Способы снижения эмиссии газотурбинных двигателей



Рассмотрены разнообразные способы совершенствования конструкции камер сгорания (КС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) с целью снижения эмиссии вредных веществ. На основании анализа конструкционных принципов, а также требований, предъявляемых к ГТД, были сформулированы пути возможного развития и совершенствования КС.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, камера сгорания, эмиссия вредных веществ, TAPS.

Образование вредных веществ в КС ГТД оказывает негативное влияние на окружающую среду: органы дыхания живых организмов, способствует образованию смога, проявляется в виде кислотных дождей, ухудшающих качество почвы и также разрушающе действующих на различную инфраструктуру.

Вредные вещества — это сажа (C), окислы азота ( NOx), окись углерода (СО), несгоревшие углеводороды (CxHy), их концентрация определяется температурой в зоне горения, временем пребывания в зоне высоких температур, локальным составом топливовоздушной смеси (ТВС) и в меньшей степени некоторыми другими параметрами. При этом увеличение температуры в зоне горения ускоряет процесс образования NOx, и снижает концентрации СО и CxHy, а уменьшение времени пребывания в зоне горения снижает NOx, но приводит к росту содержания СО и CxHy.

Необходимо учитывать, что уменьшение температуры газа приводит к снижению удельной тяги и увеличению двигателя, что противоречит повышению эффективности ГТД.

Рассмотрим концепции низкоэмиссионных камер сгорания.

Зонное горение предполагает организацию процесса горения в ряде дискретных зон, причем должен быть обеспечен зонный подвод и воздуха, и топлива. Может использоваться радиальное (двухъярусная камера) или осевое расположение зон горения. Цель данной концепции состоит в регулировании температуры горения для достижения низкого уровня выбросов при всех эксплуатационных условиях [3].

Многофорсуночная (многоочаговая) КС , имеющая большое число форсунок или горелок малого диаметра, способствует полному выгоранию топлива и формированию требуемого температурного поля на выходе при малой длине КС [4].

Сжигание предварительно подготовленной бедной смеси предусматривает полное испарение топлива и полное перемешивание его с воздухом до начала горения. При сжигании предварительно подготовленной бедной смеси удается получить высокую равномерность температурного поля, снизить температуру в зоне горения, в результате чего, снизить выброс NOx. Однако в этом случае приходится решать проблемы предотвращения срыва пламени на пониженных режимах и самовоспламенения смеси при высоких температурах воздуха на входе в камеру сгорания [3].

В зависимости от степени повышения давления различают три схемы сжигания топливовоздушной смеси [3]:

а) при 10

б) при 20

в) при 30

На (рис. 1) представлена работа фронтового устройство типа TAPS (TwinAnnularPremixedSwirler) в котором реализована технология LDI [3].

Рис. 1. Фронтовое устройство типа TAPS [3]: 1 — двухярусный осевой завихритель; 2 — центробежная форсунка; 3 — подача основного топлива; 4 — поперечное падение струй топлива; 5 — первичная зона горения; 6 — вторичная зона

Применение пневматических форсунок , главной особенностью которых является то, что мелкость капель распыленного топлива, обеспечиваемая данным устройством, достигает 20–40 мкм уже на режиме малого газа, что позволяет достичь минимальных значений выбросов вредных веществ. Дробление жидкости происходит за счет совместной работы давления топлива и воздуха. За счет обеспечения необходимого расхода топлива и воздуха происходит образование качественной топливовоздушной смеси на всех режимах полёта [1].

Стадийное горение по технологии RQL (Rich-Quench-Lean) предполагает сжигание топлива в три стадии: первая — горение «богатой» (Rich) смеси, вторая — резкое разбавление (Quench) продуктов неполного сгорания, образовавшихся на первой стации, чистым воздухом, третья — горение «бедной» (Lean) смеси. Одной из ключевых проблем реализации этой технологии является отыскание способа и разработка конструкции устройства для интенсивного перемешивания в зоне резкого разбавления. Способ позволяет резко сократить время пребывания ТВС в зоне высоких температур [3].

Камера изменяемой геометрии , в конструкцию которой вводятся элементы регулирования распределения количества воздуха, поступающего в первичную зону и зону разбавления на различных режимах работы. Это могут быть, например, поворотные лопатки завихрителя или лента перепуска воздуха на поясе основных отверстий зоны разбавления жаровой трубы. На режимах запуска и малой мощности расход воздуха через фронтовое устройство уменьшается, в результате чего растет время пребывания в первичной зоне и обеспечивается близкий к стехиометрическому состав топливовоздушной смеси. Вследствие этого улучшаются характеристики запуска камеры, повышается полнота сгорания, снижается выход СО. А на режимах высокой мощности при больших расходах топлива для снижения выброса сажи и NOx расход воздуха в первичную зону увеличивается, благодаря чему в зоне горения поддерживается оптимальный состав топливовоздушной смеси, а время ее пребывания в зоне высокой температуры уменьшается [3].

Керамическая камера сгорания , имеющая стенки жаровой трубы или теплозащитные экраны, которые могут дополнительно конвективно охлаждаться, выполняются из керамики (нитрид кремния Si3N4, карбид кремния SiC), имеющей высокую рабочую температуру (1600–1700 К) и, при сжигании бедной предварительно подготовленной смеси (температура пламени не более 1750–1800 К), не требующей защитного пленочного воздушного охлаждения. В этом случае снижается выход оксидов азота, а также устраняется возможность «замораживания» химических реакций окисления оксида углерода — снижение CO [3].

