Влияние способа подачи топлива в камеру сгорания на качество смешения и образование оксида углерода

Введение. Качество подготовки топливовоздушной смеси в камерах сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД) во многом определяет уровень выбросов токсичных веществ, при этом качество смешения обеспечивается способом подачи топлива в камеру сгорания [1]. По этой причине актуальным является вопрос обоснованного выбора способа подачи топлива и определение его влияния на образование токсичных веществ в продуктах сгорания ГТД. Основными токсичными веществами при сжигании углеводородных топлив являются оксиды азота и оксид углерода [2] поэтому снижение уровня их концентрации является одной их важнейших задач двигателестроителей.

Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания включает в себя кольцевую плиту в которой равномерно по окружности, между внутренним и наружным кожухами жаровой трубы, устанавливаются вихревые газовые горелки (рис.1). В центре данных горелок размещаются форсунки, обеспечивающие подачу топлива [3].

Fig. 1. Burner device of a serial combustion chamber:

1 – injector; 2 – swirler; 3 – mixing chamber; 4 – jet nozzle

Рис. 1. Схема горелочного устройства серийной КС:

1 – форсунка; 2 – завихритель; 3 – камера смешения; 4 – сопловой насадок

Топливо, подаваемое газовыми форсунками 1 вдоль оси каждой из горелок, перемешивается в камере смешения 3 с закрученным в завихрителе 2 потоком воздуха. В результате в первичной зоне камеры за сопловыми насадками 4 , каждой из вихревых горелок, формируются потоки топливовоздушной смеси, имеющие приосевые циркуляционные области. Наличие таких областей обеспечивает циркуляцию горячих продуктов сгорания и активных центров из зоны горения к основанию факела свежей смеси, что создает условия для устойчивого воспламенения и стабилизации пламени.

Способ подачи топлива может быть струйным в виде топливных струек и в виде закрученой топливной струи. В данной работе рассматривается две форсунки, работающие на газообразном топливе, которые отличаются способом подачи топлива [4] .

Принцип работы первой заключается в подаче закрученной газовой струи из центра горелки. Форсунка (рис. 2) включает в себя корпус 2 , шнек 1 с резьбовой пробкой 3 и дросселирующую шайбу 4 .

Fig. 2. Centrifugal gas injector:

1 – screw; 2 – injector body; 3 – nut (plug); 4 – throttling washer Рис. 2. Центробежная газовая форсунка:

1 – шнек; 2 – корпус форсунки; 3 – гайка (заглушка); 4 – дросселирующая шайба

Корпус форсунки 2 выполнен с внутренним каналом для подвода газа и с дозированными отверстиями А для выхода газа. Корпус имеет фланец с отверстиями для крепления форсунки к корпусу камеры сгорания и канал с резьбой для установки шнека 1 . Дросселирующая шайба 4 устанавливается для обеспечения необходимого расхода газа через форсунку.

Работа форсунки осуществляется следующим образом: газ поступает из топливного коллектора по трубопроводам в форсунки, проходит по топливному каналу в корпусе форсунки. Попадая на лопатки шнека 1 закручивается и выходит из дозированных отверстий А и, смешиваясь с воздухом, выходящим из завихрителя горелки, поступает в камеру сгорания [4]. Такую форсунку можно классифицировать, как центробежная газовая форсунка (ЦБГФ).

Устанавливаемый внутри корпуса форсунки шнек (рис. 3) представляет собой завихритель с четырьмя лопатками закрученными по винтовой линии правой нарезки, ход 32 мм, толщина лопаток 1 мм.

Fig. 3. Injector screw (swirler):

D outer screw = 10.5 mm; D inner screw = 5 mm; αo = 45o; а o = 4 mm; S 1 = 5 mm

Рис. 3. Шнек (завихритель) форсунки:

Днар. шн. = 10,5 мм; Двнутр. шн.= 5 мм; αo = 45o; аo = 4 мм; S 1 = 5 мм

Вторая форсунка (рис. 4) отличается от первой тем, что из конструкции исключен шнек, а на кончике форсунки вместо одного отверстия располагаются четыре равнорасположенных отверстия служащих для выхода газа [5].

Fig. 4. Jet gas injector. Four holes with the diameter d = 2.9 mm

Рис. 4. Струйная газовая форсунка. Четыре отверстия диаметром d = 2,9 мм

Для проверки качества смешения топлива с воздухом за горелкой с СГФ по сравнению с ЦБГФ проведены дополнительные исследования по определению качества подготовки топливовоздушной смеси на выходе из горелок с данными форсунками.

