Preview

Машиностроение и компьютерные технологии

Расширенный поиск

Методы уменьшения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания ГТД и ГТУ

https://doi.org/10.24108/0518.0001394

Полный текст:

Аннотация

Камера сгорания (КС), как один из основных узлов ГТД, играет существенную роль в обеспечении его экологических характеристик. Поэтому понимание механизмов образования вредных веществ и возможность прогнозирования их эмиссии на количественном уровне при изменении параметров рабочего процесса двигателя и внешних условий являются одними из ключевых вопросов обеспечения норм ИКАО. Решение этих вопросов позволяет оценить эмиссионные характеристики на этапе проектирования двигателей и разрабатывать эффективные методы предотвращения образования загрязняющих атмосферу веществ, а также повысить эффективность сжигания топлив. С момента введения первых ограничения (CAEP/1) авиационного комитета по защите окружающей среды (1986 год), в них уже несколько раз вносились изменения. С первого января 2014 года вступил в силу стандарт (CAEP/8), которому на смену уже готовы более жесткие требования по снижению выбросов NOx (к 2020 году на 40% по сравнению с (CAEP/2)). Аналогичная тенденция и по остальным загрязняющим веществам (СО, НС, SN).

Основные трудности при создании камер сгорания с низким выбросом вредных веществ, связаны с тем обстоятельством, что для снижения выхода СО и NOx необходимо проведение взаимно противоположных мероприятий. Рациональная конструкция камеры сгорания должна представлять собой некоторый компромисс между требованиями, вытекающими из задачи уменьшения эмиссии этих двух групп загрязняющих компонентов. Это может быть обеспечено за счет совершенствования рабочего процесса первичной зоны, зон выгорания и смешения, рационального выбора объема жаровой трубы и времени пребывания в камере сгорания.

Для более четкого представления о возможных путях снижения эмиссии вредных веществ КС ГТД, необходимо учитывать основные механизмы их образования.

Основные методы снижения выброса CO основаны на представлениях о физико-химических закономерностях его образования:

  1. обеспечение состава смеси в зоне горения ближе к α = 1,1…1,3;
  2.  увеличение объема зоны горения и времени пребывания в ней.

Перечисленные методы снижения выбросов СО трудно реализовать в малоэмиссионных камерах сгорания, т.к. они ведут к резкому увеличению образования NOх. Установлено, что только в очень узком диапазоне температур (температура пламени Тпл=1650…1900 К) можно одновременно добиться требуемых уровней выбросов NOх и CO.

Для снижения уровня эмиссии NOх используются следующие подходы:

 - реализация процесса горения жидкого топлива на малой длине жаровой трубы (ЖТ) с временем пребывания в зоне высоких температур (более 1920 К) 5...6 миллисекунд и затем интенсивное охлаждение в зоне смешения, то есть используется принцип «быстро сжечь и быстро охладить»;

- горение топлива при температуре 1750±50 К (то есть ниже 1920 К), с формированием эпюры температур на выходе за счёт подвода воздуха в зоне смешения или из зоны фронтового устройства с исключением охлаждения продуктов сгорания.

Результаты анализа общего объёма разработок в направлении уменьшения выбросов вредных веществ, позволяют выделить следующие типовые технологии сжигания топлива в КС ГТД, удовлетворяющие существующим экологическим требованиям:

1)      применение сжигания обедненной, предварительно перемешанной топливной смеси в «сухих» КС. (К данной технологии относят следующие схемы: схема RQL, горение обогащенной смеси с последующим быстрым подмешиванием воздуха и догоранием обедненной смеси (Rich Quench Lean, англ. богатый охлажденный бедный); схема LPP, горение обедненной предварительно смешенной и испаренной смеси (Lean Premixed Prevaporized, англ. бедный предварительно перемешанный и испаренный); схема LDI, горение с впрыском обедненной смеси непосредственно в зону горения (Lean Direct Injection, англ. бедный непосредственный впрыск));

2)      каталитическое сжигание топливно-воздушной смеси;

3)      применение «мокрых» КС с диффузионным факелом и впрыском воды (пара);

4)      дополнительное использование каталитической очистки выходных газов ГТУ.

