Экспериментальные исследования эмиссии NOx комбинированного фронтового устройства для перспективной камеры сгорания ВРД

• Автор: Ткаченко, Дмитрий Павлович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы
Глава 2. Описание стенда, системы измерения и оборудования
Глава 3. Исследуемые фронтовые устройства
Глава 4. Результаты экспериментов
4.1. Анализ и сравнение экспериментальных данных
Глава 5. Расчет течения за фронтовым устройством № 2 и
сравнение с полученными экспериментальными данными
5.1. Математическая модель реагирующей газокапельной смеси
5.1.1. Модель, используемая для расчета газовой фазы
5.1.2. Расчет термодинамических и теплофизических свойств
5.1.3. Модель сопротивления и тепломассообмена
капель
5.1.4. Кинетическая модель окисления керосина
5.2. Примеры расчетов
5 2.1. Стабилизация пламени в предварительно
перемешанной смеси
5.2.2. Расчет модельной камеры сгорания с фронтовым
устройством
Выводы
Приложение
Список литературы

Газотурбинный двигатель (ГТД), как и любая система, использующая энергию окисления углеводородного топлива, выбрасывает в атмосферу продукты этого процесса, которые изменяют естественный состав атмосферы, и поэтому могут рассматриваться, как загрязнители. Следовательно, авиация, несомненно, - источник загрязнения атмосферы, и вопрос заключается лишь в том, насколько эти загрязнения значительны.
Продукты горения керосина, помимо продуктов, не относящихся к загрязнителям - двуокись углерода, пары воды, а также некоторые другие естественные компонентов атмосферного воздуха, - содержат окись углерода, различные углеводороды (метан СН4, ацетилен этан С2Н4, пропан СзЯ8, бензол СбН6, толуол СцН^СНз и др.), альдегиды (формальдегид НСНО, акролеин СН^-СН - СНО, уксусный альдегид СН3СНО и др.), окислы азота (в основном N0 и NO2), окислы серы, твердые частицы (например, частицы сажи, создающие дымный шлейф за соплом двигателя) и ряд других составляющих, образующихся в незначительных количествах из имеющихся в керосине примесей. Самолеты выбрасывают в атмосферу и исходное топливо. Эго происходит не только в аварийных ситуациях, но и в ходе нормальной эксплуатации при продувке или опорожнении дренажных емкостей после неудачного запуска двигателя перед, началом полета и после выключения двигателя по окончании полета.
В авиации нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ) устанавливаются в настоящие время на четыре вредных компонента: окись углерода СО, несгоревшие углеводороды CJim, окислы азота NOx, частицы сажи (дым). Кроме того, запрещается преднамеренный выброс в атмосферу топлива.
В течение последних лет непрерывно продолжался процесс совершенствования камер сгорания. Тот факт, что многие камеры сгорания газотурбинных двигателей, находящиеся сейчас в эксплуатации, сходны по

размерам, форме и общему виду с теми, которые разрабатывались много лет назад, не следует рассматривать как свидетельство недостаточного прогресса в этой области. Близкое внешнее сходство камер сгорания ГТД различных поколений обусловлено, в основном, требованием, чтобы их габариты - длина и площадь поперечного сечения - укладывались в заданные пределы, связанные с размерами других основных узлов двигателя, а также требованиями снижения до минимума потерь полного давления в диффузоре, и обеспечения устойчивого горения в широком диапазоне. Несмотря на усложнение условий работы, таких как повышение рабочих давлений, температур и скоростей воздуха на входе, камеры сгорания современных ГТД, по-прежнему, имеют близкую к 100 % полноту сгорания топлива во всем диапазоне рабочих режимов при меньших потерях полного давления, сниженном уровне выброса вредных продуктов сгорания и при ресурсах, превышающих ресурсы многих других узлов двигателя.
При проектировании двигателей боевых летательных аппаратов с момента использования ГТД в авиации проблема выброса загрязняющих веществ в атмосферу, практически, не рассматривалась. Это связанно, прежде всего, с тем, что при проектировании данного типа двигателей в первую очередь ставились задачи получения максимального значения тяги, широкого диапазона высот и скоростей полета, надежности высотного запуска и обеспечения необходимых тактико-технических данных (ТТД) для данного типа летательных аппаратов. В настоящее время проблема вредных выбросов двигателей боевых самолетов приобретает важное значение. С одной стороны, это проблема загрязнения окружающей среды, сходная с проблемой двигателей гражданской авиации (ГА), а с другой стороны - чисто военный аспект этой проблемы.
При современном уровне развития технологий газоанализа время, необходимое для определения химического состава газа, значительно уменьшилось. При полете на больших высотах за самолетом остается спутный

температур и интенсивности турбулентности в следе за одиночной модельной вихревой горелкой, в которой для интенсификации смесеобразования используются противоположно закрученные струи. На основе полученных данных для горелок исследуемой схемы разработана физическая модель стабилизации процесса горения. Выполнены экспериментальные исследования влияния основных конструктивных параметров одиночных горелок на их срывные характеристики, на основании которых разработаны рекомендации по рациональному конструированию горелок с точки зрения обеспечения возможно лучших срывных характеристик при обеднении смеси: параметр крутки топливовоздушного завихрителя следует выбирать в пределах 4-8 при относительном расходе через него равном 0,6 - 1,4, угол раствора выходного патрубка 5 горелки должен быть равен р = 30 - 50°, а его относительная длина
1,0 - 1,5, на срезе выходного патрубка целесообразна установка
цилиндрического кольцевого насадка 6. Проведено систематическое исследование влияния конструктивных параметров зоны горения камеры сгорания, на диапазон устойчивой работы. Предложена схема и проведены предварительные исследования данного фронтового устройства, которое обеспечивает повышенный расход воздуха через первичную зону без ухудшения срывных характеристик камеры, что представляется важным для организации эффективного горения при составах смеси, близких к стехиометрическим, а так же для снижения излучения пламени и образования некоторых вредных веществ, таких как сажа и окислы азота.
Устройство №1 имеет два завихрителя противоположного вращения, оно описано выше. В нем не удалось получить двух отдельных зон горения, т.к. при течении образуется одна мощная зона обратных токов, вследствие чего не происходит разделение процесса горения.
Дополнительно к выше изложенному было замерено поле температур за ФУ № 1 и вредные выбросы в следе за горелкой по сечениям 50, 100, 160, 280 мм от среза фронтового устройства.