автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Снижение эмиссии оксидов азота в камерах сгорания ТРДД с компактным диффузионным фронтом пламени

Цатиашвили Вахтанг Валерьевич

СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТРДД С КОМПАКТНЫМ ДИФФУЗИОННЫМ ФРОНТОМ ПЛАМЕНИ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005060539

Рыбинск-2013

3 О МАЙ 2013

005060539

Диссертация выполнена в отделе камер сгорания (К0-203) опытно-конструкторского бюро Открытого акционерного общества «Авиадвигатель», г. Пермь.

Научный руководитель:

Александр Александрович Иноземцев, доктор технических наук, профессор, генеральный конструктор, управляющий директор ОАО «Авиадвигатель».

Официальные оппоненты:

Шота Александрович Пиралишвили, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»;

Владимир Миронович Захаров, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное унитарное предприятие «ЦИАМ им. П.И. Баранова».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», г. Самара.

Защита диссертации состоится 14 июня 2013 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Автореферат разослан 13 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Примерно 81 % от всей вырабатываемой энергии в мире составляет высвобождаемая при сгорании химическая энергия ископаемого топлива, что порождает одну из важнейших проблем современности - загрязнение продуктами сгорания углеводородного топлива атмосферы Земли. При сжигании углеводородных топлив образуются вещества, опасные для здоровья человека и окружающей природной среды - вредные вещества (ВВ).

С целью ко1проля над эмиссией (выбросами) ВВ на авиационном транспорте в 1986 г. Комитетом по защите окружающей среды от воздействия авиации (САЕР) Международной организации гражданской авиации (ICAO) были введены первые Международные нормы на эмиссию NOx (оксиды азота), СО, СХНУ (несгоревшие углеводороды) и дыма. Главная цель - контроль загрязнённости воздуха в районе аэропортов за так называемый стандартный взлетно-посадочный цикл (СВГЩ) работы двигателя. Нормирование эмиссии ВВ двухкотпурных турбореактивных двигателей (ТРДЦ) производятся по величине параметра эмиссии П¡^ - отношение массы эмитированного ВВ за режим СВПЦ к установленной взлётной тяге двигателя. С 1986 г. ведётся практика последовательного ужесточения Международных норм ICAO по сокращению эмиссии NOxaг ТРДД (САЕР/2 в 1996 г., САЕР/4 в 2004 г., САЕР/6 в 2008 г.) при сохранении эмиссии остальных ВВ на прежнем уровне.

Тенденция повышения эффективного КПД ТРДЦ с целью улучшения ею топливной эффективности ведёт к увеличению давления и температуры газа перед турбиной современных ТРДД и к существенному ускорению реакции образования NOx в камере сгорания, что обостряет проблему обеспечения будущих норм на эмиссию ВВ. Фирма GEAE (США) в 2009 г. сертифицировала ТРДД GEnx с взлётной тягой 255,3 кН, имеющий запас /Та-с* 65,8 % по отношению к нормам 2008 г.

Передовые современные ТРДД, созданные в постсоветский период, имеют следующие запасы nNOx по отношению к нормам 2008 г.: Д-436-148 (ГП «Ивченко-Прогресс», Украина) с тягой 68,8 кН - 21 %; SaM-146 (НПО «Сатурн», Россия и Snecma Moteurs, Франция) с тягой 72,7 кН -17,4 %.

С 2014 г. вводится норма САЕР/8, регламентирующая сокращение эмиссии NOx на 15 % к нормам 2008 г. (или на 50% к нормам 1986 г.). Планируется дальнейшее ужесточение Международных норм (целевой технологический уровень) к 2020 г. по параметру Пцох на 45 %, а к 2030 г. - на 60 % по отношению к нормам 2008 г. Обеспечение перспективных норм по эмиссии ВВ возможно только при условии использования новых малоэмиссионных технологий сжигания топлива.

Цель работы

Разработка и обоснование концепции малоэмиссионной камеры сгорания ТРДЦ с компактным диффузионным фронтом пламени, являющейся производным

направлением традиционной технологии сжигания топлива, для обеспечения перспекгавных Международных норм на эмиссию МОх.

Задачи работы

1. Выполнить теоретическую оценку минимально достижимого индекса эмиссии ЫОх в диффузионном фронте пламени.

2. Сформулировать концепцию малоэмиссионной камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени.

3. Выполнить оценку степени влияния принципов, заложенных в концепцию, на кощегауальной модели камеры сгорания.

4. Выполнить оценку эмиссионных характеристик жаровых труб, изготовленных в соответствии с разрабатываемой концепцией, в стендовых условиях с высокими параметрами.

Объект и предмет исследования

Объект исследования — совокупность способов снижения скорости образования АЮх в технических системах сжигания углеводородного топлива. Предмет исследования - камера сгорания ТРДЦ.

Методы исследования

1. Численные нуль-мерные (в термодинамической постановке) расчеты термохимического состояния газовых смесей в сети химических реакторов с идеальным перемешиванием на основе полных кинетических механизмов реакций окисления (СМ-МесЬ 3.0).

2. Численные одномерные расчёты термохимического состояния газовой смеси в структуре ламинарного фронта диффузионного пламени на основе редуцированного кинетического механизма реакций окисления (Кее 58).

3. Численные трехмерные расчёты течений с учётом процессов турбулентного горения, излучения, образования оксида азота в камере сгорания на основе осреднённых по Фавру уравнений Навье-Стокса.

4. Экспериментальные измерения целевых параметров потока (температуры, концентрации ВВ) на выходе одногорелочного отсека с серийными жаровыми трубами и трубами-демонстраторами концепции в соответствии с требованиями «Авиационных Правил. Часть 34. Охрана окружающей среды. Эмиссия загрязняющих веществ авиационными двигателями. Нормы и испытания» и ГОСТ 17.2.2.04-86 «Охрана природы. Атмосфера. Двигатели газотурбинные самолетов гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ».

Достоверность полученных результатов подтверждается применением:

1. Сертифицированного коммерческого программного продукта Chemkin фирмы Reaction Design (США), верифицированного разработчиком на задачах определения термохимического состояния газовых смесей.