Исследования проводились на стенде (рис. 5) включающем в себя три системы: подвода воздуха, подвода газа и системой измерения. Размещение горелки на стендовом оборудовании происходит следующим образом: форсунка устанавливается в корпус ресивера, к штуцеру которой поступает топливо. Горелка размещается втулочной частью в отверстии крышки ресивера. Топливо из струйных форсунок подается во внутреннюю полость соплового насадка, в результате чего на выходе из горелки формируется топливовоздушная смесь. Топливо в систему подачи топлива, подводится от баллонной рампы. В качестве газа заменяющего метан используется углекислый газ СО 2 . Для измерения полей концентрации на выходе из горелки установлено координатное устройство с приемником газоанализатора ПКУ-4-МК-С. Это устройство позволяет перемещать приемник газоанализатора в осевом и радиальном направлении. Измерения концентрации производятся от центра горелки, за который принята ось форсунки «0», с дальнейшим перемещением пробоотборника в обе стороны вдоль сопла горелки, поперек струи через каждые 4 мм. По данному принципу измерения повторно производятся в семи сечениях: на срезе сопла и через каждые 50 мм до расстояния 300 мм [6].

Fig. 5. Structure of test stand:

1 – Heater; 2 – outlet reducer; 3 – pressure gauge; 4 – cutoff valve; 5 – flow meter; 6 – tee joint; 7 – burner; 8 – gas analyzer; 9 – ventilation device for removing carbon dioxide from the working room; 10 – coordinate table; 11 – receiver; 12 – flow meter; 13 – electromagnetic valve; 14 – moisture separator; absolute pressure and СО2 temperature sensors installed upstream of the flow meter (throat); sensor for measuring pressure difference across the СО2 path; absolute pressure and air temperature sensors installed upstream of the flow meter; and sensor for measuring air pressure difference installed upstream of the receiver

Рис. 5. Принципиальная схема стенда:

• 1    – нагреватель; 2 – выходной редуктор; 3 – манометр; 4 – отсечной клапан; 5 – расходомер; 6 – тройник; 7 – горелка; 8 – газоанализатор; 9 – вентиляционное устройство для отвода углекислого газа из рабочего помещения; 10 – координатный стол; 11 – ресивер; 12 – расходомер 13 – электромагнитный клапан; 14 – влагоотделитель

Измерения концентраций СО 2 в струях горелки так же было направлено на определение расстояния, на котором происходит выравнивание поля концентрации, а так же с целью фиксации темпа изменения концентрации вдоль оси струи [7; 8].

Для наглядного представления интенсивности процесса смешения на рис. 6 приведены характеристики СО 2 = f(r), детально показывающие изменение концентрации по сечению закрученной струи.

a

-1        -0,8      -0,6       -0,4      -0,2        0

0,2       0,4       0,6       0,8

ṝ

б

Fig. 6. Field of CO2 concentrations in various sections of a swirling jet: а – centrifugal gas injector (CGI); b – with jet injector (JI)

• ♦    – nozzle cut; ■ – 50 mm; ▲– 100 mm; × – 150 mm; ◊ – 200 mm; □ – 250 mm; Δ – 300 mm

Рис. 6. Поле концентраций СО2 в различных сечениях закрученной струи: а – ЦБГФ; b – СГФ

• ♦    – срез сопла; ■ – 50 мм; ▲ – 100 мм; × – 150 мм; ◊ – 200 мм; □ – 250 мм; Δ – 300 мм

По данным рис.6 видно, что за горелкой с ЦБГФ, не происходит существенного расширения области смешения, что связано с формированием высокой скорости истечения топливного газа, приводящей к высокой эжекционной способности струи, которая формирует узкое ядро потока, в котором происходит интенсивное смешение топлива с воздухом. За пределами относительной координаты r = ^{r i}  соответствующей значению 0,5

r max смешения не происходит, так как в этой области практически не содержится топлива.

Горелка с СГФ имеет широкое поле концентраций и низкий ее уровень, что объясняется объемной зоной рециркуляции обеспеченной наличием струйной подачи топлива, позволяющей осуществить перемешивание топлива с воздухом во всем объеме закрученной струи сформированной за сопловым насадком.

Качество подготовки оценивалось при помощи зависимости, характеризующей максимальное относительное отклонение концентрации от среднеинтегрального значения поля концентраций [9]:

C =

— I max       ср

С ср

где        C _max

– максимальное значение в поле измеренной концентрации;

C _ср среднеинтегральное значение концентрации.

В соответствии с данной зависимостью, показателем идеально равномерного распределения концентрации топливовоздушной смеси в сечении, является значение C = 0.

