Снижение эмиссии оксидов азота в камерах сгорания ТРДД с компактным диффузионным фронтом пламени

• Автор: Цатиашвили, Вахтанг Валерьевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 175 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ
РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ МАЛОЭМИССИОННЫХ
КАМЕР СГОРАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1.1 Обзор механизмов образования оксидов азота
1.2 Обзор концепций снижения эмиссии оксидов азота в КС авиационных ГТД
1.3 Обзор работ по созданию КС для обеспечения перспективных требований по эмиссии вредных 24 веществ
1.4 Выводы 44 ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КС
2.1 Нуль-мерные численные расчёты
2.2 Одномерные численные расчёты
2.3 Трёхмерные численные расчёты
2.4 Выводы
ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ И СУЩЕСТВУЮЩИЙ ТЕХНИЧЕКИЙ БАЗИС
3.1 Методология проектирования демонстратора концепции
3.2 Описание конструкции серийных КС семейства двигателей ПС-90А
3.3 Особенности рабочего процесса в КС «А2»
3.4 Влияние течения в основных отверстиях на эмиссию N
3.5 Выводы 82 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ
МАЛОЭМИССИОННОГО ДИФФУЗИОННОГО
СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
4.1 Расчётно-аналитическое обоснование

ключевого положения концепции
4.2 Выводы
4.3 Концептуальная модель камеры сгорания
4.4 Взаимосвязь концепций малоэмиссионного горения
4.5 Выводы
ГЛАВА 5. ПРОВЕДЕНИЕ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ
5.1 Стендовое оборудование
5.2 Обработка результатов испытаний
5.3 Выводы
ГЛАВА 6. РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ
6.1 Выбор фронтового устройства демонстратора
6.2 Расчётно-экспериментальное обоснование концепции
6.3 Сравнение результатов расчётов и результатов испытаний демонстраторов на природном газе
6.4 Результаты испытаний демонстраторов на керосине
6.5 Выводы
Заключение
Список сокращений и условных обозначений Библиографический список Приложение

160 ,

165 169

ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших глобальных проблем современного общества является усиление негативного антропогенного влияния на окружающую природную среду. Примерно 81 % от всей вырабатываемой энергии в Мире составляет химическая энергия ископаемого топлива, высвобождаемая в результате химической реакции с кислородом воздуха, в виде тепла [1]. Основными продуктами полного сгорания углеводородных топлив в воздухе является углекислый газ и вода в смеси с азотом. Вместе с тем, при сжигании углеводородных топлив, в незначительном количестве образуются вещества, опасные для здоровья человека и окружающей природной среды - вредные вещества (ВВ).
С целью контроля над эмиссией (выбросами) ВВ на авиационном транспорте в 1986 г. Комитетом по защите окружающей среды от воздействия авиации (САЕР) Международной организации гражданской авиации (ICAO) были введены первые Международные нормы на эмиссию NOx (оксиды азота), СО, СХНУ (несгоревшие углеводороды) и дыма. Главная цель - контроль загрязнённости воздуха в районе аэропортов за так называемый стандартный взлетно-посадочный цикл (СВПЦ) работы двигателя. Нормирование эмиссии ВВ двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) производятся по величине параметра эмиссии Пцо* ~ отношение массы эмитированного ВВ за режим СВПЦ к установленной взлётной тяге двигателя. С 1986 г. ведётся практика последовательного ужесточения Международных норм ICAO по сокращению эмиссии АОд-от ТРДД (САЕР/2 в 1996 г., САЕР/4 в 2004 г., САЕР/6 в 2008 г.) при сохранении эмиссии остальных ВВ на прежнем уровне.
Тенденция повышения эффективного КПД ТРДД с целью улучшения его топливной эффективности приводит к увеличению давления и температуры газа перед турбиной современных ТРДД и к существенному ускорению реакции образования NOx в камере сгорания (КС), что обостряет проблему обеспечения будущих норм на эмиссию ВВ. Фирма GEAE (США) в 2009 г. сертифицировала ТРДД GEnx с взлётной тягой 255,3 кН для самолёта Boeing 787, имеющий запас Пыох 65,8 % по отношению к нормам 2008 г.
Передовые современные ТРДД, созданные в постсоветский период, имеют следующие запасы ITNOx по отношению к нормам 2008 г.: Д-436-148 (ГП «Ивченко-Прогресс», Украина) с тягой 68,8 кН - 21 %; SaM-146 (НПО «Сатурн», Россия и Snecma Moteurs, Франция) с тягой 72,7 кН - 17,4 %.

Рисунок 1.11- Двухзонная камера сгорания фирмы PW, испытанная на газогенераторе ХТС-66/1В
Для снижения уровня эмиссии NOx применяется технология богато-бедного горения TALON 2 (Technology for Advanced Low NOx), частично опробованная на двигателе PW4000, суть которой заключается в оптимизации использования воздуха и снижении времени пребывания газов в зоне горения [29]. Фронтовое устройство жаровой трубы на двигателе PW 6000 имеет форсунку с воздушным распылом как на двигателе PW 4000 и дополнительный радиальный завихритель. Развитием этой технологии служит TALON 3 в рамках программы UEET [23]. Отличие состоит в профиле жаровой трубы, размере и расположении основных отверстий (сразу за местом сужения жаровой трубы) зоны разбавления. TALON 2 и 3 относятся к технологиям со средним масштабом смешения в области подвода воздуха из основных отверстий. TALON X относится к технологии мелкомасштабного смешения в области подвода воздуха из специальных профилей, перегораживающих КС в радиальном направлении, с мелкими отверстиями. Таким образом, рассчитывают на ускорение процесса перемешивания газов. В диссертации [10] экспериментально продемонстрированы преимущества смесителя с радиальной подачей воздуха (традиционной) по сравнению со смесителем, имеющим спутную подачу воздуха через перфорированные стойки в зоне смешения модельной жаровой трубы. Несмотря на то, что в камере сгорания TALON 3 получено снижение эмиссии NOx, уровня программы UEET достигнуто не было (см. рисунок 1.13 а). Сравнительные испытания проводились в условиях четырёхгорелочного отсека. Цель программы UEET (30% от норм САЕР2) соответствует 40% от норм САЕР6, т.е. целевому технологическому уровню параметра эмиссии NOx в долгосрочной