2. Сертифицированного коммерческого программного комплекса ANSYS Flueni/CFX (США), верифицированного в ОАО «Авиадвигатель» по результатам сравнения с данными, полученными в ходе специальных испытаний элементов камер сгорания на автономных стендах и полноразмерных газогенераторах и двигателях.

3. Стандартизованных методик проведения и обработки результатов испытаний элементов камер сгорания в условиях автономных стендов ОАО «Авиадвигатель».

4. Метрологически аттестованного и поверенного измерительного оборудования в ОАО «Авиадвигатель».

5. Хорошим соответствием результатов трехмерного численного моделирования и результатов испытаний демонстраторов концепции.

Научная новизна

1. Выполнена теоретическая оценка и получена новая аналитическая формула влияния скорости скалярной диссипации в диффузионном фронте пламени на индекс эмиссии NOx для реальных условий работы камеры сгорания в ТРДЦ. Структура формулы адаптирована доя проектирования малоэмиссионных камер сгорания диффузионного типа

2. Разработана научная концепция камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени с использованием структурированной системы принципов малоэмиссионного сжигания топлива.

Теоретическая значимость

1. Сформулированные принципы концепции с компактным диффузионным фронтом пламени для снижения эмиссии NOx могут был. использованы (с адаптацией к специфике систем) при проектировании любых технических устройств сжигания углеводородного топлива

Практическая значимость

1. Сформулированные принципы Концепции являются базовым руководством для разработки проектов малоэмиссионных камер сгорания как для модернизируемых, так и для вновь создаваемых авиационных и наземных ГТД.

2. Успешное завершение серии испытаний демонстраторов является основой для начала разработки проектов камер сгорания на базе подтверждённой Концепции по модернизации камер сгорания ГТД ПС-90А2, ГТУ-16П, ГТУ-25П.

Апробация работы

Основные результаты работы представлены на Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых

двигателей» (Самара, 2007 г.); 56-й научно-технической сессии Комиссии по газовым турбинам Российской академии наук «Применение ГТУ в энергетике и промышленности (г. Пермь, 2009 г.); 8-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2009» (г. Москва, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2011 г.); «ASME Turbo Expo» Turbine Technical Conference & Exposition (г. Копенгаген, 2012 г.). По теме диссертации опубликованы 4 статьи в периодических изданиях, включённых в список ВАК.

Внедрение результатов работы

На основе совокупности полученных результатов численного моделирования рабочего процесса и натурных испытаний демонстраторов Концепции малоэмиссионного сжигания топлива, в соответствии с утверждёнными планами ОАО «Авиадвигатель», проводится разработка камер сгорания для модернизации семейства ТРДЦ ПС-90А и наземных ГТУ-16П, ГТУ-25П.

На защиту выносятся

1. Результаты анализа снижения индекса эмиссии NOx в диффузионном пламени.

2. Обоснование новизны концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени по сравнению с альтернативными малоэмиссионными концепциями сжигания топлива в камерах сгорания ГТД.

3. Результаты численного моделирования рабочего процесса в концешуальной модели камеры сгорания.

4. Результаты испытаний серийных вариантов и демонстраторов Концепции.

Личный вклад автора

1. Формулирование и обоснование концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени.

2. Подготовка, проведение и анализ результатов расчётов: термохимического состояния газовых смесей в сети химических реакторов; структуры ламинарного диффузионного фронта пламени; трехмерных течений с учётом процессов турбулентного горения, излучения, образования NOx в камерах сгорания.

3. Планирование натурных испытаний жаровых труб-демонстраторов концепции и серийных жаровых труб в стендовых условиях с последующей обработкой и анализом результатов испытаний.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 64 наименований. Основной текст содержит 175 страниц, 116 иллюстраций и 17 таблиц и одно приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении приводится актуальность и раскрывается общая характеристика работы: формулируются цели и задачи исследования; объект, предмет и методы исследования; научная новизна, практическая значимость и результаты, выносимые на защиту автором.

Первая глава начинается с общепринятой классификации химических механизмов образования оксидов азота, проявляющихся в технических системах сжигания углеводородного топлива. К ним относятся: термический механизм Зельдовича, быстрый (сверхравновесный) механизм Фенимора, топливный механизм, механизм образования NOx через промежуточный компонент N20. На основании литературных данных показан лидирующий вклад термического механизма в суммарное образование NOx в камерах сгорания ТРДЦ.

В сравнительном анализе рассматриваются достоинства и недостатки четырёх основных концепций снижения эмиссии NOx, используемые в камерах сгорания современных ТРДЦ:

1. LPP (Lean Premixed Prevaporized) - горение обеднённой, предварительно испарённой и перемешанной смеси с топливом;

2. RQL (Rich (burn) - (quick) Quench - Lean (burn)) - сжигание обогащённой смеси топлива, быстрым перемешиванием с воздухом и последующем горением обеднённой смеси;

3. Staged Combustion (SC) - зональное сжигание топлива.

4. LDI (Lean Direct Injection) - горение обеднённой смеси с прямым впрыском топлива. Multi-LDI - многофорсуночная (до 860 шт.) камера сгорания, сходная с камерой ЖРД.

Приводится информация о методике нормирования эмиссии ВВ в ICAO, эволюция ужесточения этих норм и решения 8-го совещания САЕР 2010 г., которые, в частности, предполагают: запрет на производство с 2013 г. ТРДЦ не обеспечивающих нормы САЕР/6; ужесточение с 2014 г. норм на эмиссию NOx по отношению к нормам 2008 г. на 5... 15%; утверждение целевых технологических уровней снижения эмиссии NOx ниже норм 2008 г. на 45 % и 60 % соответственно к 2020 г. (среднесрочный уровень) и к 2030 г. (долгосрочный уровень).

Показано, что только двигатели Д-436-148 (ГП «Ивченко-Прогресс») и SaM-146 (НПО «Сатурн» и Snecma Moteurs) обеспечивают нормы по эмиссии NOx 2014 года. В камерах сгорания указанных двигателей используется, по-сути, развитие традиционной технологии диффузионного сжигания топлива с обогащенным составом смеси во фронте жаровой трубы, схожую с RQL.