Fig. 7. The quality of the preparation of the air-fuel mixture in a swirling stream: ■ – the burner with centrifugal gas injector (CGI); – the burner with jet injector (JI)

Рис. 7. Качество подготовки топливовоздушной смеси в закрученной струе: ■ – горелка с ЦБГФ; – горелка с СГФ

Из рис. 7 видно, что наилучшее качество смешения во всех семи сечениях наблюдается у горелки с СГФ, что свидетельствует о качестве подготовки смеси.

Проведенные измерения полей концентрации за вихревыми горелками подтвердили, что процесс смешения достигается у горелки с СГФ за счет струйной подачи топлива в зону рециркуляции, а у горелки с ЦБГФ вследствие высокой эжекционной способности закрученной струи топлива внутри закрученной в противоположную сторону закрученной струи воздуха [10].

Дальнейшие исследования заключались в размещении форсунок в отсек камеры сгорания для определения выбросов оксидов азота и оксида углерода. Отсек представляет собой 1/8 часть полноразмерной камеры сгорания состоящий из наружного и внутреннего корпусов, жаровой трубы с фронтовым устройством в который устанавливаются четыре горелки с форсунками. Жаровая труба ограничена с обеих сторон боковыми охлаждаемыми стенками [11].

Fig. 8. Stand for testing the sections of a combustion chamber

Рис. 8. Стенд для исследования отсеков камеры сгорания

Отсек камеры сгорания исследуется на стенде, схема которого показана на рис.8. Стенд оборудован необходимыми системами измерения параметров и их регистрации. В состав стенда входит газотурбинный двигатель (воздуходувка), который служит для подвода сжатого воздуха к испытываемому отсеку камеры сгорания 3 . Воздух отбирается от компрессора высокого давления, затем поступает по трубопроводу в центральную магистраль 1 . Расход воздуха измеряется расходомерным устройством. Стенд оснащен измерительным участком 2 с регистрацией показаний датчика давления 4,5 , температура воздуха контролируется термопарой группы хромель-алюмель 6 . Топливо (природный газ) подаётся по топливной системе 7 к топливному коллектору 8 отсека камеры сгорания, а затем попадает во фронтовое устройство и форсунки. Для измерения температуры в выходной части отсека, на выходе из него устанавливается гребенка термопар 12 , данные с которой передаются на регистрирующее оборудование 13 . Для определения состава продуктов сгорания на выходе из отсека располагается газоотборный зонд 9 и линия транспортировки продуктов сгорания 10 к газоанализирующему оборудованию 11 .

Для определения содержания CO в продуктах сгорания используется газоанализатор testo350 [12].

Испытания отсеков проводились в следующих условиях: Давление воздуха Pв =1,37 кПа, Расход воздуха Gв=1,72 кг/с, Температура воздуха Тв=488К, приведенная скорость λ=0,28. Изменение коэффициента избытка воздуха осуществлялось уменьшением расхода топлива.

После определения компонентного состава продуктов сгорания для оксида углерода рассчитывается индекс эмиссии EI_t , по уравнению [13]:

EI i = ^{µ i} (1 - α i ⋅ L 0 ) ⋅ χ i ⋅ 10 ^{- 3}

µ _в

где Lq= 16,7– стехиометрический коэффициент сгорания метана (кг воздуха / кг топлива); И: – суммарный или местный коэффициент избытка воздуха; |1; – молярная масса определяемого токсичного вещества; ^E - молярная масса воздуха; Zi – объемная доля токсичного вещества (ppm). При расчетах EI были взяты следующие значения молярных масс: µ со = 28,010 кг/кмоль, и µ = 28,964 кг/кмоль [14,15].

Fig. 9. CO index at the outlet of the compartment: ♦ – JI; ■ – CGI

Рис. 9. Индекс СО на выходе из отсека: ♦ – СГФ; ■ – ЦБГФ

По результатам измерений (рис. 9) видно, что значение индекса эмиссии оксида углерода в отсеке с СГФ снизилось в два раза по сравнению с отсеком с ЦБГФ. Результаты показали предпочтительность применения раздачи газа при помощи струйной подачи, которая в отличие от подачи закрученных топливных струй, не только увеличивает поверхность раздела смешиваемых сред, но и позволяет путем соответствующей ориентации и дальнобойности струй просто и надежно распределять топливо по сечению воздушного потока с необходимым профилем концентраций в жаровой трубе.

Заключение.

• 1)    Организация струйной подачи топлива позволят наиболее эффективно сжигать газообразное топливо по сравнению с подачей топлива закрученной струей, что позволило в два раза снизить индекс оксида углерода в продуктах сгорания отсека камеры сгорания.

• 2)    Струйная подача топлива обеспечивает более качественную подготовку топливовоздушной смеси.

• 3)    Рекомендована установка СГФ в качестве мероприятия по снижению оксида углерода в продуктах сгорания ГТД.