ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГТД

При горении органических топлив в камерах сгорания авиационных ГТД в атмосферу выбрасывается вредные вещества такие как: оксид азота (данное соединение на воздухе легко переходит в диоксид азота), оксид углерода, углеводороды, бензапирен и твердый углерод, проявляющийся в виде дыма или сажи и нагара на стенках [1].

Оксиды азота в определенных концентрациях обладают рез­ко выраженными ядовитыми и раздражающими действиями на живой организм. Общая величина всех оксидов азота обо­значается как NO_x.

Процесс образования оксидов азота, исходя из цепного ме­ханизма реакции Я.Б. Зельдовича, выглядит так:

Оксид углерода, поступая в кровь, сокращает приток кисло­рода к тканям и сердцу, повышает количество сахара в крови, вызывает головокружение, нарушение зрительных органов, слабость, а в боль­ших концентрациях - асфиксию.

Механизм реакции и система окисления оксида углерода имеет харак­тер разветвленной цепной реакции, ухудшенной параллельно протекающими сопутствующими реакциями. Цепочка окисления развивается лишь при участии радикала ОН согласно по схеме:

Углеводороды могут послужить причиной серьезных воспалений слизистых оболочек глаз, горла, носа.

Сгорание углеводородов является цепным процессом с выра­женными разветвлениями, когда новые цепи возникают за счет распада молекул промежуточных продуктов.

Присутствие в продуктах сгорания частичек несгоревшего угле­рода определяет образование дыма, что необязательно свиде­тельствует о плохом сгорании топлива из-за ничтожного содержания углерода в продуктах сгорания.

«Число дымности» SN измеряется способом фильтрации, при котором через белый бумажный фильтр пропускается заданное количество выхлопных газов [1]. Определяется в процентах - по сравнению отражательных способностей загрязненного и чисто­го фильтров.

Эмиссия вредных веществ регламентируется санитарными нормами, которые устанавливают предельно допустимые концен­трации (ПДК) этих веществ в населенных пунктах и в рабочей зоне. Максимально допускаемые концентрации некоторых вредных веществ, присутствующих в продуктах сгорания углеводородно­го топлива, приведены в таблице 1, включающей данные ГОСТа.

Таблица 1 - Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ по ГОСТу 12.1.005-88

Вещество	Класс опасности	ПДК в населенных пунктах, мг/м3		ПДК в рабочей зоне, мг/м3
		разовая	среднесуточная
Пыль (нетоксичная)	-	0,50	0,150	-
Сажа (копоть)	-	0,15	0,05	-
Серный ангидрид	2	0,30	0,10	1,0
Сернистый ангидрид	3	0,50	0,05	10,0
Сероводород	2	0,008	0,008	10,0
Оксид азота (в пересчете на диоксиды)	3	0,085	0,085	5,0
Оксид углерода	4	3,00	1,00	20,0
Бенз(а)пирен	1	-	0,000001	0,00015
Пероксид ванадия	1	-	0,002	0,1
Синильная кислота	1	-	0,01	0,3
Соляная кислота	2	0,20	0,20	5,0

Таблица 1 - Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ

Механизмы образования эмиссии вредных веществ

Оксиды азота

Оксиды азота, образующиеся в результате окисления свободного азота в воздухе для горения топлива, основным фактором, влияющим на образующийся NOx в реакции горения, является стехиометрическая адиабатическая температура пламени топлива, которая является температурой, достигнутой при сжигании теоретической смеси топлива и воздуха в изолированном сосуде. Основными факторами, влияющими на эту температуру пламени, являются:

• NOx сильно увеличивается с соотношением топлива к воздуху или с температурой горения.

• NOx увеличивается экспоненциально с температурой воздуха на входе в камеру сгорания.

• NOx увеличивается пропорционально квадратному корню из давления на входе в камеру сгорания.

• NOx увеличивается с увеличением времени пребывания в зоне пламени.

• NOx уменьшается экспоненциально с увеличением впрыска воды или пара или увеличением удельной влажности.

При  и при увеличении времени пребывания прямо пропорционально увеличивается эмиссия NO_x. При обеднении гомогенной смеси до  и соответствующем снижении температуры пламени до   <1800 K время пребывания существенного влияния на образования NO_x не оказывает [2].  

Образование оксида углерода и несгоревших углеводородов

Сжигание топливовоздушной смеси редко бывает полным и образующиеся в результате сгорания газы будут содержать монооксид углерода (CO).

Монооксид углерода обычно образовывается в случае отсутствии кислорода для окончания реакции окисления углерода до CO₂, либо при диссоциации CO₂ при достаточно высокой температуре.

