Физическая модель процесса горения в обычных камерах сгорания

Физическая модель процесса горения в обычных камерах сгорания на основе зависимости индексов эмиссии NO_x и CO, сформулированная Меллором для обычной камеры сгорания с одноступенчатой центробежной форсункой, показана на рис.6.4 [15].

Высокие уровни эмиссии NO_x и CO на режиме малого газа (рис.6.4а) обусловлены медленным горением и плохим испарением капель. На этом режиме имеет место диффузионное горение капель топлива, жёлтое пламя большой длины и высокая эмиссия оксидов азота. По мере увеличения мощности двигателя (рис.6.4б) перепад давления на форсунке увеличивается (∆p≈1,5 МПа) осуществляется процесс горения в следе при минимальном образовании NO_x и CO. На крейсерском режиме (рис.6.4в) перепад давления на форсунке становится больше (∆p>1,5 МПа), испарение капель топлива улучшается, диффузионный факел постоянной длины и голубое пламя в зоне полного перемешивания.

Физическая модель процесса горения Меллора качественно должна оставаться такой же и для обычных камер сгорания с двухступенчатыми центробежными форсунками. Для получения полной картины процессов горения и образования вредных веществ в конкретной камере сгорания должны проводиться различные измерения, как в рабочем объёме жаровой трубы, так и на выходе камеры сгорания. На рис 6.5 показана модель осреднённого течения в первичной зоне (в зоне фронтового устройства и втекания струй вторичного воздуха) камеры сгорания двигателя Allison J-33c температурой воздуха на входе до 500 K и общим коэффициентом избытка воздуха α = 5, топливо – жидкий пропан (данные Mellor A.M. и Tuttle J.H. [15]).

Рис.6.5. Модель осреднённого течения в первичной зоне камеры сгорания двигателя Аллисон J-33. 1 – очень богатая зона с большим образованием CO, капли топлива в потоке воздуха; 2 – концентрация CO замораживается холодным воздухом зоны обратных токов, 3 – низкие измеренные температуры вследствие соударения капель, окисление CO и образование NO; 4 – струи вторичного воздуха попадают в зону обратных токов, 5 – высокотемпературные зоны 3 – 5, в которых образуются оксиды азота.

Измерения внутри обычных камер сгорания и полученные по ним модели течения и горения в целом согласуются с физической моделью, показанной на рис.6.4.

Нормирование эмиссии вредных веществ началось с разработки Международной организацией гражданской авиации (ICAO – international civil aviation organization) проекта норм ICAO-77, составленного в результате изучения физических процессов в камерах сгорания ГТД. Для определения массы вредных веществ, выделяющихся в районе аэропорта на высотах до 1000 метров, устанавливался стандартный цикл режимов работы двигателя при взлёте и посадке длительностью 28,9 мин, и по экспериментальным значениям индексов эмиссии CO, CH и NO_x определялась общая масса эмиссии каждого вещества. В качестве контрольного параметра эмиссии было установлено отношение массы эмиссии к величине взлётной тяги. Этот параметр используется и в действующем в настоящее время стандарте 1993 года с поправками. Например, для типа или модели двигателя с датой изготовления первого серийного образца позднее 31 декабря 2003 года эмиссия оксидов азота не должна превышать нормативного значения, определяемого следующей формулой:

при π₀₀<30 и F₀₀>89 кН (9075 кгс), где π₀₀ и F₀₀

- степень повышения давления и взлётная тяга, соответственно.

Что касается стационарных ГТУ, то в соответствии с ГОСТ 29328-92 содержание оксидов азота в отработавших газах при работе с нагрузкой от 0,5 до 1,0 номинальной для вновь создаваемых ГТУ с 01.1995 г. не должно превышать 50 мг/м³ на газообразном топливе и 100 мг/м³ на жидком топливе. Более свежих данных по выбросу вредных веществ авторам найти не удалось.

Нормы выброса вредных веществ для транспортных ГТД, на наш взгляд, должны соответствовать нормам, установленным Правилами ЕЭК ООН № 49, представленным в Таблице 6.2.

Уровни норм Правила ЕЭК ООН №49	Удельные выбросы вредных веществ, г/кВт·ч
NO_x	CO	C_nH_m	PM
ЕВРО-1 (до 01.10.1995 г.) мощность ≤ 85 кВт мощность ˃ 85 кВт	8,0/9,0* 8,0/9,0*	4,5/4,9* 4,5/4,9*	1,1/1,23* 1,1/1,23*	0,36/0,40* 0,61/0,68*
ЕВРО-2 (с 01.10.1995 г.)	7,0	4,0	1,1	0,15/0,25*
ЕВРО-3 (с 01.10.2000 г.) цикл ESC (OICA) цикл ETC (FiGE)	5,0 5,0	2,1 5,45	0,66 0,78 (1,6)***	0,10 (0,13)**
ЕВРО-4 (с 2005 г.) цикл ESC (OICA) цикл ETC (FiGE)	3,5 3,5	1,5 4,0	0,46 0,55	0,02 0,03
ЕВРО-5 (с 2008 г.) цикл ESC (OICA) цикл ETC (FiGE)	2,0 2,0	1,5 1,5	0,25 0,25	0,02 0,03

Таблица 6.2