автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Закономерности образования оксидов азота и сажи при двухстадийной организации процесса в камере сгорания

На правах рукописи

ЛЛЬМЕТОВ Фарид Махмутович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И САЖИ ПРИ ДВУХСТАДИЙНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

Специальность 05.07.05 — Тепловые двигатели летательных аппаратов

Л В ТО 1» Е Ф Е Р Л Т

диссертации па соискание ученой степепи кандидата технических наук

УФА 1998

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете.

Научный руководитель:

-кандидат технических наук, вед. научн.сотр. КРУЖКОВ В.Н.

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук ОРЛОВ В.Н. -кандидат технических наук, доцент ЩУКИН В.А.

Ведущая организация: Государственное научно-производственное

объединение «МОТОР» (г.Уфа).

Защита диссертации состоится « 199% г. в /%ас. на

заседании диссертационного совета К-063.17.04 в Уфимском государственном авиационном техническом университете: 450000 г.Уфа, ул. К.Маркса,12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан _199^г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.М. Смыслов

Ъ.иЯЬс.

ОБЩАЯ ХАРАКТьРИСТНКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из активных антропогенных источников загрязнения окружающей среды являются отработанные газы тепловых двигателей летательных аппаратов. Особую экологическую опасность представляют собой оксиды азота, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), окись углерода и дым.

С развитием авиадвигателестроения увеличиваются параметры лк и

Г газотурбинных двигателей (ГТД), при этом снижается суммарный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания (КС) и растет давление. Вследствие роста цен на энергоносители и удорожания производства авиационного керосина применяются топлива с повышенным содержанием ароматических углеводородов и связанного азота. Совокупность этих факторов приводит к увеличению выбросов сажи и оксидов азота. В то же время последовательно ужесточаются предельно допустимые нормы выбросов вредных веществ в атмосферу, устанавливаемые Международной организацией гражданской авиации (1САО). Поэтому в целом все исследования в направлении снижения выбросов вредных веществ ГТД, в том числе и наземного применения, являются весьма актуальными.

Одним го способов, кардинальным образом снижающим выбросы N0,., является использование так называемой КС "11-0-Ь"-тила (Така^,1979; Кззк,1991; и др.), по отношению к которой в данной работе применяется термин "КС с двухстадийной организацией горения". Ее преимущества следующие: возможность работы без ухудшения устойчивости горения, надежный запуск, возможность применения дистиллятных топшш с повышенным содержанием связанного азота, низкие потери полного давления. Однако такая КС характеризуется интенсивным сажеобразова-нием в первичной зоне, что вызывает высокий уровень радиационного излучения, значительно снижая ее ресурс и загрязняя окружающую среду. Проблеме образования дисперсного углерода при горении углеводо-

родных топлив уделялось внимание исследователями ЦИАМ, У Г АТУ, ВНИИГаз, КГТУ, ВВИА им. Н.Е.Жуковского и др. Значительное количество зарубежных работ, посвященных сажеобразованию, было опубликовано в материалах Международных симпозиумов по горению (Haynes.1975, Prado,1976, Mellor,1978, Glassman,1981, Kent,1986, Le-febvre,1986, Kennedy,1988, и др.). Однако исследования, не учитывающие влияния диффузионного характера горения в КС, турбулентных пульсаций, перемежаемости, не дают исчерпывающей информации о закономерностях сажеобразования в ней. Кроме того, экспериментальные исследования образования сажи должны базироваться на достаточно эффективных методиках определения локальной концентрации сажи и модального размера частиц.

Таким образом, несмотря на ряд преимуществ, связанных с применением КС "R-Q-L''-типа, требуется провести значительные исследования с целью установления основных закономерностей процесса горения, что позволит также осуществить их практическое использование.

Данная работа выполнялась в 1982-1997 гг. на кафедре "Теория авиационных и ракетных двигателей" (ТАРД) Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках комплексных программ, проводимых по заказу ЦИАМ игл. П.И.Баранова, программ "Полет", "Человек и окружающая среда", "Конверсия и высокие технологии".

Целью работы является исследование количественных закономерностей образования N0X и сажи в КС "R-Q-L''-типа и разработка методологии снижения токсичных выбросов.

Задачи работы:

1. Разработка экспериментального комплекса для моделирования процессов образования ÍN¡G,_ и сажи в КС "R-Q-L''-типа.

2. Разработка методики мониторинга концентрации сажи и размеров ее частиц на основе оптических измерений.

?

3. Установление закономерностей образования и разложения !ЮХ в КС "И-д-Ь"-типа.

4. Установление закономерностей образования сажи в первичной зоне КС "11-С>-Ь"-типа с учетом турбулентного диффузионного горения.

5. Разработка практических рекомендаций к организации горения в КС "11-С>-Ь"-типа, обеспечивающей снижение выбросов сажи и ПО,.

Метод исследования. На основании анализа ранее опубликованных результатов исследований в работе в качестве основной методологии для достижения поставленной цели были приняты следующие концепции:

а)моделирование процессов образования оксидов азота и сажи в КС Ь"-типа в специальных горелках;

б)взаимосвязанные исследования процессов образования МОх и сажи;

в)использование новых методик измерения концентрации дисперсного углерода в режиме мониторинга.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Установлены закономерности, характеризующие изменение концентрации оксидов азота и сажи при различных начальных условиях по способам организации горения, составу смеси и масштабу неоднородности.

2. Разработана методика непрерывного измерения концентрации и размеров частиц сажи на основе измерений спектральной прозрачности аэрозоля с помощью трехволнового детектора и средств автоматизации эксперимента.

Новизна отдельных технических решений подтверждается авторскими свидетельствами №№1216462,15009904,1550359,1760254.

Практическая значимость результатов работы заключается: • в полученных количественных закономерностях процессов образования гЮ„ и сажи в КС "И-<3-Ь"-типа, учитывающих турбулентный диффузионный характер процесса горения;

• в методике автоматизированных измерений концентрации и размеров частиц сажи в продуктах сгорания углеводородных топлив, экспериментальном комплексе для моделирования процессов в КС "К.-(3-Ь"-типа.

Важным итогом работы следует считать определение путей дальнейшего совершенствования КС ГТД с двухстадийной организацией горения с целью улучшения их экологических характеристик. На защиту выносятся:

• методика мониторинга параметров сажевого аэрозоля (концентрации и модального размера);

• результаты комплексного исследования процессов образования сажи и Шх в КС "К.-(2-Ь"-тш1а.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены на межотраслевой конференции по стендовым испытаниям ВРД и их узлов (г.Москва. 1988г.), межотраслевой конференции по проблемам газовой динамики двигателей (ЦИАМ, 1990 г.), на Всесоюзной конференции по образованию и выбросу канцерогенных углеводородов (г.Самара, 1991 г.), на международном Симпозиуме по горению в (г.Москва, 1993 г.), на научно-технической конференции по проблемам двойного применения (г.Самара, 1995 г.), а также на семинаре «Процессы горения, теплообмена, и экология тепловых двигателей» (г.Самара, 1998 г.).

Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит го введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Основной текст содержит 153 страницы. Список использованных источников состоит из

120 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность проблемы снижения эмиссии ГТД, анализируются все предшествующие подходы. Дается

обоснование принятого в работе подхода к исследованию процессов в КС "К-<3-Ь"-типа с использованием новой методики определения концентрации сажи. Дается анализ существующих методов снижения эмиссии Шх, формулируются научная новизна, практическая значимость, цель и задачи диссертации.

В первой главе обоснована постановка задач, связанных с изучением образования N0^ и сажи в КС ГТД и методами их снижения. Проблема выбросов вредных веществ обостряется тенденциями в современном авиадвигателестроении (увеличение як ,ТГ*, снижение аг интенсифицируют образование Юх и сажи). С другой стороны, в ГТД могут применяться топлива с увеличенным содержанием ароматических добавок, и связанного азота. Эти факторы также ведут к неприемлемо высоким уровням выбросов.

Показано, что определяющум роль в скорости окисления азота играют как кинетические факторы, так и турбулентные пульсации концентрации топлива / В.Р.Кузнецов, 1983/. Проанализированы условия образования сажи в КС ГТД. Представлен литературный обзор, в котором раскрыты закономерности образования сажи и анализируются пути подавления дымного выхлопа КС ГТД. Рассмотрено влияние на сажеобразо-вание кинетических параметров и факторов диффузионного смешения.

Представлен обзор методик определения локальной концентрации сажи. Наиболее подробно анализируется широко применяемый контактный метод. Один из вариантов для установления концентрации сажи предполагает взвешивание фильтра, второй заключается в дожигании сажи в токе 02 до С02, концентрацию которой можно определить с помощью хроматографа, либо инфракрасного анализатора С02 типа "ИНФРАЛИТ-4". Предлагается методика непрерывного измерения массовой концентрации сажи, основанная на измерении спектральной прозрачности аэрозоля. На основе выполненного обзора по проблемам малотоксичных КС сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе отражены методические особенности проведения экспериментов, описан созданный экспериментальный комплекс. Приведена конструкция установки для моделирования процессов образования сажи и оксидов азота в КС "11-С)-Ь"-типа. Модельная КС представляет собой жаровую трубу со стабилизирующей форсуночной головкой, через которую подаются пропан и воздух. Первая секция позволяет осуществить визуальный контроль факела. Последующие изготовлены из жаростойкого сплава. Процесс горения организован, с помощью стабилизирующих форсуночных головок при давлении, близком к атмосферному. На рис. 1 схематически показано сотовое расположение трубок, из которых собраны головки. Для головок №№ 4,2,1 параметры сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Парамет ры форсуночных головок

№форс.гсш. Цмм &мм ГЦ,шт. п2,шг

1 1 1 0,5 271 870

о о 1 /ГП и? 271

4 4 2 19 42

О-наружный диаметр трубок, равный микромасштабу головки с1-диаметр каналов, -количество топливных каналов, пв - количество воздушных каналов.

Для организации горения смеси частично перемешанных компонентов или однородной гомогенной смеси были применены специальные устройства. В главе подробно описаны особенности системы подачи топлива, воздуха, системы зажигания, системы кондиционирования проб.

Характерными особенностями установки для исследования образования Юх являются подогрев первичного воздуха и наличие вторичной

зоны с а2 > 1 (см. рис. 2).

Третья глава посвящена разработке методики измерения концентрации и размеров частиц сажи в продуктах сгорания. В ее основе лежит метод измерения степени спектрального ослабления света

/\"е\утпяп I 8,,] 987/, прошедшего через зяпыттенную среду. Долю этого света можно определить из соотношения — = ехр(-гк ■ 1),

где / -интенсивность прошедшего через запыленный объем света, /0 - интенсивность падающего света, т^ -спектральный коэффициент ослабления, /-оптическая толщина исследуемого объема. Для полидисперсной среды, состоящей из частиц сферической формы, коэффициент спектрального ослабления может быть рассчитан по формуле:

ее

т3 - ^(г)к(1,т,г)т-2йг.

Ч ~

о

Здесь г -радиус частицы, ы у штучная функция распределения частиц

по размерам, а - дайна волны падающего излучения, т - комплексный показатель преломления, к - безразмерный коэффициент ослабления. Он может быть рассчитан по формуле:

¿ = —:/(/+1 Ус,-Ь, 1

р" - '

где р=- параметр дифракции; амплитудные коэффи-

л

циенты парциальных волн электромагнитных колебаний могут быть определены по формулам:

_.;;Ч! 27 + 1 У;\р)у)(тр)-т{р)у](тр)

7 Л/41) '

ь _ 2] +1

В случае достаточно большого количества измерений величины штучная функция распределения частиц по размерам определяется с помощью решения обратной задачи. Для небольшого количества измерений функция распределения для частиц сажи может быть выражена формулой:

N(r) = Nt (21т 3/2 ) exp{- 3r/rm),

где Nt - штучная концентрация, rm-модальный размер частицы.

Для измерения относительных коэффициентов спектрального ослабления света ц2> т23, ти частицами отобранной пробы последняя поступает в измерительную кювету (рис. 3). Излучателем формируется модулированный световой поток. Пройдя через кювету и ослабленный частицами сажи, этот поток направляется в трехволновой детектор (максимумы прозрачности интерфильтров соответствуют трем длинам волн =0,593; 12=0,98; Л3=1,424 мкм), усиленные сигналы с которого поступают через коммутатор аналоговых сигналов на АЦП. Схема системы отбора и анализа приведена на рис. 4. Важными методическими условиями явились следующие: -насадок отборника для уменьшения воздействия на поток продуктов сгорания выполнен неохлаждаемым, а отборник термостатируется маслом при 1503 С;

-время отбора, температура а также длина магистралей отбора были выбраны с расчетом, чтобы в них не происходили реакции газификации. Тарировка системы была проведена с помощью фильтрационного метода. Приведена методика газовох о анализа продуктов сгорания с помощью системы АСГА-Т.

В заключительном разделе главы приведена оценка погрешностей измерений в соответствии с МИ 1317-86и ОСТ 1.00.378-80.

Четвертая глава посвящена исследованию выбросов NOx в КС "R-Q-L''-типа, которая моделировалась тремя реакторами: диффузионным реактором (I) с а, < 1-первичная зона, зоной диффузионного смешения продуктов сгорания богатой зоны со вторичным воздухом (II) и диффузионным реактором (III) с а2 > 1 -вторичная зона (рис. 5).

