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

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 nNOx ~ 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 NOx 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 nNOx 65,8% по отношению к нормам 2008 г.

Передовые современные ТРДД, созданные в постсоветский период, имеют следующие запасы I7NOx по отношению к нормам 2008 г.: Д-436−148 (ГП «Ивченко-Прогресс», Украина) с тягой 68,8 кН — 21%- SaM-146 (НЛО «Сатурн», Россия и Snecma Moteurs, Франция) с тягой 72,7 кН — 17,4%.

С 2014 г. вводится норма САЕР/8, регламентирующая сокращение эмиссии ЫОхна 15% к нормам 2008 г. (или на 50% к нормам 1986 г.). Дальнейшие усилия по ужесточению Международных норм предполагают достижение в среднесрочной перспективе (к 2020 г.) снижения целевого технологического уровня параметра эмиссии АЮх на 45% к нормам 2008 г. В долгосрочной перспективе (к 2030 г.) целевой технологический уровень параметра эмиссии ИОх должен быть снижен на 60% к нормам 2008 г. Обеспечение перспективных норм по эмиссии ВВ возможно только при условии использования новых малоэмиссионных технологий сжигания топлива.

Цель работы.

Разработка и обоснование концепции малоэмиссионной камеры сгорания ТРДД с компактным диффузионным фронтом пламени, являющейся производным направлением традиционной технологии сжигания топлива, для обеспечения перспективных Международных норм на эмиссию ИОх.

Задачи работы.

1. Выполнить теоретическую оценку минимально достижимого индекса эмиссии ИОх в диффузионном фронте пламени.

2. Сформулировать концепцию малоэмиссионной камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени.

3. Выполнить оценку степени влияния принципов, заложенных в концепцию, на концептуальной модели камеры сгорания.

4. Выполнить оценку эмиссионных характеристик жаровых труб, изготовленных в соответствии с разрабатываемой концепцией, в стендовых условиях с высокими параметрами.

Объект и предмет исследования.

Объект исследования — совокупность способов снижения скорости образования АЮх в технических системах сжигания углеводородного топлива.

Предмет исследования — камера сгорания ТРДД.

Методы исследования.

1. Численные нуль-мерные (в термодинамической постановке) расчёты термохимического состояния газовых смесей в сети химических реакторов с идеальным перемешиванием на основе полных кинетических механизмов реакций окисления (ОШ-МесЬ 3.0).

2. Численные одномерные расчёты термохимического состояния газовой смеси в структуре ламинарного фронта диффузионного пламени на основе редуцированного кинетического механизма реакций окисления (Кее 58).

3. Численные трехмерные расчёты течений с учётом процессов турбулентного горения, излучения, образования оксида азота в камере сгорания на основе осреднённых по Фавру уравнений Навье-Стокса.

4. Экспериментальные измерения целевых параметров потока (температуры, концентрации ВВ) на выходе одногорелочного отсека с серийными жаровыми трубами и трубами-демонстраторами концепции в соответствии с требованиями «Авиационных Правил. Часть 34. Охрана окружающей среды. Эмиссия загрязняющих веществ авиационными двигателями. Нормы и испытания» и ГОСТ 17.2.2.04−86 «Охрана природы. Атмосфера. Двигатели газотурбинные самолетов гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ».

Достоверность полученных результатов подтверждается применением:

1. Сертифицированного коммерческого программного продукта Chemkin фирмы Reaction Design (США), верифицированного разработчиком на задачах определения термохимического состояния газовых смесей.

2. Сертифицированного коммерческого программного комплекса ANS YS Fluent/CFX (США), верифицированного в ОАО «Авиадвигатель» по результатам сравнения с данными, полученными в ходе специальных испытаний элементов камер сгорания на автономных стендах и полноразмерных газогенераторах и двигателях.

3. Стандартизованных методик проведения и обработки результатов испытаний элементов камер сгорания в условиях автономных стендов ОАО «Авиадвигатель».

4. Метрологически аттестованного и поверенного измерительного оборудования в ОАО «Авиадвигатель».

5. Хорошим соответствием результатов трехмерного численного моделирования и результатов испытаний демонстраторов концепции.

Научная новизна.

1. Выполнена теоретическая оценка и получена новая аналитическая формула влияния скорости скалярной диссипации в диффузионном фронте пламени на индекс эмиссии nox для реальных условий работы камеры сгорания в ТРДД.

Структура формулы адаптирована для проектирования малоэмиссионных камер сгорания диффузионного типа.

2. Разработана научная концепция камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени с использованием структурированной системы принципов малоэмиссионного сжигания топлива.

Теоретическая значимость.

1. Сформулированные принципы концепции с компактным диффузионным фронтом пламени для снижения эмиссии nox могут быть использованы (с адаптацией к специфике систем) при проектировании любых технических устройств сжигания углеводородного топлива.

Практическая значимость.

1. Сформулированные принципы Концепции являются базовым руководством для разработки проектов малоэмиссионных камер сгорания как для модернизируемых, так и для вновь создаваемых авиационных и наземных ГТД.