Приводится обзор разработок современных камер сгорания для ТРДЦ в передовых зарубежных двигателестроительных компаниях: General Electric

Aircraft Engines (GEAE, США), Pratt & Whitney (PW, США), Rolls-Royce (RR, Великобритания). Самая передовая фирма GEAE в 2009 г. провела сертификацию ТРДД GEnx для самолёта Boeing 787 Dreamliner, обеспечивающий выполнение долгосрочных целевых норм 2030 г. GEnx имеет камеру сгорания TAPS (Twin Annular Premixing Swirler) - радиальное зонирование горения с предварительным перемешиванием и горением обеднённой по составу смеси. На ее разработку потрачены 8 лет и 60 млн. долларов США.

Вторая глава посвящена описанию используемых математических моделей для описания физико-химических процессов в камерах сгорания. Нульмерные модели используются для определения термодинамических характеристик и состава реагирующей газовой смеси в реакторной модели камеры сгорания с идеальным перемешиванием на основе программного продукта Chemkin. Численно решается система уравнений сохранения массы для каждого реактора, баланса концентраций компонентов и сохранения энергии газовой системы в каждом реакторе.

Одномерные численные расчёты используются для расчёта структуры ламинарного диффузионного фронта пламени: распределение температуры и концентраций компонентов газовой смеси. Расчёты проводятся в препроцессоре prePDF 4.1. Определение структуры фронта пламени основано на решении системы уравнений диффузии с источниковым членом по кинетическому механизму горения и уравнения энергии Flamelet-модели (модель тонкого фронта пламени) диффузионного горения авторов N. Peters (RWTH, г. Ахен, ФРГ) и В. Р. Кузнецова (ЦИАМ, г. Москва).

Трёхмерные численные расчёты проводятся в программном комплексе ANS YS Fluent 12.1 для определения структуры и параметров потока в камере сгорания. Для описания физико-химических процессов в камере сгорания ГТД используются: Модель турбулентного течения смеси газов (к-с realizable); Модель турбулентного горения газообразного топлива (Flametet-модель с использованием функции распределения плотности вероятности пульсаций концентрации P{Z) -ФПРВ, в виде ß-функции Эйлера); Модель радиационного теплообмена в излучающей среде (DO с моделью взвешенной суммы серых газов СО2 и Н20); Модель образования NOx (с ß-функцией Эйлера пульсаций температуры для расчёта осреднённой скорости реакции SN0).

Решаются уравнения неразрывности, уравнения количества движения в форме Навье-Стокса, уравнения энергии и уравнения состояния идеального газа по методу контрольных объёмов. Осреднение системы уравнений производится по методу Фавра с использованием плотности в качестве весовой функции.

Третья глава посвящена описанию принятой методологии проектирования демонстратора концепции и логическую структуру диссертации. В работе используется адаптированная методология NASA (США) проектирования новых систем в аэрокосмической промышленности, основанная на шкале классифицированных уровней готовности (развития) технологий (Уровень).

Шкала Уровней применительно к данной работе состоит из следующих: №4 - Подтверждение характеристик концепции в лабораторных условиях (на основе концептуальной модели камеры сгорания разработаны демонстраторы концепции, прошедшие натурные испытания). №3 - Аналитические и экспериментальные подтверждения критически важных функций и/или характеристик концепции (на основе ключевого принципа концепции выполнено моделирование рабочего процесса в компьютерной концептуальной модели). №2 - Концепция технологии и её применение сформулированы (представлена теоретическая оценка и аналитическая форма эффекта сокращения индекса эмиссии NOx при увеличении х,,)- №1 - Базовые принципы исследованы и опубликованы (результаты исследований образования NOx в пламенах различной конфигурации, разработка методик расчёта).

В качестве прототипа концептуальной камеры сгорания выбрана серийная камера двигателя ПС-90А2 (развитие линейки ПС-90А в классе взлётной тяги от 142,2 до 170,7 кН). Для снижения рисков программы разработки камеры сгорания на основе сформулированной Концепции используются демонстраторы. Их назначение - экспериментальное подтверждение (валидация) сформулированных принципов Концепции по организации малоэмиссионного сгорания топлива. Разработка новой концепции малоэмиссионного горения фокусируется на формировании специфической газодинамической структуры течения внутри жаровой трубы, путем изменения течения газа за счёт конструкции трубы с инвариантной (по отношению к прототипу) системой подачи и впрыска топлива.

Приводится описание конструкции серийных камер сгорания двигателя ПС-90А2 (вариант А2), ПС-90А (вариант А), наземной газоперекачивающей установки ГТУ-16П (вариант П) и диапазон изменения параметров рабочего процесса в камере сгорания от режима малого газа (холостого хода) до взлётного (номинального).

На основе результатов трехмерного моделирования сделан вывод о значительной осевой протяжённости осреднённой поверхности фронта пламени в камере сгорания А2, вблизи которой располагается область образования NOx.

Четвертая глава содержит этапы разработки Концепции малоэмиссионного диффузионного сжигания топлива. На основе численно-аналитического метода решается задача по теоретической оценке потенциала

снижения индекса эмиссии N0 - ЕГЫО - в диффузионном пламени для общего случая горения ламинарной струи газообразного горючего в открытом воздушном пространстве.

Выведена формула для определения ЕГЫО в зависимости от эффективной скорости скалярной диссипации %я в ламинарном диффузионном пламени в общем случае:

Мя

EINO = 2(1 - Zsl)^~ ■ \SNOdZ PaXsi дz

200

100 50

["моль м*-с - =2 - -3 — 4 lg gj 1 о ■ -1 -2 -3 л ■ моль м1 •с

L / ч к Lj - - .