На концентрацию оксидов азота, по данным В.Р. Кузнецова и Ю.Я. Бурико (1978), значительно влияют турбулентные пульсации, температура и неравновесность процесса горения. Важная роль была отведена органи-

зации горения с возможностью регулирования объема стехиометрических областей (областей с максимальной скоростью образования N0X) в первичной зоне. Вместе с тем, горение в ней должно происходить в условиях, близких к натурным условиям реальной КС. Возможность регулирования объема стехиометрических областей в диффузионном реакторе богатой зоны реализована с помощью форсуночной головки "сотового" типа (см. рис. 1).

Интенсивность снижения оксидов азота в "богатом" реакторе КС "R-Q-L''-типа, как следует из анализа литературных данных (Risk,N.K., Mongia, Н.С. ,1991), сильно зависит от их количества в его начальной -определяется начальной температурой, давлением и способом подготовки топливовоздушной смеси (TBC), - стехиометрической области, образующейся при раздельной полаче компонентов.

Эксперименты были проведены на двух форсуночных головках: №1,4 (см. рис. б, табл. !). Для экспериментов с предварительной подготовкой гомогенной смеси (головка №4) зависимость выхода Nö„ от а носит экстремальный характер, причем наблюдается резкий рост концентрации N0X только вблизи а- 0,9, и резкое ее падение вблизи а = 1,1. Абсолютное значение концентрации NOx достигает величины 160 ррт. При переходе от способа подачи топлива с предварительным смешением к способу с раздельной подачей воздуха и топлива картина принципиально изменяется. Кривая носит экстремальный характер, а ее максимум смещен в сторону "бедных" режимов по составу (а = 1,5). Кривая в опытах с раздельной подачей топлива и воздуха является более пологой. Экстремальные значения NOx для обоих вариантов различаются приблизительно на 100 ррт.

Рассматривая результаты, для форсуночной головки N° 1, можно заметить, что экстремальный характер поведения повторяется, а экстремумы для обоих вариантов (раздельной подачи и предварительного смешения) составляют порядка 275 ррт при а = 1. Обе кривые расположены аналогичным образом. Данные опыты позволяют сделать важный вывод о том,

что уменьшением микромасштаба смешения можно достичь низких уровней NOx и избежать организации предварительного смешения топлива и воздуха при одинаковых значениях критерия Дамкелера.

Протяженность обогащенной зоны, как показывают данные зарубежных авторов /Risk,N.K., 1991/ для "R-Q-L''-камеры, а также исследования в рамках данной работы, играет ведущую роль в снижении концентрации NOx.

С целью исследования оценки влияния микромасштаба неоднородности TBC в настоящей работе были проведены опыты с использованием форсуночных головок: № 1, № 2, и A's 4. Опыты были проведены при раздельной подаче топлива и воздуха. Начальная температура подогрева воздуха равнялась 573К. На рис. 7 изображена зависимость выхода Ы0Л. от состава смеси для форсуночной головки Nsl с наименьшим микромасштабом неоднородности TBC. Характерно, что независимо от среднего состава смеси с ростом времени пребывания в богатой области от 20 до 100 мс концентрация ЫОх существенно увеличивается. Это можно объяснить преобладанием в этих условиях термического механизма образования NOx. При увеличении микромасштаба неоднородности TBC (форсуночные головки №2 и №4 на рис. 7 б,в) изменяется относительное расположение зависимостей NOv = /(a, J для разных времен пребывания. При значениях а, <0,6

наблюдается уменьшение концентрации NOx по времени пребывания, наиболее выраженное для форсуночной головки №2. Это связано с преобладающей ролью механизма образования «быстрых» NOx в стехиометриче-ских областях первичной зоны и возрастанием степени неравновесности процесса горения. Полученные результаты вполне согласуются с данными работы Ризка с сотрудниками: чем больше в начальной стадии процесса образовалось NOx, тем эффективнее в богатой области протекают реакции их разложения:

СН+ NO=> НСО N (1)

СН+ NO=> HCN+ О (2)

В области а1 >0,6 преобладающим является влияние температуры и термического механизма образования 1ЮХ, что объясняет рост концентрации гТОх по времени пребывания.

Для исследования влияния зоны смешения были проведены 2 группы экспериментов. Первая группа проводилась при а1 =0,45 и а, =0,57

для подтверждения того, что само смешение не вносит дополнительных добавок в суммарное количество оксидов азота. Суммарный коэффициент избытка воздуха после смешения варьировался при этом от аг = 2,0 до 3,0. На определенном расстоянии был установлен смеситель, обеспечивающий равномерный подвод вторичного воздуха в попутном направлении. Отбор до смесителя производился при т2= 100 мс, посте смесителя -при 110 мс. Опыты были проведены при начальной температуре первичного воздухаТе = 573 К. Результаты изображены на рис. 8а,б. Концентрация МОх при а, =0,45 до смешения составляет приблизительно 50 ррт, при а, =0,57 - 40 ррт. После смешения этот параметр монотонно снижается дтя а. =0,45 до 34...20 ррт, для а, =0;57 - от 24 до 5 ррт при обеднении вторичной зоны до а2~2,0...3,0 (рис. 8а). На рис. 86 изображены зависимости в относительных индексах эмиссии. Для г2 их значения соответствуют 0,53. Для ц =0.45 при отборе в точке 3 наблюдается монотонное падение кривой от Е¡>5 до 1,3. Для а{ = 0,57 при отборе в этом же сечении также наблюдается монотонное падение индексов эмиссии от 1,05 (при а, =2,0) до 0,3 (при а2 =3,0). Причем, при а2 = 2,5 значения Е1т до и после смешения совпадают. Видно, что с точки зрения минимизации появления новых оксидов азота более предпочтительным в первичной зоне является состав а, = 0,57. Вторая группа опытов проводилась, с одной стороны, при длине первичной зоны Ь = 350 мм, с другой стороны, первичная зона во второй серии экспериментов была укорочена до Ь~ 40 мм для физического моделирования КС традиционного типа. Коэффи-

диент избытка воздуха в первичной зоне в обоих вариантах составил 0,57. Коэффициент аг изменялся от 2,0 до 3,0. Отбор производился при г3 = 8 мс (отсчет времени пребывания с начача вторичной зоны) и при г4 = 12 мс. Эксперименты были проведены при температуре первичного воздуха Тс= 573 К. Результаты изображены на рис. 9а,б. Зависимости от аг для обеих КС убывающие. Верхний уровень выхода Ы0Х доя КС традиционного типа лежит в пределах 85 ррт, нижний - приблизительно равен 30 ррт (рис. 9а). Для КС "К-О-Ь" - типа эти параметры составляют соответственно 62 и 19 ррш. Рассматривая рис. 96 , где показаны относительные индексы, можно сделать вывод о том, что Е1}Юх для традиционной' КС примерно в 1,4 раза превышает индексы для КС "11-0-Ь"-типа.

