CC BY
14
УДК [536. 46:533.7]:662.613.12.001.57
В.А. ЩУКИН, Ф.М. ВАЛИЕВ, О.В. ДУНАЙ
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева
(КНИТУ-КАИ)
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В АВИАДВИГАТЕЛЯХ ПРИ ДВУХСТАДИЙНОМ ПРОЦЕССЕ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Представлены результаты расчетной оценки образования газообразных токсичных веществ (НС, СО и МОх)при двухстадийном процессе сжигания топлива в зависимости от доли топлива, сжигаемого в первой стадии при давление в камере сгорания равном 105 Па, температуре воздуха на входе в камеру 500 К, суммарном коэффициенте избытка воздуха равному 4,0.
Ключевые слова: горение, однородная топливовоздушная смесь, стадийное сжигание топлива, эмиссия токсичных веществ.
Опубликован ряд книг[1,2,3], где приводятся основные методы снижения эмиссии токсичных веществ, а также отдельные результаты, показывающие эффективность тех или иных методов в конкретных конструкциях камер сгорания. Эти методы следующие:
- обеднение состава смеси в зоне горения жаровой трубы;
- интенсификация процесса распы-ливания;
- испарение топлива и смешение с воздухом во фронтовом устройстве жаровой трубы;
- предварительная подготовка горючей смеси до поступления в зону горения жаровой трубы;
- применение регулируемых по распределению воздуха и топлива конструкций камер сгорания;
- многостадийное (ступенчатое) сжигание топлива;
- многозонное сжигание топлива;
- использование рециркуляции продуктов горения;
- впрыск воды и использование добавок к топливу;
- использование каталитических поверхностей и прочее.
Несмотря на большое разнообразие методов уменьшения выбросов токсичных веществ, эффекты от внедрения этих мероприятий различны для различных токсичных компонент, зависят от конкретных условий. Проанализированные [4, 5] физико-химические закономерности выхода токсичных веществ в различных типах пламен и предложенный подход при их моделировании, позволяют количественно оценить эффективность различных методов применительно к конкретным условиям.
Для значительного уменьшения выбросов всех токсичных веществ авиадвигателями наибольший интерес представляют два метода: организация в камере сгорания сжигания предварительно подготовленной смеси бедного состава и организация многостадийного (ступенчатого) процесса сжигания.
Преимущества предварительного испарения жидкого топлива и его смешение с воздухом перед сжиганием заключаются в том, что с обеднением смеси от стехиометрии наблюдается одновременное снижение практически всех основных токсичных веществ. При этом максимальное обеднение смеси ограничено пределами стабилизации пламени и устойчивым распространением его в поток горючей смеси. Вблизи пределов распространения пламени и устойчивого горения из-за эффекта гашения пламени (прекращение реакций горения) происходит резкое увеличение выбросов несгорев-ших углеводородов (НС), окиси углерода (СО) и уменьшение выбросов окислов азота (КОх). Существенное снижение выбросов НС, СО и КОх в камерах сгорания при этом могут быть достигнуты при условии, когда время пребывания газа в зоне горения жаровой трубы достаточно для завершения процесса устойчивого горения бедной смеси, а избыточный воздух подводится всегда за пределами факела пламени и исключается эффект гашения пламени избыточным компонентом.
В этих условиях выбросы НС, СО и NОх из камеры сгорания определяются закономерностями их выхода в пределах зоны горения предварительно подготовленных смесей и закономерностями их изменения в послепла-менной области по закономерностям простой кинетики, осложненной процессом смешения
© | В.А. Щукин"] Ф.М. Валиев, О.В. Дунай, 2015
- 196 -
избыточным воздухом в течение времени пребывания на участке зоны смешения камеры сгорания. Подобные условия протекания процесса горения практически могут быть реализованы лишь в камере сгорания изменяемой геометрии.
Однако практическая реализация таких условий сжигания жидкого топлива требует решение ряда технических задач:
- обеспечение надлежащего предварительного испарения и смешения топлива с воздухом;
- обеспечение условий стабилизации пламени при работе камеры сгорания на различных режимах эксплуатации;
- обеспечение неизменного состава смеси в зоне горения;
- исключение эффекта гашения пламени избыточным компонентом по режимам работы двигателя и т.п.
Преимущества двухстадийного метода сжигания топлива и особенности образования НС, СО и КОх при этом можно проиллюстрировать на примере идеализированной камеры сгорания. Расчетная схема этой камеры представлена на рис. 1.
рения происходит мгновенное смешение продуктов горения 1-ой зоны с топливовоздушной смесью 2-ой зоны;
- продукты горения 2-ой зоны мгновенно перемешиваются с воздухом зоны смешения и все химические реакции замораживаются.
