV Международной молодежной научно-практической конференции. - Днепропетровск: НЦАОМ им. A.M. Макарова, 2012. - С. 28.

7. Кныш, Ю.А. Сравнение течения закрученной струи за газовой центробежной форсункой PIV-измерений и численного расчета [Текст] / Ю.А. Кныш, Д.Н. Дмитриев, И.А. Зубрилин // Проблемы теплообмассоомена и гидродинамика в энергомашиностроении: Труды VIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. - Казань: Изд-во Казанского государственного энергетического университета, 2012. - С. 61-63.

8. Дмитриев, Д.Н. Исследование микровихревого течения газа в компланарных каналах катализатора [Текст] / Д.Н. Дмитриев, И.А. Зубрилин, // Проблемы и перспективы развития авиации и авиастроения России: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Уфа: УГАТУ, 2013. - С. 134 -138.

9. Кныш, Ю.А., Исследование формирования вихревого потока газа в микроканалах катализатора [Текст] / Ю.А. Кныш, Ю.И. Цыбизов, Д.Н. Дмитриев, И.А. Зубрилин, Е.С. Редькин // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XIX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева. — М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С. 113 - 116.

10. Дмитриев, Д.Н., Применение технологии каталитического горения для газотурбинных двигателей [Текст] / Д.Н. Дмитриев, И.А. Зубрилин // Будущее машиностроения России: Сборник трудов шестой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - С. 188- 189.

Подписано в печать 18.11.2013 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная Объем 1,0 печ. л. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета 443086, Самара, Московское шоссе, 34, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С П. Королёва (национальный исследовательский университет)

04201455523

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО НРОФЕССИОНАЛЬ НОГО ОБРАЗОВ А НИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (СГАУ)

РАЗРАБОТКА КАТАЛИТИЧЕСКОГО БЛОКА ДЛЯ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТД НА ОСНОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В КОМПЛАНАРНО - ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ КАНАЛАХ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дмитриев Дмитрий Николаевич

Научный руководи1тель:

Кныш Юрий Алексеевич

доктор технических наук, профессор

Самара - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................6

Глава 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К СОЗДАНИЮ МАЛОЭМИССИОНЫХ КС.................................................................................11

1.1 Современные концепции организации процессов горения в малоэмиссионных камерах сгорания ГТД и ГТУ..........................................11

1.2 Каталитическое горение как новая концепция экологически безопасного сжигания топлива........................................................................16

1.3 О современном состоянии проблемы................................................18

1.4 Обоснование выбранной концепции рабочего процесса разработанного образца каталитического блока............................................28

Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ И УСТАНОВКИ.............31

2.1 Экспериментальный стенд.................................................................31

2.2 Измеряемые величины и приборы.....................................................33

2.2.1 Измерение газодинамических параметров потока....................33

2.2.2 Определение состава продуктов сгорания в выходном сечении КБ....................................................................................................................35

2.3 Измерение и обработка результатов испытания..............................38

2.4 Погрешность измерения.....................................................................41

2.5 Лазерно-оптические средства измерения скорости газовоздушного потока..................................................................................................................43

2.5.1 Метод измерения скорости ЗО-ЬБА ЛАД-056С.......................43

2.5.2 Метод измерения скорости ЗВ-ЬОА-РВА.................................47

2.6 Тестирование, измерение параметров газового потока на струе исходящей из сопла Витошинского.................................................................52

Глава 3 ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................57

3.1 Использование ЗБ расчётов в исследовательской работе..............57

3.2 Численное моделирование газодинамической структуры потока в моделях с КПК...................................................................................................64

3.2.1 Два канала с компланарно-пересекающейся схемой................64

3.2.2 Плоская модель КБ.......................................................................79

3.2.3 Восьмигранная модель КБ...........................................................83

3.2.4 Цилиндрическая модель КБ........................................................88

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................110

4.1 Результаты эксперимента по определению скорости газовоздушного потока на выходе из КБ с КПК..........................................112

4.1.1 Образец макета КБ цилиндрической формы с размером ячейки канала 5x5.....................................................................................................112

4.1.2 Образец макета КБ цилиндрической формы с размером ячейки канала 8x8........................................................................................124