Таким образом, выявлены три фактора, влияющие на снижение уровня N0.. в богатой зоне: состав смеси (аг, =0,4...0,6), протяженность зоны и неоднородность состава ТВС, Особенности проявляются в том, что нельзя сильно увеличивать мгасромасштаб головки - это может привести к увеличению степени неравновесностн процесса и, как следствие, к уменьшению эффекта снижения МОх в "богатой" зоне. Экспериментально установлено, что наибольший эффект в обогащенной зоне достигается при а, =0,45...0,51.

Проведенные оценки показали, что применение КС без ущерба для полноты сгорания может дать снижение выбросов ЫОх приблизительно на 40% по сравнению с КС традиционного типа при условии выбора значений = 0,55...0,6, аг = 2,5...3,0.

В пятой главе отражены результаты исследований сажеобразо-вания в первичной зоне модельной КС "11-(3-Ь"-типа. Опыты проводились при раздельной подаче компонент, при их частичном и полном смешении. Диапазон значений а составил от 0,5 до 0,9. Результаты показаны на рис. 10...12 (индексы а,б,в соответствуют временам пребывания 100,150,200 мс). Для факела гомогенной смеси концентрация сажи составляет порядка С4.=0,0!...0,015 г/**"^ при сг-0,55. Постепенное увеличение степени неодко-

родности (или т. наз. частичное смешение) существенно увеличивает концентрацию сажи с 0,1 до0,9г/м3. Кривые имеют экстремальный характер. «Бедный» порог сажеобразования отодвигается с «=0,6 до 0,8. Оценить влияние микромасштаба неоднородности, а значит, масштаба пульсаций, на сажеобразование позволяют данные рис. 12 а,б,в. Кривые также имеют экстремумы при «=1 для микромасштаба 4мм и а =0,8 для микромасштаба 2мм. Максимальное значение для головки №2 - 0,5 г/м3. Для головки №4 - от 1 до 1,75 г/м3. Практически не прослеживается влияние времени пребывания ни на характер кривых, ни на их вид. С обеднением состава TBC при 0,5<а<1 вследствие увеличения температуры растет число активных центров, создающих благоприятные условия для нуклеации зародышей, приводя к росту концентрации сажи. При дальнейшем обеднении состава TBC сильное влияние оказывают процессы газификации («<!) и окисления (а> 1) сажи, и выход ее снижается. Возрастание интенсивности пульсаций концентрации топлива, достигаемое ухудшением качества смешения, интенсифицирует выход сажи. Увеличение неоднородности состава смеси и связанная с ним неравномерность распределения топлива приводят к существенным отклонениям от термодинамического равновесия. Поскольку сажа является неравновесным продуктом реакций горения, ее выход растет.

АЛТГАТ1ТТТ TT-1 7ГГТ TtTT Т ТГ ПТ ТТ">/*Ч ТТТ Т

WL-Fi KJD ClOiC, i'EOi jiOliiLi JJi Ii JJOilJVJ/j^Di

¡.Установлены закономерности процесса образования и разложения NOx в КС типа "R-Q-L":

• определены параметры, наиболее сильно влияющие на концентрацию NOx в первичной зоне: время пребывания, состав и степень неоднородности TBC;

• установлено, что максимальный эффект, с точки зрения снижения концентрации NOx, достигается в богатой первичной зоне при а порядка 0,45...0,51; изменением микромасштаба неоднородности TBC можно до-

стичь снижения концентрации N0X на 35...40 ррт при начальном уровне 75...80 ррт;

в начальный уровень концентрации NOx является важным фактором: при высоком уровне с ростом времени пребывания в богатой зоне уменьшается выход NOx, обратный эффект наблюдается при низком начальном уровне.

• для снижения выбросов N0X "R-Q-L"-камерой необходимо совместно рассматривать влияние первичной и вторичной зон (за смесителем), в частности значения а, необходимо выдерживать в пределах 0,52...0,55, при значениях коэффициента изиытка воздуха во вторичной зоне а, «2,5...3,0.

2. Установлены закономерности процесса сажеобразования в первичной зоне с учетом турбулентного диффузионного характера горения:

« существенная зависимость сажеобразования от способа подготовки TBC (диффузионный факел, частичное смешение, полное смешение): концентрация сажи уменьшается на порядок за счет частичного смешения компонент;

с величина С< в первичной зоне "R-Q-L"-камеры зависит от микромасштаба неоднородности состава TBC, в частности увеличение шшромас-штаба с 2 до 4 мм приводило к росту максимума концентрации сажи с 0,5 до 1,75 г/м3;

• отмечается экстремальный характер кривых С, = f(a) для диффузионного факела, убывание ветвей в богатую область объясняется низкими температурами и низкой долей столкновений радикалов, ведущих к саже-образовангоо.

3: Результаты исследования сажеобразования при разных способах подачи топлива доказывают возможность организации горения с низкими концентрациями сажи в первичной зоне - это является важным условием снижения NOx в первичной зоне КС "R-Q-L''-типа - за счет комбинации

микромасштаба пульсаций концентрации и протяженности богатой первичной зоны.

4. Создан экспериментальный комплекс, позволяющий моделировать процессы горения в КС "Л-С2-Ь"-типа с применением средств автоматизации.

5. Разработана методика мониторинга концентрации и размеров сажевых частиц, основанная на измерении спектральной прозрачности сажевого аэрозоля, позволяющая проводить измерения в КС в реальном масштабе времени.

6. На основе результатов исследований сформированы практические рекомендации по организации рабочего процесса в КС "11-(3-Ь"-типа с приемлемой полнотой сгорания. Показано, что оптимальный подбор протяженности первичной зоны позволяет добиться снижения Шх. Уменьшением микромасштаба смешения можно достичь низких уровней N0^ и избежать организации предварительного смешения топлива и воздуха при одинаковых значениях критерия Дамкелера. Регулирование-состава и качества смешения позволяет достичь минимального уровня сажеобразованяя и приемлемых концентраций К'0Х:

* для снижения М0Х и достижения минимального дымления необходимо организовать диффузионное горенке в первичной зоне с а, » 0,45..,0,55;

* ОГТТй М ЯЛ Ь НО П О ДО Ор Й КЧ Ы 6 О.ОСТНВы С ТОЧ7СИ лПвНИ* МИНТтмИ32.1ПТИ появле-

ния«новых» М0х: а, =»0,52...0,55; а2 »2,5...3,0.

Результаты работы внедрены в Государственное научно-производственное предприятие «Мотор» (г.Уфа), используются в учебном процессе на кафедре ТАРД УГАТУ по специальности «Авиационная и ракетно-космическая теплотехника».

Рис. 1. Схема «сотового» расположения трубок подачи топлива и воздуха в форсуночных головках №4 и №2.