Главными факторами высокого содержания CO в выхлопных газах могут быть:

- низкая скорость горения в первичной зоне (из-за недостатка топлива и (или) времени пребывания);

- неоднородная топливовоздушная смесь;

Образование сажи

Образование сажи появляется непосредственно в той части зоны горения, где существует переизбыток топлива и скорость смешения имеет наименьшее значение. Необходимо предотвратить накопление углерода, которое может произойти из-за коксования топлива при интенсивном нагреве и локальном перенасыщении смесей. Если это произойдет, то отверстия инжектора будут забиваться сажей, и таким образом это может исказить распыление. Если коксование происходит на близлежащих поверхностях, которые управляют движением первичного воздуха, это изменяет их геометрию и, следовательно, их предполагаемое воздействие на первичный воздух. Проблема образования кокса лежала в основе раннего развития горения. Основное решение состояло в том, чтобы направить часть первичного воздуха на поверхности, где обычно происходило образование кокса, чтобы заставить его сгорать так же быстро, как он образовался.

Конструктивные параметры камеры сгорания, влияющие на концентрацию вредных веществ

На протяжении долгих лет исследований процессов горения, которые происходят в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей ученые смогли выявить, что основные параметры камеры сгорания ГТД, которые влияют непосредственно на неравномерность распределения температуры как в окружном, так и в радиальном направлениях являются:

1. Отношение площади жаровой трубы в миделевом сечении к суммарной эффективной площади ее отверстий: 
   
2. Интенсивность закрутки завихрителя:  
   
3.  Пропускная способность завихрителя фронтового устройства, представляющая собой отношение эффективной площади каналов завихрителей к эффективной площади всех отверстий жаровой трубы:
    
4.  Количество форсунок, приходящееся на площадь поперечного сечения жаровой трубы  [3].

Отношение  характеризует аэродинамику процесса смешения холодных струй с горячим потоком внутри жаровой трубы КС [3].

Также уменьшение области повышенных температур в КС, вызванное процессами турбулентного смешения потоков достигается за счет увеличения интенсивности крутки завихрителя. 

Так как местная температура в зоне горения зависит от доли расхода воздуха, поступающего в зону обратных токов при заданном коэффициенте избытка воздуха, то этот расход определяется так называемой относительной пропускной способностью завихрителя фронтового устройства  .

Относительная пропускная способность завихрителя позволяет определить зону, в которой имеются локальные местные температуры и среднюю температуру в зоне горения, т.е. смешение топлива с воздухом. Одновременно при увеличении  снижается средняя температура, так как коэффициент избытка воздуха в зоне горения изменяется от  до значения коэффициента избытка воздуха на выходе из камеры сгорания (при  =1).

Если  стремится к 1, то происходит обеднение смеси. При данном условии происходят значительные колебания потока, вызванные горением ТВС с коэффициентом избытка воздуха, близкими к пределам воспламенения.

Отношение   характеризует количество форсунок. N_ф - число топливных форсунок. И определяет смешение топлива с воздухом и приближение смеси к гомогенной по всему сечению жаровой трубы. При бесконечно большом количестве форсунок смесь становится однородной.

Способы снижения эмиссии вредных веществ

Чтобы обеспечить наименьший уровень выбросов вредных веществ при сгорании топлива в КС ГТД любого типа необходимо:

- иметь максимальную скорость реакции;

- температуры в зоне горения должна лежать в пределах 650…1600 °С;

- отсутствие локальных высокотемпературных зон;

- постоянного во всем диапазоне работы двигателя состава смеси ( = const) в зоне горения;

- оптимальное распределение вторичного воздуха;

- оптимальный состав смеси в смесительных устройствах или в первичной зоне КС.

Все выше перечисленные требования по обеспечению низкого уровня эмиссии вредных выбросов всегда приводит к компромиссному решению. К примеру, концентрация монооксида углерода CO и CH максимальны на режимах малой тяги ГТД, но при этом уменьшаются выбросы NOx и SN, и наоборот. Данные по компромиссным решениям наблюдаются на графиках, приведенных на рис. 1.

Рис. 1-  Характеристики выбросов загрязняющих веществ от газотурбинного двигателя

Поэтому в настоящее время актуально создание совершенно новых КС, за счет которых получилось бы уменьшить эмиссию вредных веществ. К основным конструктивным схемам низко-эмиссионных КС можно отнести:

- двухзонные камеры сгорания;

- камеры сгорания изменяемой геометрии;

- многофорсуночные камеры сгорания;

- с гомогенизацией топливовоздушной смеси;

- каталитические камеры сгорания;

- камеры сгорания вибрационного горения.

Выводы

1. Рассмотрены механизмы образования вредных веществ в камерах сгорания ГТД, а также способы их уменьшения.
2. Приведена характеристика выбросов загрязняющих веществ ГТД.
3. Приведены схемы перспективных камер сгорания для снижения эмиссии вредных веществ.