/ ЛЧ V / \| Г

Ik \ л \ \ \ 1

у х 1 ч

О)

4w> 2,4

1,8

0,04

0,08

Рисунок 1 - Распределение удельной скорости Рисунок 2 - Влияние скорости диссипации реакции образования N0 во фронте пламени пассивной примеси на нормированный поток при значениях Хл=0,01 с"1 (1), N0 (1) и суммарную скорость образования

Хя=Ю с"1 (2), Хй=50 с"1 (3), зи=150 с"1 (4) N0 (2) в диффузионном пламени

Расчеты по определению зависимости = /(г) в формуле (1) проведены путём решения системы уравнений Петерса-Кузнецова с учётом только механизма Зельдовича при температуре воздуха Тк = 747 К и давлении воздуха Рк = 1963 кПа. Для описания горения использован редуцированный механизм окисления метана - Кее 58, содержащий 58 реакций между 18 компонентами (включая атомы О). На рис. 1 приведён вид функции 5ю = /(г) для выборочных значений х„ • Интервал Ы выделяется границами с бедной (Ь) и богатой (Я) стороны относительно стехиометрии (я^ и заключает внутри область источника образования N0 в пламени. На рис. 2 показана зависимость

ЕШО

приведённого индекса эмиссии NO gN0 = -

- = /(%„), а также суммарная

{EINO)Xi=1

скорость образования N0 в диффузионном пламени wN0 = \SNOdZ = f(xs,) •

Лz

Несмотря на немонотонный характер функции wN0 = f(%„), EINO является монотонно убывающей функцией. При сравнении с работами других авторов выявлено, что неучёт дифференциальной диффузии компонентов и излучения пламени приводит к завышению gm и wN0 в области < 1 (проявляется в изломе характеристик). По сравнению с известными корреляционными

зависимостями для индекса эмиссии ЫОх в струйных диффузионных пламенах, формула (1) пригодна в качестве инженерного инструмента проектирования малоэмиссионных камер сгорания диффузионного типа.

Теоретическая оценка эффекта сокращения эмиссии ЫОх при увеличении Х„ является ключевым положением (ядром) разрабатываемой концепции малоэмиссионного сжигания топлива. Эффективность подавления образования ЫОх проявляется тем сильнее, чем выше адиабатическая температура (низшая теплота Ни сгорания топлива). Применение альтернативных видов топлив в ТРДД с Ни близкой или более, чем Нц керосина, не ограничивает потенциала ядра концепции по сокращению ИОх.

Сформулированы принципы разрабатываемой Концепции.

Принцип 1 - обеспечить высокие значения %и по всей поверхности фронта пламени; Принцип 2 - обеспечить блокирование фронта пламени и высокотемпературных областей в первичной зоне жаровой трубы; Принцип 3 -сократить объём первичной зоны жаровой трубы; Принцип 4 - выполнить распределение расхода воздуха между зонами жаровой трубы, обеспечивающее низкую скорость образования ЫОх во вторичной зоне; Принцип 5 -обеспечить обогащённый топливом состав газовой смеси в зоне обратных токов на основных режимах работы камеры сгорания.

Принцип 1 - борьба с поверхностным (вблизи фронта пламени) источником образования N0*. Принцип 2 -подавление объёмного источника образования ЫОх в высокотемпературных молях газа, оставшихся после разбавления воздухом. Принцип 3- сокращение образования NОх за счёт малого времени пребывания газа в первичной зоне жаровой трубы. Принцип 4 предотвращает образования NOx во вторичной зоне, с большим временем пребывания газа с целью завершения реакции окисления СО до С02. Принцип 5 - предотвращает образования МОх в зоне обратных токов с повышенным временем пребывания газа для обеспечения устойчивого горения в различных условиях эксплуатации камеры сгорания.

Для численного обоснования принципов Концепции сгенерирована геометрическая модель концептуальной камеры сгорания (рис. 3) в которой учтены сформулированные принципы. Проведена серия трёхмерных расчётов различных типов реализации концепции: с противокруткой воздушных потоков завихрителей (Тип 1), со спутной закруткой воздушных потоков завихрителей {Тип 2), Тип 1 с подачей воздуха через Ряд №2 (Тип 3), Тип 1 с подачей воздуха через Ряд №1 (Тип 4) с вариацией коэффициента избытка воздуха в жаровой трубе путём изменения расхода топлива. Из-за значительной неопределённости в корректном задании граничных условий для впрыска керосина, в расчётах, в качестве топлива, используется метан.

Воздух,

Вюдух' Ряд №1 завихри-

тель№1 /■; ;

©

■'¡Топливо

Щ

1 _>Т,

Воздух системы £1X0, охлаждения ц

яша

1 *

[г!нг] ♦Т1 -Ш-Т2 -*-тз *Т4 + Вариант П -

+ \

/ \\

\\ Ж® ; \\ ;...............

Воздух,

завихри- воздух, Воздух, тель №2 Ряд №2 ряд №3

Рисунок 3 - Модель различных типов Рисунок 4 - Индекс эмиссии разных типов реализации концептуальной камеры сгорания камер сгорания в зависимости от акс

ЕШОх исследованных типов представлены на рис. 4. Изменение направления вращения воздуха в завихрителях (кривые 1 и 2) практически не влияет на ЕШОх через изменение из-за различий в пространственном расположении области максимальных касательных напряжений и фронта пламени. Принцип 1 не продемонстрирован в явном виде, что указывает на нетривиальность задачи увеличения х„ на поверхности фронта пламени. Показано, что в условиях представленной геометрической модели, Принцип 3 совместно с Принципом 5 имеют определяющее значение для ЕШОх.

Приведена связь (табл. 1) Концепции (КДФП) с представленными в обзоре концепциями по способу воздействия на источник образования КОх в объёме, в богатом гомогенном фронте пламени (ЯР), бедном гомогенном фронте пламени (Ь¥) и диффузионном фронте пламени. Демонстрируется самостоятельность Концепции КДФП и её место среди других концепций малоэмиссионного сжигания топлива в камерах сгораня 'ГРДД.

Пятая глава посвящена описанию стендовой экспериментальной базы ОАО «Авиадвигатель» (одногорелочный отсек), на которой выполнялись натурные испытания демонстраторов Концепции и серийных жаровых труб.

