Физико-химические свойства газотурбинных топлив

Показатели По ГОСТ 10433-63, образцы 1 и 2 По МРТУ 12Н № 110-64. Образцы 1 и 2
Плотность при 200 С, г/см3 0,886 – 0,903 0,83
Вязкость кинематическая при 500 С , сст 2,95 – 3,36 1,9
Зольность % 0,008 Отсутствует
Содержание в % ванадия серы (1,6 – 6,8) * 10-4 1, - 1,9 Отсутствует 0,22 – 0,18
Температура 0 С – вспышки застывания 80 – 82 -12 ÷ - 17 68 – 73 -10 ÷ -17

В соответствии со спецификацией ASTM 975-68Т ди­зельные топлива в США производились трех сортов: 1-D -легкий сорт; 2 -D - более тяжёлый (газойлевые фракции); 4-D - тяжёлый сорт - дистиллятные топлива. На топлива, применяемые в армии США, имелась отдельная военная специ­фикация для быстроходных дизелей. Качество этих топлив со­ответствует требованиям, предъявляемым к топливам для газовых турбин.

На основании проведенных исследований опытных образцов топлив в США в 1966 году был предложен проект ASTM на топ­лива для газовых турбин.

Сорта 1 – GT, 2 -GT, 3 – GT - дистиллятные топ­лива, 4 – GT - остаточные. В нём зольность не ограничи­вается и допускается высокое содержание ванадия и натрия.

О разработке газотурбинных топлив в других странах известно очень мало. В качестве газотурбинного топлива для стационарных ГТУ используются также мазуты. Качество ма­зутов оценивается в основном теми же показателями, что и в РФ. В США была распространена спецификация D 396-66Т.

В Англии использовалась спецификация Английского институ­та стандартов BS 2869-1957, которая распространялась на дистиллятные и остаточные топлива (мазуты), получаемые переработкой нефти.

В ФРГ существовала правительственная спецификация в которой различается четыре сорта: EL и L (дистиллятные), М (типа флотского мазута) и S (типа топочного мазута М 60). Отсутствие сведений о содержании зольных элементов в мазутах, вырабатываемых в Англии, ФРГ и других странах не позволяет оценить возможность их применения в качестве газотурбинного топлива.

 

Контрольные вопросы к главе 2

1. Назовите горючие элементы в топливе ГТД.

2. Укажите физический смысл вязкости топлива.

3. В каких единицах измерения оценивается вязкость керосина и мазута?

 

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

Реакции горения топлива

Горением называется химический процесс окисления топлива, идущий с интенсивным выделением тепла. Организация процесса горения состоит в том, чтобы предельно использо­вать теплоту сгорания топлива и получить наибольшее тепло­выделение в камере сгорания. На процесс сжигания топлива в факеле пламени, особенно на полноту его сгорания, влияют различные условия, которые определяются исходным составом топлива, процессом перемешивания воздуха с топливом, жидким иди газообразным, начальными температурами обоих компонен­тов, условиями зажигания, размерами камеры. В процессе го­рения окисляются основные составляющие топлива - углерод и водород, а также примеси.

Основные стехиометрические реакции горения имеют следующий вид:

 

С + О2 = СО2; 2Н2 + О2 = 2Н20; S + O2 = SO2

12 32 44 4 32 36 32 32 64

 

Следовательно, для окисления одного килограмма углерода потребуется 8/3 кг кислорода, а для С кг углерода 8/3 С кг кислорода. Для окисления одного килограмма водорода требуется 8 кг O2, а для Н кг Н2 - 8 Н кг кислорода.

Таким образом, для сжигания 1 кг топлива нужно следующее количество кислорода:

8/3 СР + 8Н Р +S Р – O Р , кг.

В окислителе содержится следующее количество свободно­го кислорода:

ОоР – 8/3ОоР –8 НоР – SоР , кг,

где СР, Н Р,S Р,O Р - массовое содержание элементов в топливе,

ОоР,ОоР,НоР,SоР – массовое содержание элементов в окислителе.

 

Отношение

 

, кг "о"/кг "т"

 

Называется стехиометрическим коэффициентом. Величина L0 определяет количество окислителя, необходимого для полного сжигания одного килограмма топлива при идеальных условиях. Обычно окислителем в ГТД является воздух. В этом случае НоР = СоР = SоР и ОоР = 0,232, откуда следует:

 

 

При сгорании керосина, имеющего состав СР =0,86 и НР =0,14 в воздухе стехиометрический коэффициент равен L0 = 14,72.

Пользуясь теми же массовыми соотношениями, можно рассчи­тать количество отдельных газов, содержащихся в ох­лажденных продуктах сгорания 1 кг горючего. Так как общая масса продуктов сгорания, получающихся при сжигании 1 кг горючего (топлива), равна

 

, кг "пс"/кг "т",

 

то относительная массовая доля какого-либо компонента в продуктах сгорания равна gi=Gi|1+αL0:

 

, , , ;

.

 

Для реакций окисления углерода и водорода можно написать следующие массовые соотношения:

 

 

Где НР , СР , SР - массовые количества углерода, водорода и серы в топливе. При условии полного сгорания и α = 1 продукты сгорания состоят из СО2 + SO2 и Н20. Для продуктов сгора­ния одного килограмма топлива с СР = 0,86 и НР = 0,14 имеем:

 

Проверка вычислений даёт следующий результат:

 

 

Степень совершенства горения устанавливается газовым анализом. С помощью газового анализа продуктов сгорания можно определить их детальный состав, включая и непрореагировавшее горючее. На практике ограничиваются измерением количества остаточного кислорода для определения двух глав­ных характеристик камер сгорания – суммарного коэффициента избытка воз­духа и коэффициента полноты сгорания ηг. Коэффициент избытка воздуха в точке отбора пробы равен

 

 

где 0,21 - объемная доля кислорода в воздухе,

= - отношение объема O2 ост к общему объему продуктов сгорания после дожигания пробы. Формула для имеет вид:

 

= ,

 

где полагается, что объем воздуха приблизительно равен объему продуктов сгорания. Формула определяет количество кислорода, оставшегося после стехиометрического сжигания 1 кг топлива.

Коэффициент химической полноты сгорания, если приближенно принять, что количество выделившегося тепла пропорционально количеству поглощенного кислорода, равен:

ηг=

 

где - объемная доля О2 в "замороженной" пробе (без дожигания), то есть это лишний кисло­род плюс оставшийся из-за плохой организации процесса горения.

Методы газового анализа в настоящее время хорошо разработаны и могут быть изучены по специальной литературе.

Таким образом, по измеренным величинам и можно вычислить α и ηг в точке отбора пробы и затем проинтегрировать по сечению:

 

 

где rж - радиус жаровой трубы.

При отсутствии ошибок эти рабочие параметры работы камеры должны совпасть с параметрами, определенными по суммарным величинам.

Так как скорость химической реакции весьма велика, то скорость сгорания практически равна скорости смесеобразо­вания.

В общем случае полное время сгорания топлива равняется

τc = τ см + τ t + τ x

где τсм - время смесеобразования;

τ t - время нагрева до воспламенения;

τ x - время химической реакции.

 

Если топливо вводится в камеру сгорания неперемешанным, то

τcм ≥ τ t ≈ τ x и τc ≈ τ см.

В этом случае процесс горения часто называется диффузионным.

 

Если топливо заранее перемешано с воздухом, то

 

τ см + τ t ≈ τ x и τc ≈ τ x.

 

В этом случае процесс горения называется кинетическим, так как перестает зависеть от факторов смешения, а скоро­сть процесса определяется скоростью химической реакции.