4.2 Сравнение результатов численного расчета и эксперимента......136

Глава 5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................146

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................147

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

Сокращения:

ГТД - газотурбинный двигатель;

ГТД ВПТЦ - газотурбинный двигатель с высокими параметрами

термодинамического цикла;

ГТУ - газотурбинная установка;

ЗОТ - зона обратных токов;

КБ - каталитический блок;

КПД - коэффициент полезного действия;

КПК - компланарно-пересекающиеся каналы;

МКС - малоэмиссионная камера сгорания;

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды;

ПК - персональный компьютер;

ТЗ - техническое задание;

ТВС - топливовоздушная смесь.

Обозначения:

а - коэффициент избытка воздуха; Р ,Ф - угол;

5у - тензорная единица;

8 - диссипация турбулентной кинетической энергии;

Т|твс _ параметр качества подготовки топливовоздушной смеси;

Г)7, Г|7/- показатели степени прямой и обратной реакций;

X - приведенная скорость, температуропроводность;

ц - динамическая вязкость;

V V " - стехиометрические коэффициенты для реагентов и продуктов соответственно;

7г\ - степень повышения давления в компрессоре;

0Ф - окружная температурная неравномерность; 0Г - радиальная температурная неравномерность; р - плотность; Рг - число Прандтля.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Увеличение в последние десятилетия масштабов промышленного применения газотурбинной техники в авиации и наземных установках поставило перед разработчиками совершенно новые задачи. Среди них наиболее сложной является обеспечение экологической безопасности при эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и наземных газотурбинных установок (ГТУ). Прежде всего, это относится к снижению загрязнения атмосферы вредными веществами, образующимися при сгорании углеводородных топлив.

Начиная с 70-80-х годов истекшего столетия, принимаются законодательные национальные и международные нормативы по допустимым выбросам (эмиссии) вредных веществ от воздушных судов с ГТД и промышленных установок с ГТУ. Международные и национальные нормативы периодически пересматриваются и ужесточаются с тенденцией поэтапного снижения допустимых выбросов (уровней эмиссии) вредных веществ.

В настоящее время основное внимание сконцентрировано на резком снижении выбросов NОх, как самом опасном компоненте загрязнения окружающей среды, (рисунок 1.1).

Нормы 1996 г.

Нормы 2004 г.

- ; --•

Нормы 2008 г.

Нормы 2014 г.

'-аймб" -

ЖФ

Нормы 2020 г. (-60 %)

1996

2004

Нормы 2030 г.

2008 2014 2020 2030

Годы

Рисунок 1.1 - Нормы на эмиссию Ж)х по данным ИКАО [1,2]

В результате многолетних исследований ведущих мировых двигателестроительных фирм созданы и освоены в производстве методы снижения выбросов вредных веществ. Среди них можно выделить три основных, которые нашли наиболее широкое распространение в отечественной и зарубежной практике по созданию малоэмиссионных камер сгорания (КС) ГТД и ГТУ:

- LDI (Lean Direct Injection) - горение обеднённой топливо-воздушной смеси (TBC) с прямым впрыском топлива. Multi-LDI -многофорсуночная (до 300 шт.) камера сгорания;

- LPP (Lean Premixed Prevaporized) - горение обеднённой, предварительно подготовленной TBC;

- RQL (Rich (burn) - (quick) Quench - Lean (burn)) - сжигание обогащенной TBC, последующее быстрое перемешивание с воздухом и догорание в обеднённой фазе.

Указанные ранее технологии малоэмиссионного горения в ГТД практически достигли пределов своих возможностей. Однако целевые установки международной организации гражданской авиации ICAO (ИКАО) [3], инициируют дальнейшие исследования по уменьшению эмиссий вредных веществ. По мнению большинства отечественных и зарубежных специалистов, достижение целевых и перспективных нормативов по эмиссии вредных веществ, таких как СО и NOx, возможно лишь путем применения каталитических систем горения в КС ГТД. Поэтому тема исследования является актуальной.