Разновидностью этого способа является использование «толстого» (около 600 мкм) теплозащитного керамического покрытия стенок [4].

Камера сгорания концепции TVC , для которой характерно горение с вихреобразованием в нишах, была разработана научно-исследовательской лабораторией ВВС США в сотрудничестве с General Electric. Технология TVC, используемая при проектировании камеры сгорания (рис. 2), расширяет диапазон полетных режимов самолетов и значительно снижает эмиссию NOx и летучих органических соединений [5].

Рис. 2. Схема камеры сгорания TVC [5]: 1 — подача топливовоздушной смеси в нишу; 2 — двойной вихрь в нише; 3 — добавление воздуха в нишу; 4 — основной воздух; 5 — основной воздух вместе с основным топливом; 6 — хорошо смешанные горячие газы

Камера сгорания TVC отличается высокой устойчивостью горения, т. к. в нишах образуется устойчивое рециркуляционное вихревое течение, защищенное от основного потока в камере сгорания. Ниша выполняет роль пилотной (дежурной) зоны и является источником непрерывного воспламенения для основной зоны КС, помогая поддерживать пламя во всем диапазоне полетных режимов. Такое взаимодействие между потоками в нишах и в основной зоне КС значительно улучшает смешение, благодаря чему КС может быть выполнена более короткой и компактной. Низкий уровень эмиссии NOx получают, главным образом, благодаря лучшему смешению топлива и воздуха в нишах и во фронтовом устройстве КС [5].

Точное корректирование подачи топлива в основную и дежурную зону горения для различных режимов работы двигателя, включающее измерение температуры газов за турбиной низкого давления и уровня выбросов вредных веществ в выхлопных газах, поддержание частот вращения роторов низкого и высокого давления, температуры и постоянного состава смеси в дежурной и основной зонах горения камеры сгорания на заданном режиме работы двигателя. Дополнительно измеряют давление топлива в дежурной (Рт1) и основной (Рт2) зонах горения, вычисляют отношение Рт1 /Рт2, сравнивают измеренные величины выбросов вредных веществ с предельно допустимыми значениями и корректируют соотношения давлений Рт1/Рт2 путем уменьшения подачи топлива в дежурную зону горения до снижения уровня выбросов вредных веществ [2].

Изменение состава авиационного топлива, совершенствование способов очистки при его производстве [1].

Использование расчётных моделей : 3D-моделирование неравновесного течения реагирующего потока, расчёт эмиссии NOx и СО, расчёт амплитудно-частотных характеристик пульсаций давления с учётом влияния когерентных вихревых структур, модели теплообмена, предсказывающие зоны образования NOx [4].

Анализ концепций показал, что к основным конструктивным способам снижения эмиссии вредных веществ, можно отнести следующие схемы камер сгорания:

— многофорсуночные;

— двухзонные;

— изменяемой геометрии;

— с гомогенизацией (качественным перемешиванием) ТВС;

— с теплозащитным покрытием.

Их принцип действия базируется на поддержании определённого диапазона высоких температур в зонах горения и максимально быстром протекании процессов с минимизацией гидравлических потерь во всём диапазоне режимов эксплуатации двигателя.

Исходя из разнонаправленности воздействия каждого способа на уменьшение эмиссии наиболее эффективным будет использование сразу нескольких и нахождение компромиссных решений.

Многие из этих методов уже совмещают, например, в новейшем Российском двигателе ПД-14. Однако, для типовых авиационных двигателей ещё не использовали КС с изменяемой геометрией.

Литература:

1. Калашников, А. А. Пути снижения уровня эмиссии ГТД / А. А. Калашников, А. Г. Кучкин. — Текст: непосредственный // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. — 2016. — Т. 1. — С. 964–965.
2. Патент № 2596901 Российская Федерация, МПК F02C 9/28 (2006.01). Способ снижения выбросов вредных веществ в газотурбинном двигателе: № 2015137947/06: заявл. 07.09.2015: опубл. 10.09.2016 / Куприк В. В., Киселёв А. Л., Белов А. В.; заявитель ОАО «УМПО» — 5 с.: ил. — Текст: непосредственный.
3. Харитонов, В. Ф. Конструкция основных узлов авиационных газотурбинных двигателей: учеб. пособие для студ. вузов / В. Ф. Харитонов, Б. К. Галимханов. — Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 2015. — 257 c. — Текст: непосредственный.
4. Цыбизов, Ю. И. Технология малоэмиссионного сжигания топлива и конструктивный облик камеры сгорания газотурбинной установки / Ю. И. Цыбизов, Д. Д. Тюлькин, И. Е. Воротынцев. — Текст: непосредственный // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. — 2020. — Т. 19, № 2. — С. 107–120.
5. Эмиссия вредных веществ авиационными двигателями и загрязнение атмосферы. — Текст: электронный // Studref: [сайт]. — URL: https://studref.com/317732/tehnika/emissiya_vrednyh_veschestv_aviatsionnymi_dvigatelyami (дата обращения: 24.05.2022).