В настоящее время ведется разработка камер сгорания на природном газе с уровнем эмиссии NOx и CO <10ppm, что является почти минимально достижимым уровнем для рассматриваемых условий работы. Основной задачей при создании таких камер сгорания является развитие и совершенствование методов расчета кинетики горения газовой смеси, совершенствование программных комплексов для расчета и получения достоверных данных по эмиссии вредных веществ, а также развитие экспериментальных методов создания и доводки низкоэмиссионных камер сгорания стационарных установок и перспективных авиационных двигателей. Представленные в работе методы уменьшения эмиссии вредных веществ – совершенствование способов подачи топлива, зонная организация горения, использование катализаторов в КС и на выходе из установки – при их использовании должны привести не только к снижению выбросов, но и к улучшению других важных характеристик КС, прежде всего к расширению пределов устойчивого горения. Исследования с целью получения ультранизких уровней выбросов на основе концепции сжигания в КС бедной гомогенной смеси находятся на ранней стадии. Необходимо решить ряд важных проблем, таких как: проблема «бедного» срыва пламени, проскока пламени, а также обеспечения достаточной степени испарения топлива и смешения его с воздухом.

Об авторе

Е. М. Комаров
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва
Россия


Список литературы

1. Environmental protection / Intern. civil aviation organization. 3rd ed. Vol. 2: Aircraft engine emissions: Annex 16 to the Convention on Intern. civil aviation. Montreal: ICAO, 2008. 108 p.

2. Волков С.А., Горбатко А.А. Анализ существующих и планируемых зарубежных требований к двигателям гражданской авиации по ограничению выбросов вредных веществ // Экологические проблемы авиации. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. С. 234-246.

3. Committee on aviation environmental protection (CAEP). 8th meeting (Montreal, Canada, Febr. 1-12, 2010): Review of technical proposals relating to aircraft engine emissions. Montreal: ICAO, 2010. 83 p. Режим доступа: http://web.mit.edu/aeroastro/partner/reports/caep8/caep8-nox-cost-ben.pdf (дата обращения: 03.04.2018).

4. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: пер. с англ. М.: Мир, 1986. 566 с. [Lefebvre A. Gas turbine combustion. Wash.: Hemisphere Publ. Co., 1983. 531 p.].

5. Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: ОАО "Авиадвигатель, 2006. 1204 с.

6. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей: учебник. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

7. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие. 3-е изд. М.: Издат. дом МЭИ, 2009. 578 с.

8. Ивах А.Ф., Гребенюк Г.П., Ишбулатов М.Н., Арефин В.И., Фокин Н.И. Особенности конвертирования форсированной по скорости камеры сгорания при работе на природном газе // Вестник Самарского гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С.П. Королева. 2002. № 2(2). С. 21-26.

9. Камеры сгорания авиационных ГТД // Тр. Централ. ин-та авиационного моторостроения (ЦИАМ). 2010. № 1349. 318 с.

10. Старик А.М., Фаворский О.Н. Эмиссия из авиационных двигателей и воздействие авиации на атмосферные процессы и климат // Экологические проблемы авиации. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. С. 207-233.

11. Расчет образования CO и NOx в камерах сгорания ГТД: электрон. учеб. пособие / С.Г. Матвеев, С.В. Лукачев, М.Ю. Орлов, И.В. Чечет, М.Ю. Анисимов, Ю.В. Красовская. Самара: Самар. гос. аэрокосмич. ун-т им. С.П. Королева (нац. исслед. ун-т), 2012. Режим доступа: https://ssau.ru/files/education/uch_posob/ (дата обращения 3.04.2018).

12. Умышев Д.Р., Достияров А.М., Туманов М.Е. Классификация методов подавления NOx и возможности их уменьшения за счет улучшения смесеобразования топливо-воздушной смеси // Вестник Казахского нац. техн. ун-та им. К.И. Сатпаева (КазНТУ). 2015. № 3. С. 85-92.

13. Беляев В.Е. Конверсия авиационных двигателей для работы в составе мощных энергетических установок на примере ПГУ-60С. Режим доступа: http://www.sonbi.ru/salut-science/Pub/conf/HT2006/Doc/belyaev.pdf (дата обращения: 2.04.2018).

14. Мингазов Б.Г., Мухаметгалиев Т.Х. Исследование эмиссии токсичных веществ при впрыске воды в камеру сгорания // Вестник Самар. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С.П. Королева. 2011. № 5. С. 203-207.

15. Суровяткина Д.Г., Семёнова И.В. Энергосберегающий процесс компании "Хальдор Топсе" ("Haldor Topsoe", Дания) по получению серной кислоты из сероводорода. Режим доступа: https://www.scienceforum.ru/2014/380/206 (дата обращения 15.03.2018).


Для цитирования:


Комаров Е.М. Методы уменьшения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания ГТД и ГТУ. Машиностроение и компьютерные технологии. 2018;(5):9-29. https://doi.org/10.24108/0518.0001394

For citation:


Komarov E.M. Methods for Reducing Emission of Harmful Substances in the Combustion Chambers of GTE and GTP. Mechanical Engineering and Computer Science. 2018;(5):9-29. (In Russ.) https://doi.org/10.24108/0518.0001394

Просмотров: 186


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2587-9278 (Online)