Таблица 1 - Сравнение концепций малоэмиссионного горения

Способы воздействия концепций на источники образования АЮх

Источник N0* ЬРР БС 1ЛЛ МиШ - 1Л)1 КДФП

Поверхностный, 5 г ° NО г' (я.Лг хЛо.) аг[р{2)] тг

Объёмный, Чу ° но («Д. («г )я> («Л «г(0

Стенд оборудован двумя центробежными электрическими компрессорами. В линии расположен электрический подогреватель воздушного потока. В соответствии с требованиями стандарта 1САО испытательный стенд

ОАО «Авиадвигатель» оборудован

системой отбора и анализа проб выхлопного газа для измерения выбросов газообразных загрязняющих веществ. Приводятся технические характеристики газоанализаторов КОх, СО, С02, 02, СН, соответствующие требованиям стандарта 1САО. Метрологическое обеспечение испытаний соответствует требованиям ГОСТ Р 51672-2000.

Таблица 2 - демонстраторы Концепции

Шестая глава содержит результаты расчёгно-экспериментального подтверждения (обоснования) Концепции на уровне готовности технологии №4 на стенде ОАО «Авиадвигатель». На основе серийной жаровой трубы варианта А2 путём последовательной доработки изготовлены и прошли испытания демонстраторы Концепции Д-1, Д-2, Д-4, Д-5 (табл. 2). Доля расхода воздуха через фронтовое устройство и основные отверстия демонстраторов составляет 69...70,5 % от общего расхода, что превышает аналогичную сумму в серийной жаровой трубе А2 (=40 %). Испытания Д-1 из-за значительных утечек воздуха признаны некондиционными. Испытания варианта Д-3 признаны нецелесообразными на основании результатов моделирования. Сравнительные испытания проведены при полной температуре воздуха на входе в отсек Т'к = 723 К, полное давление воздуха Р'к = 0,785 МПа. Пределы вариации коэффициента избытка воздуха в жаровой трубе путем изменения расхода топлива акс = 2,75...б. В качестве топлива использовался керосин марки ТС-1, подающийся через серийную форсунку камеры сгорания варианта А2.

Для верификации расчётной структуры течения (топливо - метан), горения и образования ИОх проведена отдельная серия испытаний демонстраторов с подачей природного газа через форсунку, аналогичную форсунке варианта П. Сравнение результатов трёхмерного моделирования и натурных испытаний по определению ЕШОх представлены на рис. 5.

Относительная погрешность согласования результатов не более 12,9 %.

Результаты испытаний

демонстраторов на керосине представлены на рис. 6 и 7 при сравнении с режимами СВПЦ ПС-90А2. Roo - взлётная тяга ПС-90А2. Результаты

моделирования показывают, что характер изменения EINOx Д-2, Д-4, Д-5 является сходственным. Размещение дополнительных основных отверстий на Д-4 позволило эффективней блокировать фронт пламени. Практически постоянный уровень EINOх в диапазоне акс=4...6

свидетельствует о

диффузионном типе горения. Расчётная интерпретация

уменьшения EINOx при акс < 4 связана с действием трёх факторов. Первый -уменьшение доли объёмных реакций образования NOx, вблизи стенки трубы. Второй -предотвращение за рядом основных отверстий

образования протяжённых зон генерации NOx. Третий фактор - увеличение средней по поверхности 2 = Zs¡ скорости скалярной диссипации. При акс = 3 снижение EINOx в варианте Д-4 по сравнению с вариантом А2 составляет 35 %. Экстраполяция кривых EINOx в

ЕІУО

Рисунок 5 - Сравнение EINOx варианта П и демонстраторов на природном газе

Рисунок 6 - Сравнение EINOx вариантов А, А2 и демонстраторов на керосине

EICO

ч ^ С

Рисунок 7 - Сравнение EICO вариантов А, А2 и демонстраторов на керосине

варианте Д-4 и А2 до значения а кс = 2,55 показывает, что Д-4 имеет EINOx на =47 % меньше по сравнению с А2. Все демонстраторы имеют приемлемые EICO по сравнению с камерами сгорания вариантов А2 и А в диапазоне значений акс = 5...6, соответствующих режиму малого газа.

Для надёжной оценки снижения П[Юх в камере сгорания на основе Д-4 по сравнению с А2 в условиях ПС-90А2, требуется проведение серии испытаний при моделировании Т'к, Р'к и а кс, соответствующие режимам СВПЦ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Минимальный индекс эмиссии NOx в камере сгорания диффузионного типа обеспечивается только за счёт реализации условий, способствующих сгоранию топлива в компактном диффузионном фронте пламени.

2. Сущность концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени заключается в подавлении объёмного и поверхностного источников образования NOx путём блокирования фронта пламени в первичной зоне жаровой трубы и газодинамической интенсификацией горения топлива.

3. В рамках концепции основные принципы малоэмиссионного сжигания топлива в камерах сгорания ТРДД объединены в структурированную систему с выявленными взаимосвязями.

4. Применение разработанной концепции к жаровой трубе серийной камеры сгорания ТРДД ПС-90А2 в стендовых условиях с высокими параметрами позволяет снизить индекс эмиссии NOx на 35 ...47 % в условиях взлётного режима, что по предварительной оценке, обеспечивает целевой параметр эмиссии NOx норм 1С АО 2020 г.

5. Концепция камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени подтверждена на 4-м уровне готовности технологии. Внедрение разработанной концепции в ТРДД под нормы ICAO 2020 г. имеет существенно меньший технический риск по сравнению с другими концепциями и не ограничивает использование альтернативных авиационных видов топлив.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Цатнашвили, В. В. Численное моделирование процессов в микрофакельном горелочном устройстве / В.В. Цатиашвили // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева. - 2007. -№2. - С. 185-190.

2. Иноземцев, A.A. Эмиссионное совершенствование камеры сгорания богато-бедного типа на этапе проектирования / A.A. Иноземцев, В.Г.

Августинович, В.В. Цатиашвшш// Известия вузов. Авиационная техника. — №4. - Казань, 2010. - С. 44 - 48.