(1-топливо, 2-воздух)

Рис. 2.Принципиальная схема экспериментальной установки для моделирования процессов образования оксидов азота и сажи 1-свеча зажигания, 2-жаровая труба, З-теалообмекник, 4-газовкй пробоотборник, 5-сужающаяся проставка, 6-смесдтель, 7-сш:гема вторичного воздуха, 8-система подачи топлива, 9-система первичного воздуха

тм/ттель

ц ь

4

«I?__.____

Аетекгср'

4ВК-3

канак

Чп-1

Усми-тем

1.1-

■(мш? ~ /г^ ^ Цг

ЛмиАир ' О

цтгрите/ьиыи консМ

---J

"

фшыпр

ПреЗЬрия цслаетш

Рис. З.Электронно-оптическая схема дымомера

1-вольфрамовая лампа, 2-конденсор, 3-диафрагма, 4-коллиматор, 5-обпоратор, 6-светоразделнтели, 7-интерфершционый фильтр, 8-фотодиод

Рис. 4.Схема системы отбора и анализа сажевых проб

!-сажевык пробоотборник, 2-фильтр, 3-электроклапан, 4-теркостатируечьш объем, 5-дымомер, 6-фильтр, 7-згольчатые клапаны, 8-ротаметр, 9-вахуумный насос, 10-ГСБ-4С0, 11-вытяжная вентиляция, 12-магистрадь очистки отборного тракта, 13-трехходовой кран

2 1

- воздух

-■- - ТОШШЯП

Рис. 5-Организация горения по схеме «И-<3-Ь» 1-первичная зона; И-зона смешения; Ш-вторичная зона; 1-форсуночная головка, 2-штуцер подвода воздуха, 3-штуцер подачи топлива, 4-штуцер подачи вторичного воздуха

Влияние начальных условий на образование N0* для форсуночных головок №1 и №4

Л'£>,

РР"'

250

200 15с 100

- 1 !

головка №4

\

V

1 1* 1 1 (

7 1*. ! >

0 0,5 1 г _ -раздельная подача топлива

Рис.6, а

с 0,5 1 1,5 2 а -предварительное смешение

Рис.6,6

Зависимость концентрации N0* от состава и времени пребывания

для различных форсуночных головок ■Щ,

{ рр,-И

N0,

ррт !•

80 I

4 зо

! | головка

60 I-----

* ! [ Ж

I 60

20

1 1 }

голо №4 •ч V к ч вка к / 1

— / \ Г 1 '■-о

А'б>,

«"%)» №2

60

40

20

0,4 0,6 (x -20 мс

Рис.7, а

3,4 0,6 а Рис.7, б

0,4 0,6 (X •к' -100 мс

Рис.7, в

Измеренные значения и рассчитанные индексы эмиссии МОх до и после смесителя

Щ,

ррт

40

20

* —.

I

а-

£¡=0,57 —0,45 (до смесителя) Рис.8, а

«о,

1,:

—- -.

"" Ж

!

2 2, 25 2, 5 2,75 а2 £25=0,57 -^.-4=0,45

(после смесителя) РИС.8, б

Измеренные значения МОх я рассчитанные индексы эмиссии для камеры сгорания типа "Я-(2-Ь" и для традиционной камеры в зависимости от времени пребывания при аг, =с,;

Л'О,,

!

8 0 Т-

60

20

I

у' 74

! I,

1 1—.<

Г 1 ___1 —X . 1

2 2,25 2,5 2,75 «2 -Я-СН*, 8 мс --х-- -И-СН,, 12 мс

Рис.9, а

О I

2 2,25 2,5 2, 75 ^

, -тр адиц.КС,8 мс -традиц.КС,12мс

Рис.9, б

Зависимость концентрации сажи от коэффициента избытка воздуха при горении однородной смеси (форсуночная головка №2,Ьсмес.=6м)

С„

г/м? 0,015

0,01 0,005

0,3 0,5 Рис.10, а

а

о,з 0,5 а Рис.10, б

0,3 0,5

Рис.10, в

а

Зависимость концентрации сажи от среднемассового коэффициента избытка воздуха при горении частично подготовленной смеси (головка №4, смеситель №2)

С,.

г/мг

1,5

1

0,5 0

гк

С„

г/м1.

1,5

0,5

0

—*— Ь^ =

--тй-- = 10 мм ---=бл*1

С,.

г/ мъ 1,5

1

0,5 0

о,5 0,7 а Рис.11, а

0,5 0,7 а Рис.11, В

0,5 0,7 а Рис.11, б

Зависимость концентрации сажи от среднемассового коэффициента избытка воздуха при диффузионном горении

'С,.

г/м3 1,5

1

0,5 0

А,1! ■—'-

с„

г/м-1,5

1

0,5 0

ч м

1 \ ' 1 ' т

1

У и к—

е..

г/м*

1,5

0,5 0

■ — голе — голе вка №2 >ега №4

Л г \

0,4 0,8 1,2 а Рис.12, а

0,4 0,8 1,2 а Рис.12, б

0,4 0,8 1,2 « рис.12, в

Список трудов по теме диссертационной работы

1. Отработка методики и предварительные результаты исследований саже-образования в объеме экспериментальной камеры сгорания. Отчет о НИР/ ВНТИЦентр; руководитель Ф.Г. Бакиров,- Альметов Ф.М., Баки-ров Ф.Г., Баширов Н.Х., Кружков В.Н., Шайхутдинов З.Г., Уфим. авиац. ин-т, №ГР 01818014616; инв.№ 0283.0026191, Уфа, 1982.-34с.

2. Исследование процессов образования дисперсного углерода и изыскание путей снижения уровня дымления камер сгорания авиационных двигателей. Отчет о НИР (итоговый)/ ВНТИЦентр; руководитель Ф.Г. Бакиров. - Альметов Ф.М., Бакиров Ф.Г., Баширов Н.Х., Кашапов P.C., Кружков В.Н., Полещук И.З., Шайхутдинов 3:Г., Уфим. авиац. ин-т, №ГР 01818014616; Инв.№103-413. Уфа,1985.-184с.

3. A.c. №1216462 СССР, МКИ4 F 15В 13/02/ Устройство для разделения потока. Ф.М. Альметов, Ф.Г. Бакиров, Н.Х. Баширов, Р.К. Каналов, В.Н. Кружков, З.Г. Шайхутдинов (СССР).- №3665184/25-06; Заявлено 24.11.83; опубл. 07.03.86. Бюл. № 9 И Открытия. Изобретения.- 1986,-jNb9.-C.165.

4. Альметов Ф.М.. Кружков В.Н., Ощегасов Н.М. К вопросу об измерении концентрации сажи в камерах сгорания ГТД // Тезисы докладов межотраслевой научно - технической конференции. Совершенствование методов и СреДСТВ стсндобых испытанни ВРД и их уЗЛОВ. мосхсва, ЦИАМ. (13-15 декабря 1988).-С.34.

