Некоторые характеристики камер сгорания по токсичности выбросов вредных веществ
Эти методы включают в себя изменение времени существования капель топлива и мелкомасштабного перемешивания, изменение времени крупномасштабного перемешивания, изменение скоростей гомогенных химических реакций при соответствующих небольших модификациях камер сгорания.
На рис.6.2 показан график зависимости эмиссии NO от частоты вращения вала турбины двигателя GT309 при различных условиях процесса горения в первичной зоне камеры сгорания [15].
Рис.6.2. Зависимость эмиссии NO (мольные доли) от частоты вращения турбины: 1 – серийная камера сгорания, 2 – богатая первичная зона, 3 – бедная первичная зона, 4 – раннее замораживание, 5 – бедная первичная зона и раннее замораживание
В исходной конструкции камеры сгорания автомобильного ГТД GT309 воздух в головку камеры подается через щелевые отверстия, а вторичный воздух подается в жаровую трубу через один ряд отверстий малого диаметра и через второй ряд отверстий большого диаметра. На графике рис.6.2 видно, что путём изменения расхода воздуха через фронтовое устройство (через первичную зону) эмиссия NO может быть снижена во всём диапазоне рабочих режимов до 40%, при этом заметного увеличения выброса CH и CO не наблюдалось.
Процесс горения в обычной камере сгорания при распыливании топлива центробежной форсункой практически аналогичен турбулентному диффузионному горению, скорость которого зависит от скорости турбулентного смешения. Состав топливовоздушной смеси в первичной зоне зависит от величины зоны горения и длины факела пламени. Стехиометрический или близкий к нему состав горючей смеси в первичной зоне увеличивает скорость химических реакций горения топлива и окисления оксида углерода (CO). Что касается снижения эмиссии оксидов азота, то следует снижать температуру газов в первичной зоне путём их разбавления подачей воздуха или путём впрыска воды.
В некоторых работах нормы на выброс вредных веществ рассматриваются как компромисс между эмиссией CO и NOx, поскольку если выполняются нормы по CO, то эмиссия несгоревших углеводородов также оказывается низкой. Индекс эмиссии CO в зависимости от эмиссии NOx представлен на графике рис.6.3 [15]. Полоса эмиссии от режима малого газа до максимальной мощности была получена по измерениям концентраций в выхлопных газах двигателей Аллисон, Пратт-Уитни и Дженерал Электрик с камерами сгорания различной компоновки. Отметим, что указанная связь эмиссий во взлётно-посадочном цикле относится к нормам 1979 года (Verkamp F.J., Verdouw A.J., Tomlinson J.G. Impact of emission regulations on future gas turbine engine combustors. J.Aircraft, 1974, II, 340).
Рис.6.3. Связь эмиссий CO и NOx в камерах различных конструкций во взлётно-посадочном цикле двигателей класса T2 по нормам EPA не 1979 год с удельным расходом топлива [15]
В указанной выше работе отмечается, что небольшие модификации камер сгорания и форсунок, включая применение пневматических форсунок, в лучшем случае обеспечивает 50%-ное снижение выбросов EINOx и EICO. Впрыск воды даёт значительный эффект снижения EINOx, но этот метод не может считаться практичным по условиям безопасности в авиации. Выполнение современных норм EPA требует серьёзных изменений в конструкции камер сгорания.