3. Иноземцев, А.А. Прогнозирование эмиссионных характеристик на основе реакторной модели камеры сгорания / А.А. Иноземцев, В.Г. Августинович, В.В. Цатиашвшш// Известия вузов. Авиационная техника. -№1. -Казань, 2011.-С. 45-50.

4. Цатиашвили, В.В. Влияние скорости смешения реагентов в диффузионном пламени на эмиссию оксидов азота / В.В. Цатиашвили// Известия вузов. Авиационная техника. -№1. - Казань, 2013. - С. 38-43.

Статьи в прочих изданиях

5. Цатиашвили, В.В. Прогнозирование эмиссионных характеристик в реакторной модели идеальной камеры сгорания «богато-бедного» типа на этапе проектирования / В.В. Цатиашвили // Тезисы докладов 56 научно-технической конференции «Применение ГТУ в энергетике и промышленности»: Комиссия по газовым турбинам РАН - Пермь: ОАО «Всероссийский теплотехнический институт», ОАО «Авиадвигатель», 2009. - С. 60 - 69.

6. Цатиашвили, В.В. Результаты численного исследования влияния геометрии струйного смесителя камеры сгоарния «богато-бедного» типа на эмиссию окислов азота / В.В. Цатиашвили // Тезисы 8-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2009», - Москва, 2009. - С. 129 -130.

7. Inozemtsev, A. A. Improvement of Rich-Lean Combustion Chamber Emission at the Design Stage / A. A. Inozemtsev, V. G. Avgustinovich, V. V. Tsatiashvili // Russian Aeronautics (Iz. VUZ). - Vol. 53. - No. 4. - 2010.

8. Inozemtsev, A. A. Prediction of Emission Charactetristics Using the Reactor Model of Combustion Chamber / A. A. Inozemtsev, V. G.Avgustinovich, V. V. Tsatiashvili // Russian Aeronautics (Iz. VUZ). - Vol. 54. - No. 1. - 2011.

9. Tsatiashvili, V.V. Nonequilibrium Effect on Nitrogen Oxides Production in a Diffusion Flame / Tsatiashvili V.V., Avgustinovich, V.G. // Paper GT2012-68222. Proceedings of ASME Turbo Expo. -2012. - P. - [1-8].

Зав. РИО M. А. Салкова Подписано в печать 13.05.2013. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Заказ 150.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва (РГАТУ имени П. А. Соловьёва)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьёва

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Открытое акционерное общество «Авиадвигатель»

На правах рукописи

04201360373

Цатиашвили Вахтанг Валерьевич

СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТРДД С КОМПАКТНЫМ ДИФФУЗИОННЫМ ФРОНТОМ ПЛАМЕНИ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., профессор A.A. Иноземцев

Пермь -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Обзор механизмов образования оксидов азота

1.2 Обзор концепций снижения эмиссии оксидов азота в КС авиационных ГТД

1.3 Обзор работ по созданию КС для обеспечения перспективных требований по эмиссии вредных веществ

1.4 Выводы

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КС

2 Л Нуль-мерные численные расчёты

2.2 Одномерные численные расчёты

2.3 Трёхмерные численные расчёты

2.4 Выводы

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ И СУЩЕСТВУЮЩИЙ ТЕХНИЧЕКИЙ БАЗИС

3.1 Методология проектирования демонстратора концепции

3.2 Описание конструкции серийных КС семейства двигателей ПС-90А

3.3 Особенности рабочего процесса в КС «А2»

3.4 Влияние течения в основных отверстиях на эмиссию N0

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ МАЛОЭМИССИОННОГО ДИФФУЗИОННОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

4.1 Расчётно-аналитическое обоснование

112

ключевого положения концепции

4.2 Выводы 92

4.3 Концептуальная модель камеры сгорания 93

4.4 Взаимосвязь концепций малоэмиссионного горения

4.5 Выводы 115

ГЛАВА 5. ПРОВЕДЕНИЕ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ 116

5.1 Стендовое оборудование 116

5.2 Обработка результатов испытаний 122

5.3 Выводы 123 ГЛАВА 6. РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ

6.1 Выбор фронтового устройства демонстратора 126

6.2 Расчётно-экспериментальное обоснование концепции

6.3 Сравнение результатов расчётов и результатов испытаний демонстраторов на природном газе

6.4 Результаты испытаний демонстраторов на керосине

6.5 Выводы 163

126 126 128

159

160 ,

Заключение 164

Список сокращений и условных обозначений 165

Библиографический список 169

Приложение 1 175

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших глобальных проблем современного общества является усиление негативного антропогенного влияния на окружающую природную среду. Примерно 81 % от всей вырабатываемой энергии в Мире составляет химическая энергия ископаемого топлива, высвобождаемая в результате химической реакции с кислородом воздуха, в виде тепла [1]. Основными продуктами полного сгорания углеводородных топлив в воздухе является углекислый газ и вода в смеси с азотом. Вместе с тем, при сжигании углеводородных топлив, в незначительном количестве образуются вещества, опасные для здоровья человека и окружающей природной среды - вредные вещества (ВВ).

С целью контроля над эмиссией (выбросами) ВВ на авиационном транспорте в 1986 г. Комитетом по защите окружающей среды от воздействия авиации (САЕР) Международной организации гражданской авиации (ICAO) были введены первые Международные нормы на эмиссию NOx (оксиды азота), СО, СХНУ (несгоревшие углеводороды) и дыма. Главная цель - контроль загрязнённости воздуха в районе аэропортов за так называемый стандартный взлетно-посадочный цикл (СВПЦ) работы двигателя. Нормирование эмиссии ВВ двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) производятся по величине параметра эмиссии nNOx ~ отношение массы эмитированного ВВ за режим СВПЦ к установленной взлётной тяге двигателя. С 1986 г. ведётся практика последовательного ужесточения Международных норм ICAO по сокращению эмиссии NOx от ТРДД (САЕР/2 в 1996 г., САЕР/4 в 2004 г., САЕР/6 в 2008 г.) при сохранении эмиссии остальных ВВ на прежнем уровне.

