Перспективные камеры сгорания
Необходимость серьёзной модификации камер сгорания ГТД для обеспечения выполнения современных норм по токсичности EPA показано в целом ряде работ, упоминаемых в [15], что включает изменяемую геометрию камеры сгорания (переменный подвод воздуха в жаровую трубу), ступенчатую подачу топлива, выбор конструкции фронтового устройства и другие методы.
В камерах сгорания с изменяемой геометрией осуществляется перераспределение расхода воздуха между первичной зоной и зоной смешения при изменении режима работы двигателя. Для этого могут быть использованы скользящие ленты, которые открывают и закрывают отверстия в жаровой трубе. Исполнительные устройства могут быть разными, но следует иметь в виду, что для обеспечения выполнения жёстких норм по токсичности изменение геометрии камеры сгорания должно сочетаться с другими методами.
В камерах сгорания со ступенчатой подачей топлива вместо одной форсунки устанавливаются две последовательно расположенные, что приводит к образованию двух зон горения. Ступенчатая подача топлива через пилотную пневматическую форсунку в зоне фронтового устройства и через механическую центробежную форсунку в зоне подачи струй вторичного воздуха может снизить эмиссию оксидов азота почти в два раза, по сравнению с обычной камерой, работающей на том же режиме при таком же расходе топлива.
Следует отметить, что при этом может увеличиться выброс CO и CH из-за неполного сгорания топлива во вторичной зоне или из-за замораживания реакций слоем охлаждающего воздуха.
Снижение эмиссии NOx при ступенчатой подаче топлива объясняется обеднением состава смеси в первичной зоне при меньшей подаче в неё топлива и, соответственно, снижением температуры газов в этой зоне. При этом большее количество воздуха во вторичной зоне горения увеличивает интенсивность турбулентного смешения.
Метод предварительной подготовки топливовоздушной смеси может быть реализован в гомогенных и гетерогенных камерах сгорания.
В гомогенных камерах сгорания осуществляется предварительное испарение топлива и перемешивание его с воздухом, что исключает из процесса горения соответствующие времена. В таком процессе важное значение имеет величина коэффициента избытка воздуха. Для устойчивой работы гомогенной камеры сгорания его величина в первичной зоне может быть меньше значений 0,7 – 0,8, что исключает бедный срыв пламени из-за проскока его вверх по потоку, называемый проскоком пламени. Для диффузионного горения состав смеси в первичной зоне не является жестким определяющим параметром. Гомогенные камеры сгорания обеспечивают существенное снижение эмиссии оксидов азота. Что касается эмиссии CO и CH, то при обеспечении её снижения, как отмечается в ряде работ, могут возникнуть трудности в обеспечении снижения индекса эмиссии NOx.
В гетерогенных камерах сгорания используются каталитические реакции на поверхностях керамических блоков с платиновым покрытием или с катализаторами фирменного состава. В этом случае обеспечивается существенное снижение эмиссии оксидов азота при горении бедной смеси без ухудшения полноты сгорания [15]. В настоящее время, видимо, остаются практические проблемы доводки таких камер сгорания, особенно для транспортных двигателей.
Рис.6.4. Схема физической модели горения распыленного воздуха в первичной зоне обычной камеры сгорания при подаче топлива через одноступенчатую форсунку [15]: а – режим малого газа (∆p<1,5 МПа), б – средняя нагрузка (∆p≈1,5 МПа), в – крейсерский режим (∆p>1,5 МПа)