2. Успешное завершение серии испытаний демонстраторов является основой для начала разработки проектов камер сгорания на базе подтверждённой Концепции по модернизации камер сгорания ГТД ПС-90А2, ГТУ-16П, ГТУ-25П.

Апробация работы.

Основные результаты работы представлены на Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (Самара, 2007 г.) — 56-й научно-технической сессии Комиссии по газовым турбинам Российской академии наук «Применение ГТУ в энергетике и промышленности (г. Пермь, 2009 г.) — 8-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2009» (г. Москва, 2009 г.) — Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2011 г.) — «ASME Turbo Expo» Turbine Technical Conference & Exposition (r. Копенгаген, 2012 г.). По теме диссертации опубликованы 4 статьи в периодических изданиях, включённых в список ВАК.

Внедрение результатов работы.

На основе совокупности полученных результатов численного моделирования рабочего процесса и натурных испытаний демонстраторов Концепции малоэмиссионного сжигания топлива, в соответствии с утверждёнными планами ОАО «Авиадвигатель», проводится разработка камер сгорания для модернизации семейства ТРДД ПС-90А и наземных ГТУ-16П, ГТУ-25П.

На защиту выносятся.

1. Результаты анализа снижения индекса эмиссии АЮх в диффузионном пламени.

2. Обоснование новизны концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени по сравнению с альтернативными малоэмиссионными концепциями сжигания топлива в камерах сгорания ГТД.

3. Результаты численного моделирования рабочего процесса в концептуальной модели камеры сгорания.

4. Результаты испытаний серийных вариантов и демонстраторов Концепции.

Личный вклад автора.

1. Формулирование и обоснование концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени.

2. Подготовка, проведение и анализ результатов расчётов: термохимического состояния газовых смесей в сети химических реакторовструктуры ламинарного диффузионного фронта пламенитрехмерных течений с учётом процессов турбулентного горения, излучения, образования АЮх в камерах сгорания.

3. Планирование натурных испытаний жаровых труб-демонстраторов концепции и серийных жаровых труб в стендовых условиях с последующей обработкой и анализом результатов испытаний.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 64 наименований и приложения. Основной текст содержит 175 страниц, 117 иллюстраций и 17 таблиц.

6.5 Выводы.

1. На основе существующей материальной части ОАО «Авиадвигатель» выполнены последовательные доработки жаровой трубы, которая является демонстратором концепции КДФП.

2. Проведены натурные испытания демонстраторов концепции КДФП и серийных КС в условиях одногорелочного отсека при максимальных параметрах потока на входе в отсек Р*к =0,785 МПа и Т*к = 723 К с определением зависимости индексов эмиссии оксидов азота и окиси углерода от коэффициента избытка воздуха в камере сгорания на керосиновом топливе и природном газе.

3. Испытания демонстраторов выявили отличительный характер поведения индекса эмиссии ИОх при сокращении коэффициента избытка воздуха в КС, что подтверждает самостоятельность концепции КДФП среди остальных.

4. При верификации принципа концепции КДФП № 2 определен отчётливый эффект блокирования пламени в первичной зоне на сокращение индекса эмиссии ЫОх при работе КС на керосине.

5. Проявить влияние принципа концепции КДФП № 1 о повышении уровня скалярной диссипации во фронте пламени для снижения эмиссии АЮх в полной мере не удалось, что связано с ограниченным доступным инструментарием для воздействия на фронт пламени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Минимальный индекс эмиссии ЫОх в камере сгорания диффузионного типа обеспечивается только за счёт реализации условий, способствующих сгоранию топлива в компактном диффузионном фронте пламени.

2. Сущность концепции камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени заключается в подавлении объёмного и поверхностного источников образования АЮх путём блокирования фронта пламени в первичной зоне жаровой трубы и газодинамической интенсификацией горения топлива.

3. В рамках концепции основные принципы малоэмиссионного сжигания топлива в камерах сгорания ТРДД объединены в структурированную систему с выявленными взаимосвязями.

4. Применение разработанной концепции к жаровой трубе серийной камеры сгорания ТРДД ПС-90А2 в стендовых условиях с высокими параметрами позволяет снизить индекс эмиссии ЫОх на 35 .47% в условиях взлётного режима, что по предварительной оценке, обеспечивает целевой параметр эмиссии АЮх норм 1САО 2020 г.

5. Концепция камеры сгорания с компактным диффузионным фронтом пламени подтверждена на 4-м уровне готовности технологии. Внедрение разработанной концепции в ТРДД под нормы 1САО 2020 г. имеет существенно меньший технический риск по сравнению с другими концепциями и не ограничивает использование альтернативных авиационных видов топлив.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

Условные обозначения: акоэффициент поглощения излучения, [м-1] С — молярная концентрация, [моль/м3] Скудельный расход топлива, [кг/с/кН] с кудельная изобарная теплоёмкость к-то компонента смеси, [Дж/кг/К] - коэффициент диффузии, [м /с] Иа — Дамкёлера число, [-] Е1 — индекс эмиссии, [г/кг].

Ег/с~х — обратная дополнительная функция ошибок.