Тенденция повышения эффективного КПД ТРДД с целью улучшения его топливной эффективности приводит к увеличению давления и температуры газа перед турбиной современных ТРДД и к существенному ускорению реакции образования NOx в камере сгорания (КС), что обостряет проблему обеспечения будущих норм на эмиссию ВВ. Фирма GEAE (США) в 2009 г. сертифицировала ТРДД GEnx с взлётной тягой 255,3 кН для самолёта Boeing 787, имеющий запас nNOx 65,8 % по отношению к нормам 2008 г.

Передовые современные ТРДД, созданные в постсоветский период, имеют следующие запасы I7NOx по отношению к нормам 2008 г.: Д-436-148 (ГП «Ивченко-Прогресс», Украина) с тягой 68,8 кН - 21 %; SaM-146 (НЛО «Сатурн», Россия и Snecma Moteurs, Франция) с тягой 72,7 кН - 17,4 %.

С 2014 г. вводится норма САЕР/8, регламентирующая сокращение эмиссии ЫОхна 15 % к нормам 2008 г. (или на 50 % к нормам 1986 г.). Дальнейшие усилия по ужесточению Международных норм предполагают достижение в среднесрочной перспективе (к 2020 г.) снижения целевого технологического уровня параметра эмиссии АЮх на 45 % к нормам 2008 г. В долгосрочной перспективе (к 2030 г.) целевой технологический уровень параметра эмиссии ИОх должен быть снижен на 60 % к нормам 2008 г. Обеспечение перспективных норм по эмиссии ВВ возможно только при условии использования новых малоэмиссионных технологий сжигания топлива.

Цель работы

Разработка и обоснование концепции малоэмиссионной камеры сгорания ТРДД с компактным диффузионным фронтом пламени, являющейся производным направлением традиционной технологии сжигания топлива, для обеспечения перспективных Международных норм на эмиссию ИОх.

Задачи работы

1. Выполнить теоретическую оценку минимально достижимого индекса эмиссии ИОх в диффузионном фронте пламени.

2. Сформулировать концепцию малоэмиссионной камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени.

3. Выполнить оценку степени влияния принципов, заложенных в концепцию, на концептуальной модели камеры сгорания.

4. Выполнить оценку эмиссионных характеристик жаровых труб, изготовленных в соответствии с разрабатываемой концепцией, в стендовых условиях с высокими параметрами.

Объект и предмет исследования

Объект исследования - совокупность способов снижения скорости образования АЮх в технических системах сжигания углеводородного топлива.

Предмет исследования - камера сгорания ТРДД.

Методы исследования

1. Численные нуль-мерные (в термодинамической постановке) расчёты термохимического состояния газовых смесей в сети химических реакторов с идеальным перемешиванием на основе полных кинетических механизмов реакций окисления (ОШ-МесЬ 3.0).

2. Численные одномерные расчёты термохимического состояния газовой смеси в структуре ламинарного фронта диффузионного пламени на основе редуцированного кинетического механизма реакций окисления (Кее 58).

3. Численные трехмерные расчёты течений с учётом процессов турбулентного горения, излучения, образования оксида азота в камере сгорания на основе осреднённых по Фавру уравнений Навье-Стокса.

4. Экспериментальные измерения целевых параметров потока (температуры, концентрации ВВ) на выходе одногорелочного отсека с серийными жаровыми трубами и трубами-демонстраторами концепции в соответствии с требованиями «Авиационных Правил. Часть 34. Охрана окружающей среды. Эмиссия загрязняющих веществ авиационными двигателями. Нормы и испытания» и ГОСТ 17.2.2.04-86 «Охрана природы. Атмосфера. Двигатели газотурбинные самолетов гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ».

Достоверность полученных результатов подтверждается применением:

1. Сертифицированного коммерческого программного продукта Chemkin фирмы Reaction Design (США), верифицированного разработчиком на задачах определения термохимического состояния газовых смесей.

2. Сертифицированного коммерческого программного комплекса ANS YS Fluent/CFX (США), верифицированного в ОАО «Авиадвигатель» по результатам сравнения с данными, полученными в ходе специальных испытаний элементов камер сгорания на автономных стендах и полноразмерных газогенераторах и двигателях.

3. Стандартизованных методик проведения и обработки результатов испытаний элементов камер сгорания в условиях автономных стендов ОАО «Авиадвигатель».

4. Метрологически аттестованного и поверенного измерительного оборудования в ОАО «Авиадвигатель».

5. Хорошим соответствием результатов трехмерного численного моделирования и результатов испытаний демонстраторов концепции.

Научная новизна

1. Выполнена теоретическая оценка и получена новая аналитическая формула влияния скорости скалярной диссипации в диффузионном фронте пламени на индекс эмиссии nox для реальных условий работы камеры сгорания в ТРДД.

Структура формулы адаптирована для проектирования малоэмиссионных камер сгорания диффузионного типа.

2. Разработана научная концепция камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени с использованием структурированной системы принципов малоэмиссионного сжигания топлива.

Теоретическая значимость

1. Сформулированные принципы концепции с компактным диффузионным фронтом пламени для снижения эмиссии nox могут быть использованы (с адаптацией к специфике систем) при проектировании любых технических устройств сжигания углеводородного топлива.

Практическая значимость

1. Сформулированные принципы Концепции являются базовым руководством для разработки проектов малоэмиссионных камер сгорания как для модернизируемых, так и для вновь создаваемых авиационных и наземных ГТД.

2. Успешное завершение серии испытаний демонстраторов является основой для начала разработки проектов камер сгорания на базе подтверждённой Концепции по модернизации камер сгорания ГТД ПС-90А2, ГТУ-16П, ГТУ-25П.

Апробация работы

Основные результаты работы представлены на Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (Самара, 2007 г.); 56-й научно-технической сессии Комиссии по газовым турбинам Российской академии наук «Применение ГТУ в энергетике и промышленности (г. Пермь, 2009 г.); 8-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2009» (г. Москва, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2011 г.); «ASME Turbo Expo» Turbine Technical Conference & Exposition (r. Копенгаген, 2012 г.). По теме диссертации опубликованы 4 статьи в периодических изданиях, включённых в список ВАК.