По уравнениям кинетических кривых изменения НС, СО и КОх в пределах зоны горения ламинарного пламени [4]были рассчитаны эмиссионные характеристики камеры сгорания в зависимости от доли топлива, сжигаемого в первой стадии
ёт1
- от1 / (Ст1 + вт2 )
Расчеты выполнялись для трех характерных случаев:
- первый случай, когда горение в 1-ой стадии организуется при местном постоянном коэффициенте избытка воздуха а — 1,5 в диапазоне gтl — 0...0,66, а в пределах gтl — 0,66...1,0 значение а изменяется от 1,5 до 1,0 в соответствии с ограничением стехиометрич-ности суммарного состава в зонах горения;
- второй случай, когда горение в 1-ой и во 2-ой стадиях организуется при стехиометриче-ском составе смеси;
- третий случай, когда горение в 1-ой стадии организуется при местном постоянном коэффициенте избытка воздуха а — 0,6.
Рис. 1. Идеализированная схема камеры сгорания с двухстадийным процессом сжигания топлива
Для примера положим, что давление в камере сгорания равно 105 Па, температура воздуха на входе в камеру 500 К, суммарный коэффициент избытка воздуха равен 4,0. Принимаем, что общий расход топлива и общий расход воздуха поддерживается неизменным, процессы испарения и смешения топлива с воздухом протекают мгновенно, горение в 1-ой и во 2-ой стадиях реализуется в ламинарном режиме течения.
Для простоты расчетов дополнительно накладываем следующие ограничения:
- суммарный коэффициент избытка воздуха в 1-ой и во 2-ой зонах горения равен единице;
- время пребывания в 1-ой и во 2-ой зонах тождественно равно соответствующим значениям времени горения;
- на границе между 1-ой и 2-ой зонами го-
/!у0 /о
сУ не'
Рис. 2. Расчетные зависимости концентраций НС, СО и NОх от доли топлива, сжигаемого в первой стадии
Результаты расчетов представлены на рис. 2 в относительных координатах, т.е. по оси ординат отложены отношения индексов эмиссии НС, СО и NОх камеры с двухстадийным процессом сжигания топлива к соответствующим индексам эмиссии камеры сгорания с одностадийным процессом сжигания при прочих равных условиях. По оси абсцисс — доля топлива
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2015
- 197 -
сжигаемого в первой стадии.
Результаты расчетов свидетельствуют, что, несмотря на постоянство максимальной температуры горения, и термодинамических равновесных значений концентраций НС, СО и NОх
(при т = оо), стадийность сжигания топлива оказывает влияние на выбросы при малых
временах пребывания (при т = 1,0).
Характерно, что при двухстадийном процессе сжигания топлива не ожидается заметного одновременного снижения выбросов НС, СО и
С точки зрения максимального снижения выбросов НС, СО и NОх желательно сжигание всего топлива в 1-ой стадии при переобогащенных составах с последующим дожиганием продуктов горения во 2-ой стадии, хотя в этих условиях возникает проблема уменьшения выбросов СО.
Сжигание топлива в 1-ой стадии при переобедненных составах эффективно с точки зрения уменьшения выбросов NОх, а выбросы НС, СО при этом не претерпевают заметных изменений.
В соответствии с полуэмпирическими закономерностями изменения НС, СО и NОх стадийность сжигания топлива оказывает влияние на выбросы через кинетику, в част-
ности, посредством изменения неравновесных условий протекания реакций в пламени.
Литература
1. Канило П.М., Токсичность ГТД и перспективы использования водорода. К. Наукова думка, 1982, 140 с.
2. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени. Пер. с англ. Под ред. Чигир Н.А. М. Машиностроение, 1981, 407 с.
3. Христич В.А., Тумановский А.Г. Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды. К. Техника, 1983, 144 с.
4. Щукин В.А., Валиев Ф.М., Дунай О.В. Физико-химическая модель выхода несгорев-ших углеводородов из ламинарного пламени однородной смеси. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, № 1, Казань, Изд-во Казан. гос. тех. ун-та,2010 г.
5. Щукин В.А., Валиев Ф.М., Дунай О.В., Щукин Ф.В. Моделирование образования токсичных веществ в турбулентном пламени однородной смеси. Материалы VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011». Казань, Изд-во Казан. гос. техн. ун-та; т.1; 2011 г.
Поступила вредакциию 10.06.2015
В. А. Щуин , Ф. М. Ва.мев, О. В. Дунай. Особливост утворення газопод1бних ток-
сичних речовин в авшдвигунах при двостадшному процеа спалювання налива
Представлено резулътати розрахункового оцшювання утворення газопод^бних ток-сичних речовин (НС, СО i NOx) при двостадшному процеа спалювання палива залежно eid частки палива, що спалюетъся в першш стади при тиску у камерi згоряння рiвному 105 Па, температурi повтря на вxодi в камеру 500 К, сумарному коефщieнтi надлишку повтря рiвному 4,0.
Ключов1 слова: горшня, однорiдна паливоповтряна сумш, стадшне спалювання палива, емшя токсичних речовин.
V.A. Schukinl, F.M. Valiyev, O.V. Dunai. Peculiarities of gaseous toxic substances
formation in aircraft engines as a result of two-stage fuel burning
The main idea of the article is to provide the reader the results of estimation of gaseous toxic substances formation during two-stage process of fuel burning depending on the fraction of fuel burnt at the first stage in the combustion chamber at pressure equal to 105 Pa, combustion chamber inlet temperature of 500 K and total excess air factor equal to 4.0.
Key words: burning, uniform fuel mixture, stage fuel burning, emission of toxic substances.