F — площадь, [м2].

С — массовый расход, [кг/с].

С, — расход топлива, [кг/с].

Н — энтальпия газовой смеси, [Дж] кудельная энтальпия газовой смеси, [Дж/кг].

Iинтенсивность потока излучения, [Вт/срад].

2 2 к — удельная кинетическая энергия турбулентности, [м /с ] к, — константа скорости 1-й реакции, [м3/моль/с] М — молярная масса, [кг/моль].

Я00 — статическая тяга двигателя на взлётном режиме, [кН] <7- плотность теплового потока, [Вт/м ] г — вектор положения точки излучения, [м] г — молярная доля 1-го компонента газовой смеси, [м].

— молярная скорость образования г'-го компонента газовой смеси в единице объёма, [моль/м /с] - компонента тензора скорости деформации потока, [с" 1] - длина пути луча, [м].

8- вектор направления излучения, [м].

8' - направление вектора рассеивания излучения, [м].

Т — термодинамическая температура, [К] tфизическое время,.

Вт/м2] и — компонента вектора абсолютной скорости, [м/с].

Vобъём, [м ].

— массовая доля /-го компонента газовой смеси, [-].

2 — массовая доля восстановленного топлива (или пассивной примеси). at — среднемассовый коэффициент избытка воздуха в й зоне, [-] % - скорость диссипации скаляра Z, [с" 1].

2 3 s — скорость диссипации кинетической энергии турбулентности, [м /с ] Ф — фазовая функция рассеивания, [-] К — коэффициент массообмена, [-] pt — турбулентная вязкость, [Па* с] р — плотность, [кг/м3] а — константа излучения Стефана-Больцмана, [Вт/м/К].

DF (Diffusion Flame) — диффузионный фронт пламени F-топливо in — относящийся к входу (к приближению).

LF (Lean premixed Flame) — фронт пламени в обеднённой смеси шах — максимальное значение величины min — минимальное значение величины mix — смесь.

О — окислитель out — относящийся к выходу (к удалению).

R (Residence) — относящийся ко времени пребывания.

RF (Rich premixed Flame) — фронт пламени в обогащенной смеси st — величина определяется на поверхности стехиометрии t — турбулентный w — относящийся к стенке — обозначает скорость прямой реакции,.

-" - обозначает скорость обратной реакции,.

Сокращения:

ГТД — газотурбинный двигательГТУ — газотурбинная установкаДВС — двигатель внутреннего сгоранияДХ — дроссельная характеристикаЗОТ — зона обратных токов;

КДП — концепция малоэмиссионного сжигания топлива в Компактном.

Диффузионном Пламени внутри КС.

МГ — режим малого газа авиационного ГТД;

МЭКС — малоэмиссионная КС;

00 — основные отверстия;

СВПЦ — стандартный взлётно-посадочный цикл.

ТВ Д — турбина высокого давления;

TBC — топливовоздушная смесь;

ТНВД — топливный насос высокого давления;

XX — режим холостого хода ГТУ;

ФУ — фронтовое устройство камеры сгорания;

САЕР (Committee on Aviation Environmental Protection) — Комитет по защите окружающей среды от воздействия авиации.

CDF (Compact Diffusion Flame) — концепция КДП.

CFD (Computational fluid dynamics) — вычислительная гидродинамика.

DAC (Double Annular Combustor) — двухзонная кольцевая КС.

DLE (Dry Low Emission) — обеспечение низкой эмиссии «сухими» методами.

DOM (Discrete Ordinate Model) — модель излучения дискретных ординат.

EGR (Exhaust Gas Recirculation) — рециркуляция выхлопных газов в ДВС.

FADEC (Full Authority Digital Engine Control system) — цифровая система управления двигателем с полной ответственностью.

FLOX (FLameless OXidation) — беспламенное горение.

ICAO (International Civil Aviation Organization) — Международная организация гражданской авиации.

LEC (Low Emission Combustor) — малоэмиссионная КС.

LDI (Lean Direct Injection) — горение обеднённой смеси с прямым впрыском топлива.

LPP (Lean Premixed Prevaporized) — горение обеднённой, предварительно испарённой и перемешанной смеси с топливом.

LP (P) (Lean Premixed) — горение обеднённой, предварительно перемешанной смеси воздуха с газообразным топливом.

NASA (National Aeronautics and Space Administration) — Национальное агентство.

США по аэронавтике и исследованию космического пространства. ppm (v) (volume parts per million) — частей на миллион (по объёму).

RQL (Rich (burn) — (quick) Quench — Lean (burn)) — сжигание обогащённой смеси топлива, быстрым перемешиванием с воздухом и последующем горением обеднённой смеси.

SMD (Sauter Mean Diameter) — средний заутеровский диаметр капель аэрозоля. Staged Combustion — зональное сжигание топлива.

TAPS (Twin Annular Premixing Swirler) — радиальное зонирование горения с предварительным перемешиванием.

TRL (Technology Readiness Level) — уровень готовности технологии.

WSGGM (Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model) — модель взвешенной суммы серых газов.