Внедрение результатов работы

На основе совокупности полученных результатов численного моделирования рабочего процесса и натурных испытаний демонстраторов Концепции малоэмиссионного сжигания топлива, в соответствии с

утверждёнными планами ОАО «Авиадвигатель», проводится разработка камер сгорания для модернизации семейства ТРДД ПС-90А и наземных ГТУ-16П, ГТУ-25П.

На защиту выносятся

1. Результаты анализа снижения индекса эмиссии АЮх в диффузионном пламени.

2. Обоснование новизны концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени по сравнению с альтернативными малоэмиссионными концепциями сжигания топлива в камерах сгорания ГТД.

3. Результаты численного моделирования рабочего процесса в концептуальной модели камеры сгорания.

4. Результаты испытаний серийных вариантов и демонстраторов Концепции.

Личный вклад автора

1. Формулирование и обоснование концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени.

2. Подготовка, проведение и анализ результатов расчётов: термохимического состояния газовых смесей в сети химических реакторов; структуры ламинарного диффузионного фронта пламени; трехмерных течений с учётом процессов турбулентного горения, излучения, образования АЮх в камерах сгорания.

3. Планирование натурных испытаний жаровых труб-демонстраторов концепции и серийных жаровых труб в стендовых условиях с последующей обработкой и анализом результатов испытаний.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 64 наименований и приложения. Основной текст содержит 175 страниц, 117 иллюстраций и 17 таблиц.

В первой главе кратко представлены механизмы образования оксидов азота и обоснована актуальность работы по сокращению эмиссии оксидов азота в выхлопных газах ГТД. Выполнен обзор концепций малоэмиссионного сжигания топлива в КС авиационных ГТД. Представлен анализ современного состояния работ по разработке малоэмиссионных КС ведущими западными двигателестроительными компаниями.

Во второй главе кратко описана иерархия (нуль-мерные, одномерные, трёхмерные пространственные расчёты) и сущность применяемых численных методов в настоящей работе с целью компьютерного моделирования рабочего процесса в КС с образованием оксидов азота.

В третьей главе представлена методология проектирования демонстратора концепции в виде плана в соответствии с американским подходом к разработке авиационной техники, основанном на поэтапном достижении цели проектирования в соответствии с уровнями готовности технологии. Описывается целевой объект применения разработки - камера сгорания авиационных двигателей семейства ПС-90А. Кратко представлены особенности рабочего процесса в КС авиационного и промышленного ГТД на базе ПС-90А, определяющие эмиссионное совершенство КС.

В четвёртой главе сформулировано и с помощью расчётно-аналитических методов обосновано ядро концепции малоэмиссионного диффузионного сжигания топлива - концепция КДП. Сформулированы вспомогательные принципы концепции. На основе принципов концепции КДП создана геометрическая модель концептуальной жаровой трубы. С помощью трёхмерного численного моделирования выполнен анализ рабочего процесса в концептуальной модели. Приводится анализ роли и взаимосвязи принципов концепции и их влияния на эффективность малоэмиссионного сжигания топлива в КС диффузионного типа. Продемонстрирована эмиссионная эффективность концепции по сравнению с серийной КС. Представлено место и взаимосвязь концепции КДП среди других известных концепций малоэмиссионного горения.

В пятой главе приводится описание испытательной базы для проведения натурных испытаний демонстраторов концепции, измерительной аппаратуры и методов обработки экспериментальных данных.

В шестой главе приводятся результаты серии численного моделирования и натурных испытаний демонстраторов концепции на газовом топливе и керосине в условиях одногорелочного отсека с высокими параметрами. Расчётным и экспериментальным путём подтверждаются преимущества снижения эмиссии оксидов азота концепции КДП по сравнению с серийными КС богато-бедной схемы горения топлива. Путем сравнительных испытаний жаровых труб-демонстраторов концепции с жаровой трубой серийной камеры сгорания ТРДД ПС-90А2 в стендовых условиях с высокими параметрами экспериментально подтверждено снижение индекса эмиссии АЮх на 35 ...47 % в условиях взлётного режима, с предварительной оценкой возможности удовлетворения параметра эмиссии ЫОх целевым нормам 1САО 2020 г.

В заключении представлены основные выводы по работе.

Работа выполнена в конструкторском отделе камер сгорания (К0203) опытно-конструкторского бюро ОАО «Авиадвигатель».

Автор выражает глубокую благодарность и признательность д.т.н., проф. Августиновичу В.Г. за активное участие в обсуждении и формулировании вместе автором работы положений концепции, а также за критическое рассмотрение и ценные замечания по результатам выполненных расчётов и испытаний. Автор выражает благодарность Цатиашвили В.А. за ценные замечания, позволившие улучшить качество текста.

Автор выражает глубокую благодарность Никифорову В.И., начальнику слесарного участка №7 цеха №21 опытного завода ОАО «Авиадвигатель», и рабочим участка за оперативное изготовление жаровых труб - демонстраторов концепции в условиях высокой производственной загрузки.

Автор признателен всем мотористам, прибористам, испытателям и другим специалистам, принимавших непосредственное участие в подготовке и проведении испытаний серийных жаровых труб и жаровых труб-демонстраторов в рамках настоящей работы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ АВИАЦИОННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Обзор механизмов образования оксидов азота

Прежде чем приступить к обзору современного состояния работ по созданию малоэмиссионных камер сгорания поясним пути генерации оксидов азота при сжигании углеводородного топлива. Из семи известных оксидов азота N0, И02, И03, Н20, Ы203, И204 и АТ205 только первые два оксида являются устойчивыми в атмосфере и образуются в достаточном количестве, чтобы считаться загрязнителями. В условиях работы КС на высоких режимах фактически вся эмиссия оксидов азота представляет собой N0. В выхлопной системе двигателя и атмосфере моноксид азота окисляется до диоксида азота И02, являющейся более устойчивой молекулой. Поэтому рассматривают эмиссию И0х=И0+И02 в предположении, что оксиды азота находятся в форме Ы02.