5. A.c. №1500904 СССР, МКИ4 G 01 N1 /20 Сажевый пробоотборник. Ф.М. Альметов, P.C. Кашапов, Р.Ф. Ахметов, М.Г. Нигматуллин, С.Н. Кругам (СССР). - №4324337/23-26; Заявлено 17.11.87; опубл. 15.08.89. Бюл. № 30 // Открытия. Изобретения,- 1989.-№30.-С.161.

6. Исследование влияния газодинамической структуры потока при турбу-

■ лентном горении и тепломассопереноса на сажеобразование в камерах

сгорания. Отчет о НИР (заключит.)/ ВНТИЦентр; руководитель Ф.Г. Бакиров. - Альметов Ф.М., Бакиров Ф.Г., Кружков В.Н., Полещук И.З.,

Ахметов Р.Ф., Ощепков Н.М. Уфим. авиац. ин-т, №ГР 01880007683; Инв.№103-244.- Уфа,1990. -118с.

7. Аяшетов Ф.М., В.Н. Кружков. О механизме сажеобразования при турбулентном горении неоднородной смеси II Тезисы докладов II межотраслевой научно-технической конференции. Проблемы газовой динамики двигателей и силовых установок. Москва, ЦИАМ. (19 - 23 ноября 1990).-С.57.

8. A.c. №1550359 СССР, МКИ4 G 01 N 1 /20 Сажевый пробоотборник. Ф.М. Альметов, Р.Ф. Ахметов, Н.Х. Баширов, В.И. Маскаев (СССР). -№4428240/31-26; Заявлено 18.05.88; опубл. 15.03.90. Бюл. № 10II Открытия. Изобретения,- 1990.-д°10.-С.194.

9. Экспериментальное исследование образования сажи при турбулентном горении в условиях лабораторного факела. Альметов Ф.М., Бакиров Ф.Г., Захаров В.М., Кружков В.Н. // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Образование и выброс канцерогенных углеводородов с продуктами сгорания топлив. Самара, (4-6 июня 1991) -С.23.

10.Мегодика определения содержания дисперсного углерода в продуктах сгорания углеводородного топлива. Альметов Ф.М., Кружков В.Н., Ощепков Н.М., Мулик О.С. // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Межвуз. научн. сб./ Уфим. авиац. ин-т,

Уфа, 1992, вып. 15,-С. 122.

11.A.c. №1760254 Россия, МКИ4 F 23 R 3 /44. Жаровая труба камеры сгорания воздушно-реактивного двигателя. Ф.М. Альметов, В.Н. Кружков, Н.М. Ощепков, С.Н. Крупин (Россия).- №4838251/06; Заявлено 15.06.90; опубл. 07.09.92. Бюл. № 33 //Открытия. Изобретения,- 1992.-№33.-С.144.

12.Modelling of soot forming and burning process in gas turbine combustors // International Conference on Combustion. Almetov F.M.,Bakirov F.G., Kruzhkov V.N.JPoleshuk I.Z., Zakharov V.M. II Abstracts, 21 ...26 June, 1993. Moscow-St-Petersburg, 1993.-P.34-39.

13.0 методике измерения концентрации и размеров частиц сажи в продуктах сгорания. Альметов Ф.М., Бакиров Ф.Г., Кружков В.Н., Лазунов Д.Л. // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Межвуз. научн. сб./Уфим. авиац. ин-т, вып. 17, Уфа, 1994.-С.23-25.

14.Экспериментальное исследование процесса образования сажи при турбулентном горении. Альметов Ф.М., Бакиров Ф.Г., Кружков В.Н., Лазунов Д.Л. // Материалы 1-ой Поволжской научно-технической конференции "Научно-исследовательские разработки и высокие технологии двойного применения".- Самара, 1995.-С. 75-76.

15.Альметов Ф.М., Бакиров Ф.Г., Кружков В.Н. О закономерностях образования оксидов азота в камере сгорания ГТД «И-0-Ь>-гапа. // Вестник СГАУ. Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей.- Вып.1; Самара, 1998.-С.64-69.

Альметов Фарад Махмутович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И САЖИ ПРИ ДВУХСТДДИЙНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ Специальность 05.07.05 - Тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛР№ 020258 от 08.01.98 Подписано к печати 6.11.98. Формат 80x641/16 Бумага писчая. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,0 Усл. кр. отг. 0,9. Уч. - изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 442. Бесплатно. Уфимский государственный авиационный технический университет. Уфимская типография №2 Министерства печати и массовой информации Республики Башкортостан. 450000 Уфа-центр, ул. К.Маркса,12.

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

АЛЬМЕТОВ ФАРИД МАХМУТОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И САЖИ ПРИ ДВУХСТАДИЙНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

05.07.05 - Тепловые двигатели летательных аппаратов Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

канд.техн.наук, в.н.с.Кружков В.Н.

Уфа 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ.....................................................2

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ, СИМВОЛОВ И

СОКРАЩЕНИЙ .......................................... 4

ВВЕДЕНИЕ................................................б

I.АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОБЛЕМАМ ОБРАЗОВАНИЯ Шх И ДИСПЕРСНОГО УГЛЕРОДА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ГТД

1.1. Актуальность вопроса .............................15

1.2. Анализ условий образования оксидов азота в камерах сгорания ГТД.........................................22

1.3. Анализ условий образования сажи в камерах сгорания ГТД..................................................34

1.4. Краткий обзор методов определения локальной концентрации сажи .......................................52

1.5. Выводы к главе ...................................56

II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ САЖЕОБРАЗОВАНИЯ И ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ГОРЕНИИ

2.1. Методические особенности проведения экспериментов 58

2.2. Устройство модельной установки для исследования сажеобразования в богатой зоне "Ы-О-И/'-камеры......63

2.2.1. Схемы организации рабочего процесса ............65

2.2.2. Система подачи воздуха .........................67

2.2.3. Система подачи топлива .........................7 4

2.2.4. Система зажигания ..............................74

2.2.5. Система кондиционирования проб .................74

2.3. Устройство модельной установки для исследования образования и разложения Ы0Х по схеме "К-<2-Ь".....7 6

2.3.1. Схема организации рабочего процесса.............7 6

2.3.2. Система подачи вторичного воздуха ..............7 9

2.3.3. Система подготовки первичного воздуха ..........7 9

2.4. Выводы к главе....................................79

III МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Вспомогательные методики анализа концентрации частиц сажи .............................................81

3.2. Методика мониторинга сажевых частиц ..............86

3.3. Методика анализа состава продуктов сгорания ...... 95

3.3.1. Принцип работы блока N0X.......................95

3.3.2. Устройство и принцип работы блока СН ...........96

3.4. Оценка погрешности измерений .....................96

3.5. Выводы к главе ..................................100

IV ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СНИЖЕНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В МОДЕЛЬНОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ТИПА 44R-Q-L"