Степень разработанности темы. У нас в стране и за рубежом работы в этом направлении были начаты уже более 30-ти лет назад. Тем не менее, до настоящего времени остаются нерешенными многие вопросы организации процессов каталитического горения в высокоскоростном турбулентном потоке газа в КС ГТД высокой мощности - свыше 20...30 МВт. Среди главных трудностей можно обозначить проблемы значительного повышения интенсификации процесса смесеобразования топлива и воздуха, увеличения

эффективности тепломассопереноса в зонах химических реакций без потери устойчивости по срыву пламени.

Данная диссертационная работа посвящена решению проблем для начального этапа выбранного направления исследований.

Цель и задачи. Цель работы - снижение уровня эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания за счет каталитического блока с компланарно-пересекающимися каналами для камер сгорания газотурбинных двигателей. Задачи исследования:

1. Разработать каталитический блок, обеспечивающий микрофакельное горение топлива.

2. Методами численного моделирования:

- выявить закономерности формирование вихревых структур в компланарно-пересекающихся каналах каталитического блока;

- оценить уровень гидравлических потерь каталитических блоков.

3. Экспериментально установить:

- закономерности взаимодействия потоков газа в системе компланарно-пересекающихся каналов;

- эффективность дожигания СО на образце каталитического блока.

4. Разработать схему конструкции каталитической камеры сгорания на основе результатов газодинамического исследования, обеспечивающей наименьшие потери полного давления.

Научная новизна.

1. Предложена новая газодинамическая схема организации микрофакельного горения топлива применительно к камерам сгорания ГТД и ГТУ.

2. Расчётными и экспериментальными способами выявлены условия формирования газодинамически устойчивых микровихревых структур, удовлетворяющих требованиям вихревой стабилизации пламени в микрофакеле.

3. Предложено новое техническое решение по использованию каталитических покрытий, обеспечивающее быстрое и экологически безопасное сгорание топливовоздушной смеси в поле действия массовых сил.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в создании математических и физических моделей организации рабочего процесса микрофакельного горения в каталитическом блоке с компланарно-пересекающимися каналами.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты работы позволяют снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания ГТД. Они могут использоваться на предприятиях авиационного двигателестроения, специализирующихся на проектировании современных и перспективных малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Полученные образцы каталитических блоков могут применяться в нефтехимической отрасли при переработке нефти и газа, а также для получения синтетических топлив по методу Фишера-Тропша. На основе результатов научно-технического сотрудничества СГАУ и ОАО «Кузнецов» (г. Самара) разработан план внедрения рекомендаций по использованию каталитического блока для камеры сгорания ГТУ НК-38СТ.

Результаты работы планируется также использовать при подготовке специалистов в области газотурбинной энергетики, конструировании и проектировании двигателей летательных аппаратов в высших учебных заведениях.

Методология и методы исследования. Общий методологический подход к решению проблемы базируется на системном анализе, математическом и численном моделировании процессов.

Для решения задач использовались методы двумерного и трехмерного моделирования, вычислительной газовой динамики, модельных и натурных экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новая схема организации процессов горения в микровихревых потоках топливовоздушной смеси с применением катализаторов.

2. Результаты теоретического исследования и численного моделирования новой схемы организации рабочего процесса в каталитических блоках с компланарно-пересекающимися каналами.

3. Результаты экспериментального исследования газодинамической структуры потока на модельных образцах каталитических блоков с компланарно-пересекающимися каналами.

Степень достоверности разработанных моделей и полученных результатов исследования подтверждена корректностью постановки задачи исследования, применением апробированных теорий, программных средств, сходимостью результатов расчета с экспериментами данными, полученными на специально созданном модельном стенде и с данными других авторов.

Основные результаты и положения полученные в ходе диссертационного исследования были доложены на VIII Всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей" Самара, 19-20 сентября 2012 г.; опубликованы трудах школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы теплообмассоомена и гидродинамика в энергомашиностроении» Казань, 16-18 октября 2012 г., доложены на Всероссийской научно технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации и авиастроения России» 17 мая 2013 г. Уфа, на 19-ой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева, а так же на шестой всероссийской конференции молодых ученных и специалистов «Будущее машиностроения России» 25-28 сентября 2013 г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К СОЗДАНИЮ МАЛОЭМИССИОНЫХ КС

1.1 Современные концепции организации процессов горения в малоэмиссионных камерах сгорания ГТД и ГТУ

За более чем полувековой опыт проектирования, промышленного производства и эксплуатации в различных областях народного хозяйства газотурбинный привод доведен до высочайшего уровня технологического совершенства по всем показателям: мощности, надежности, ресурсу и многим другим качествам.

