Закономерности образования оксидов азота и сажи при двухстадийной организации процесса в камере сгорания

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 зонупредварительное смешение горючего и окислителяобеднение первичной зоныприменение 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 надостаточно 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 условияхб) взаимосвязанные исследования процессов образованию ЫОх и сажив) 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 №№ 1 216 462, 1 550 359.

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.

• результаты исследования сажеобразования при различных способах подачи топлива доказывают возможность организации горения с низкими концентрациями сажи в обогащенной первичной зонеэто является необходимым условием снижения 1Юх в первичной зоне камеры сгорания «11−0-1/'-типа.

3.Создан экспериментальный комплекс, позволяющий моделировать процессы горения в камере сгорания «И-О-И/'-типа с использованием автоматизации средств измерений.

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

5.На основе результатов исследований сформированы следующие практические рекомендации по организации рабочего процесса в камере сгорания «К-0-Ъ» -типа:

Оптимальный подбор длины первичной зоны позволяет добиться снижения Ы0Х. Уменьшением микромасштаба смешения можно достичь низких уровней 1Юх и избежать организации предварительного смешения топлива и воздуха при одинаковых значениях критерия Дамкелера. Регулирование состава и качества смешения позволяет достичь минимального уровня сажеобразования и приемлемых концентраций И0Х:

• для снижения ]ЮХ и достижения минимального уровня дымления необходимо организовать диффузионное горение в первичной зоне с ах «0,45.0,55;

• наиболее оптимально подобранные составы с точки зрения минимизации появления «новых» 1ТОХ: «0,52.. .0, 55- а2~2,5.3,0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 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».