4.1. Исследования влияния условий организации горения в стехиометрическом реакторе в камере сгорания "R-Q-L"-типа на выбросы NOx..........................................102

4.2. Исследование эффективности снижения NOx в богатой области камеры сгорания "R-Q-L''-типа................105

4.3. Исследование эффективности снижения NOx с помощью зоны смешения.......................................115

4.4. Обсуждение результатов и выводы к главе..........121

V ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ САЖЕ0БРА30ВАНИЯ В ОБОГАЩЕННОЙ ЗОНЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТИПА "R-Q-L" .......... 125

5.1. Постановка задачи ...............................126

5.2. Экспериментальные исследования и обсуждение результатов ..............................................127

5.3. Выводы к главе...................................133

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. ...... .138

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................139

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ, СИМВОЛОВ И

СОКРАЩЕНИЙ Условные обозначения: С - концентрация;

В - коэффициент диффузии, диаметр; Вт- число Дамкелера Е - энергия активации;

0 - расход (воздуха, топлива);

1 - интенсивность светового потока;

/ -оптическая толщина сканируемого объема; N - скалярная диссипация; р - давление;

Р(г -функция плотности распределения вероятности; /^-относительный объём стехиометрической'области; г - радиус;

- стехиометрический коэффициент; Т - температура;

- скорость;

2 - восстановленная концентрация горючего. а - коэффициент избытка воздуха;

у - коэффициент перемежаемости; г/2 - коэффициент полноты сгорания; Я - длина волны;

кк - степень повышения давления в компрессоре; V- оператор Гамильтона; £ - концентрация пассивной примеси; р - плотность;

ст - коэффициент восстановления полного давления, сила поверхностного натяжения, среднее квадратичное отклонение; т - время пребывания

Гд - спектральный коэффициент"ослабления;

Индексы и символы:

в - воздух;

- топливо;

- излучение;

s - сажа, стехиометрическая поверхность; ...' - параметр пульсации;

- относительный параметр; ( } - условное осреднение;

О - начальный параметр

Сокращения: ВПК - военно-промышленный комплекс ГТД - газотурбинный двигатель; ГПА - газоперекачивающий агрегат; КС - камера сгорания; ЛА - летательный аппарат;

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды; TBC - топливовоздушная смесь; -ТКА - турбокомпрессорный агрегат;

ФПРВ -функция плотности распределения вероятности; R-Q-L - (Reach - Quench - Lean)- богато-бедная организация горения

ВВЕДЕНИЕ

Одним из активных антропогенных источников загрязнения атмосферного воздуха являются отработавшие газы авиационных силовых установок.

Особую экологическую опасность представляют собой оксиды азота, дым, мелкодисперсные частицы сажи, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и окись углерода. По мере улучшения параметров рабочего процесса авиадвигателей и снижения загрязнения окружающей среды другими источниками вклад первых будет с каждым годом возрастать. Во время захода на посадку, руления, взлета летательных аппаратов вышеупомянутые вредные выбросы распространяются на ограниченную часть городских территорий. Поэтому эмиссия выхлопных газов ГТД должна рассматриваться как источник, локализованный в зоне крупных аэропортов (аналогичный промышленным выбросам).

В последнее время предприятия ВПК в рамках конверсионных технологий и технологий двойного назначения производят силовые установки на базе авиационных двигателей для наземного применения в качестве ГПА и ТКА как источника сжатого воздуха. Экологический ущерб от их использования вследствие применения низкосортных топлив может иметь еще более серьезные последствия по сравнению с авиационными ГТД.

С развитием авиадвигателестроения происходит увеличение степени повышения давления в компрессоре и температуры газов перед турбиной. Одновременно снижается суммарный коэффициент избытка воздуха, увеличивается температура воздуха, входящего в камеру, и растет давление в камере сгорания. С другой стороны, вследствие удорожания технологии очистки, в настоящее время применяются топлива с повышенным содержанием ароматических соединений

и связанного азота. Совокупность этих факторов приводит к неприемлемым уровням выброса оксидов азота, с одной стороны, и к интенсификации сажеобразования - с другой.

В продуктах сгорания ГТД присутствуют такие высокотоксичные вещества как бензапирен, СО и другие химические соединения, закономерности образования которых не затронуты в настоящей работе.

Оксиды азота - главным образом, N0 и Ы02 (собирательное обозначение 1ЮХ) - являются сильными токсичными веществами, относящимися ко второму классу опасности /55/, представляют серьезную угрозу для населения. Оксиды азота оказывают раздражающее воздействие на органы дыхания. В больших концентрациях они могут вызвать отек легких /72/.

Другим серьезным загрязнителем, содержащимся в выхлопных газах ГТД, является сажа. Ее образование интенсифицируется в камере сгорания в основном из-за повышения давления в камере, снижения суммарного коэффициента избытка воздуха, а также из-за применения более дешевых видов топлива. Образование сажи также вызывает интенсивные лучистые потоки в камере сгорания, значительно снижая ее ресурс и предъявляя повышенные требования к материалу стенок жаровых труб.

Таким образом, решение проблемы снижения концентрации оксидов азота и сажи в продуктах сгорания ГТД, применяемых как в качестве энергоустановок ЛА, так и наземного применения, в настоящее время приобретает все более важное практическое значение.

Однако без детального изучения физико-химической

природы образования Ы0Х и сажи, без анализа предшествующих путей решения проблем минимизации этих выбросов найти эффективные способы представляется затруднительным. К

настоящему моменту сложились определенные концепции образования N0X и сажи.

Наиболее серьезным образом эмиссия N0X камерами сгорания авиационных ГТД исследована В.Р.Кузнецовым, Ю.Я.Бу-рико, В.М.Захаровым /22 ... 25, 31,47/(ЦИАМ им. П.И. Баранова). На кафедре ТАРД УГАТУ научной группой под руководством Р.С.Кашапова /39,69/ разработан ряд горелочных устройств с пониженными выбросами N0X. Эти устройства предназначены для использования в наземных ГПА. Зарубежными исследователями вопросам снижения N0X также было посвящено большое количество работ: Fenimore, С.Р./84/; Martin, F.J./98/; Meisl, J./100/; Risk,N.K. and Mongia, H.C./110...112/, Takagi,T /115/, Tsui,H./119/ и др.

Проблеме образования дисперсного углерода при горении углеводородных топлив уделялось внимание исследователями ЦИАМ, УГАТУ, ВНИИГаз, КГТУ, ВВИА им. Н.Е.Жуковского и др.

Значительное количество зарубежных работ, посвященных сажеобразованию, было опубликовано в материалах Международных Симпозиумов по горению /86,87,91,97,102,107,118/.

К настоящему моменту сложились определенные "схемные" решения для минимизации выбросов КС ГТД (впрыск воды или пара в первичную зону; предварительное смешение горючего и окислителя; обеднение первичной зоны; применение двухзонных КС, как наиболее перспективных).