Расширение масштабов промышленного применения, увеличение объемов выпуска, приближение промышленных объектов с ГТУ к населенным пунктам поставили перед разработчиками авиационной и наземной техники совершенно новые задачи. Среди них на первый план выдвинулась проблема обеспечения экологической безопасности при эксплуатации авиационных ГТД и наземных ГТУ. И прежде всего это относится к снижению загрязнения атмосферы вредными веществами, образующимися при сгорании углеводородных топлив.

Начиная с 70-80-х годов прошедшего столетия, принимаются законодательные национальные и международные нормативы, по допустимым выбросам (эмиссии) вредных веществ от воздушных судов с ГТД и промышленных установок с ГТУ. Международные и национальные нормативы периодически пересматриваются с тенденцией поэтапного снижения допустимых выбросов (уровней эмиссии) вредных веществ [1,2]. В настоящее время основное внимание разработчиков в первую очередь сконцентрировано на резком снижении выбросов ЛЮх, как самом опасном компоненте загрязнения окружающей среды.

Исследования, выполненные в России и за рубежом, показали, что только модернизацией существующих камер сгорания традиционной схемы нельзя добиться выполнения перспективных (целевых) норм ИКАО [3].

Стремление улучшить экологические характеристики, существенно не изменяя традиционной схемы авиационной камеры сгорания, позволило снизить эмиссию ИОх всего лишь на 10... 15 % [3]. Внедрение концепции двухзонного сжигания углеводородного топлива со сложной и дорогостоящей системой автоматического регулирования с дозированной топливоподачей позволило снизить эмиссию ИОх еще на 30.. .35 %.

ОКБ СНТК им. Н.Д. Кузнецова (ныне ОАО «КУЗНЕЦОВ») еще в начале 1960-х выдвинуло идею и реализовало принципиально новый способ организации рабочего процесса в кольцевых камерах сгорания авиационных ГТД - многоочаговую систему горения. Многогорелочные камеры сгорания отлично себя показали при эксплуатации на двигателях самолетов с дозвуковыми скоростями полета (НК-8, НК-8-2У, НК-86, НК-86МА) и сверхзвуковыми скоростями полета (НК-144, НК-22, НК25, НК-32), работающих на керосине, а также многогорелочных КС двигателей НК-8 8 и НК-89, работающих на криогенном топливе (водороде) и сжиженном природном газе (СПГ) соответственно.

Реализация накопленного опыта отработки параметров, в частности, в многогорелочной КС ТВВД нового поколения НК-93 позволила не только выполнить на этом двигателе нормы ИКАО 2004 г, но и вывести его на одно из первых мест среди существующих и вновь создаваемых двигателей [3].

Многолетний опыт эксплуатации многогорелочных камер сгорания (КС) в составе двигателей семейства НК показал их явные преимущества перед КС с традиционной схемой организации горения.

Значительно позднее (спустя примерно 10-15 лет) концепция многоочагового горения была заимствована большинством зарубежных двигателестроительных фирм [4].

Требования по дальнейшему снижению эмиссии вредных веществ побудили зарубежных разработчиков к поиску новых подходов создания малоэмиссионных камер сгорания [5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]. Так, в начале 80-х, появилась оригинальная концепция гомогенного горения «бедной»

предварительно перемешанной топливовоздушной смеси (TBC), известной как концепция LPP (Lean-Premixed and Prevapozised) [17] и концепция RQL (Rich-Quench-Lean) горения «богато-бедной» TBC [18,19].

Концепция LPP основана на низкотемпературном сжигании предварительно хорошо перемешанной бедной TBC. Для реализации данной концепции требуется:

- тщательное смешение топлива с воздухом по всему объему перед подачей TBC в зону горения;

- поддержание сос