Одним из наиболее интересных подходов к данной проблеме является применение КС с богато-бедной организацией горения (так называемая "R-Q-L''-камера) /71,100,110... 112, 115/, по отношению к которой в данной работе применяется термин "камера сгорания с двухстадийной организацией горения". Преимущества данного подхода по сравнению с другими следующие :

-возможность работы без ухудшения устойчивых режимов

горения; -надежный запуск;

-возможность применения дистиллятных топлив с повышенным содержанием связанного азота; -достаточно низкие потери полного давления. Для практической реализации камеры сгорания "R-Q-L"-типа в настоящей диссертационной работе проведены подкрепляющие ее научные исследования в следующих направлениях :

-исследование интенсивности сажеобразования в первичной зоне с целью его снижения; -оптимальная организация горения в первичной зоне с

целью эффективного снижения N0X; -оптимальная организация горения в зоне смешения с

целью минимизации появления "новых" N0X и сохранения на приемлемом уровне полноты сгорания rjz . Таким образом, очевидна актуальность проблемы снижения выбросов оксидов азота и сажи газотурбинными двигателями и направления исследований в рамках настоящей работы.

Значительный вклад в решение проблемы образования сажи в камерах сгорания ГТД внесли результаты исследований в УГАТУ, отраженные в докторской диссертации Ф.Г.Бакирова и монографии /18/, а также в кандидатских диссертациях Н.Х.Баширова, Р.С.Кашапова, В.Н.Кружкова, И.3.Полещука. В результате опытов, проведенных с целью создания кинетической модели сажеобразования, было установлено влияние давления, среднемассового состава TBC, рода топлива на интенсивность сажеобразования. Была разработана методика определения концентрации дисперсного углерода газохрома-тографическим методом.

Однако экспериментальные исследования, не учитывающие влияния диффузионного характера горения в первичной зоне, турбулентных пульсаций, перемежаемости, не дают достаточно исчерпывающей информации о физико-химических закономерностях сажеобразования в ней. Кроме того, детальные экспериментальные исследования образования сажи должны базироваться на -достаточно эффективных (производительных и точных) методиках определения локальной концентрации сажи и модального размера частиц.

Целью работы является исследование количественных закономерностей образования ЫОх и сажи в камерах сгорания с двухстадийной организацией горения и разработка методологии снижения токсичных выбросов. На основании анализа опубликованных результатов исследований в работе в качестве основной методологии для достижения этой цели приняты следующие концепции:

а)моделирование процессов образования оксидов азота и сажи в КС "К-()-1/'-типа в лабораторных условиях;

б)взаимосвязанные исследования процессов образованию ЫОх и сажи;

в)использование новых методик измерения концентрации дисперсного углерода в режиме мониторинга.

В соответствии с поставленной целью и указанной методологией в работе решались следующие задачи:

• разработка экспериментального комплекса для моделирования образования Ж)х и сажи в камерах сгорания "К-£)-1/'-типа;

• разработка методики мониторинга концентрации сажи и размеров ее частиц на основе оптических измерений;

• установление закономерностей образования и разложения ЫОх в камерах сгорания "И-О-Ь/'-типа;

• установление закономерностей образования сажи в первичной зоне камеры сгорания "К-0-Ь"~типа с учетом турбулентного диффузионного горения;

• разработка практических рекомендаций к организации горения в камере сгорания "К-£)-1/'-типа, обеспечивающей минимум выбросов сажи и Ы0Х .

Для реализации этой цели на кафедре теории авиационных и ракетных двигателей УГАТУ был разработан и создан экспериментальный комплекс, позволивший создать физическую модель КС "К-<2-1/'-типа. Разработана методика проведения исследований, создана модельная экспериментальная установка и методика непрерывного мониторинга концентрации и размеров сажевых частиц, проведены экспериментальные исследования, выполнено обобщение результатов экспериментов, выработаны практические рекомендации.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

• впервые установлены закономерности, характеризующие изменение концентрации оксидов азота и сажи при различных начальных условиях по способам организации горения, составу смеси и масштабу неоднородности;

• разработана методика непрерывного измерения концентрации и размеров частиц сажи на основе измерений спектральной прозрачности аэрозоля с помощью трехволнового детектора и средств автоматизации эксперимента;

• новизна отдельных технических решений подтверждается авторскими свидетельствами №№ 1216462, 1550359.

Практическая значимость результатов работы заключается в:

-полученных количественных закономерностях процессов

образования N0X и сажи в КС "R-Q-L''-типа, учитывающих турбулентный диффузионный характер процесса горения; -в методике автоматизированных измерений концентрации и размеров частиц сажи в продуктах сгорания углеводородных топлив;

-экспериментальном комплексе для моделирования процессов в КС "R-Q-L''-типа.

Содержание работы изложено в пяти главах. В I г л а-в е проведен анализ предыдущих исследований. Здесь сделан обзор основных способов минимизации выбросов N0X в КС ГТД, проанализированы факторы, интенсифицирующие выбросы N0X и образование дисперсного углерода, рассмотрены основные способы определения концентрации сажи. В главе сформулированы цель и основные задачи настоящей работы.

Во II главе освещены методические особенности проведения экспериментов, описана конструкция экспериментальной установки и систем, обеспечивающих ее работу.

Глава III посвящена описанию методики определения концентрации выбросов. Подробно описаны принцип и устройство трехволнового дымомера, позволяющего определить в режиме мониторинга концентрацию сажи и модальный размер ее частиц. Освещены принципы определения концентрации NOx,CO, CnHm с помощью газоаналитической системы АСГА-Т.

В г л а в е IV приведены результаты экспериментального исследования выбросов N0X в модели первичной зоны "R-Q-L''-камеры. Отражены факторы, обусловливающие начальную концентрацию N0X. Исследована эффективность снижения N0X в богатой зоне, а также проведены исследования зоны смешения на предмет появления "новых" N0X.

В главе V приведены результаты исследований характеристик сажеобразования применительно к богатой зоне "R-Q-L"-камеры. Опыты были проведены при горении гомогенных TBC, при частичном смешении реагентов и в диффузионном пламени. В результате установлено, что интенсивность смешения оказывает существенное влияние на процессы сажеобразования .

В заключение приведены основные результаты работы и выводы.

Указанные результаты могут стать основой для НИОКР по созданию и доводке малотоксичных КС "R-Q-I/'-типа, позволив сэкономить финансовые ресурсы и повысить эффективность натурных испытаний КС ГТД.

Результаты исследований также успешно используются в УГАТУ в учебном процессе при дипломном и курсовом проектировании. Фундаментальный характер работы, включающий в себя характеристики образования N0X и сажи в турбулентном диффузионном пламени, позволяет применить ее результаты для �