Гурьянов А.И., Пиралишвили Ш.А., Гурьянова М.М., Кононова В.В., Евдокимов О.А.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», Россия

Экологические характеристики сжигания газообразного топлива в горелочных устройствах с аэродинамическим реверсом течения

Как показывает анализ тенденций развития современных камер сгорания газотурбинных двигателей, энергетических установок и горелочных устройств технологического назначения при организации рабочего процесса в форсуночно-горелочных модулях, возникает ряд проблем, связанных с обеспечением низкой эмиссии группы оксидов азота (NOx), моноооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СхНу). Обеспечение малоэмиссионного горения в камере сгорания приводит к необходимости частичного или полного пространственного разделения зон смешения и горения и созданию горелочных модулей с предварительным перемешиванием компонентов, работающих в нестехиометрических условиях по составу смеси (1,5 < α < 2,5). При горении «бедных» смесей существенной проблемой является обеспечение малого уровня эмиссии СО и СхНу. Их рост обусловлен низкой температурой горения (T < 1800 K), необходимой для снижения скорости образования оксидов азота NOx, и малой величиной времени пребывания элементарных масс газа в зоне высокой температуры. Совокупность отмеченных факторов в ряде случаев приводит к тому, что реакция окисления СО до СО2 не успевает завершиться в объеме зоны горения и при дальнейшем охлаждении продуктов сгорания практически останавливается («замораживается»). Это является причиной снижения полноты сгорания топлива.

В работах [1 – 13] неоднократно высказывалось предположение о том, что применение особенностей диафрагмированных ограниченных закрученных течений позволяет увеличить время пребывания топливовоздушной смеси в зоне высокой температуры и повысить устойчивость горения в «бедной» области по составу смеси за счет организации в проточной части горелочных устройств газодинамического противотока вихрей, а так же развитых крупномасштабных рециркуляционных течений. Однако, экспериментального подтверждения не приведено. Поэтому исследование отмеченных процессов является открытым вопросом и актуальной научно-практической задачей. Основы фундаментальных и прикладных аспектов интенсификации горения с использованием особенностей вихревых противоточных течений изложены в работах [4, 9, 11].

Описание конструкции противоточной вихревой горелки, на которой выполнялись исследования, методики постановки опытов и схема экспериментальной установки опубликованы в работах [1, 5]. В качестве окислителя в опытах использовался воздух из атмосферы, в качестве топлива – пропан. Эмиссионные характеристики измерялись электронным газоанализатором Testo350-XL. Относительный перепад давления окислителя на горелочном устройстве поддерживался равным 3%. Результаты выполненных измерений приведены на рисунках 1 – 4. Зависимость на графике 1 характеризует изменение концентрации группы оксидов азота от коэффициента избытка воздуха.

В диапазоне значений  коэффициента избытка воздуха 0,2 ≤ α ≤ 1,0 концентрация отмеченных химических соединений падает и при дальнейшем увеличении α до границы «бедного» срыва остается в пределах погрешности газоаналитического прибора (5 – 6 ppm). Основную долю NOх (более 95%) составляет монооксид азота NO. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что при горении «богатых» смесей в условиях газодинамического противотока концентрация оксидов азота резко возрастает, в сравнении со стехиометрическим сценарием протекания реакции. Это связано с тем, что на таких режимах горения происходит интенсивная эжекция масс газа из окружающей среды, приводящая к образованию локальных околостехиометрических областей в приосевом вынужденном потоке. Они обусловлены наличием на оси закрученного потока развитой рециркуляционной зоны и вносят определяющий вклад в суммарный уровень эмиссии за счет влияния температуры на образование термических NOх соглано фактору Аррениуса [3, 6, 12]. Графики зависимости монооксида углерода СО от коэффициента избытка воздуха показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Зависимость концентрации монооксида углерода СО от коэффициента избытка воздуха при горении газообразного топлива: 1 – COh, 2 – COlow.

 
 

NOx, ppm

 
 

α
 

α
 

Рисунок 1 – Изменение концентрации оксидов азота от коэффициента избытка воздуха.

 
 

COlow, ppm

 
 

COh, ppm

 
 

2
 

1
 

 

 

 

 

 

 

Индексом СОh (по левой оси ординат) обозначена концентрация оксида

углерода во всем исследованном диапазоне значений α, индексом СОlow (по правой оси ординат) концентрация СО в диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха, соответствующего малоэмиссионному (менее 15 ppm) режиму работы вихревой противоточной горелки. Представленные зависимости подтверждают предположение [3] о ряде преимуществ  устройств сжигания топлива противоточной схемы по сравнению с распространенными на практике прямоточными схемами течения в горелках и камерах сгорания, при организации малоэмиссионного горения в области «бедных» (1,5 < α < 2,5) смесей. Видно, что в отмеченной области монооксид углерода полностью окисляется до СО2 благодаря тому, что время пребывания топливовоздушной смеси значительно больше чем в прямоточных горелочных устройствах с одинаковым объемом камеры сгорания, в том числе и вихревых. Это связано с тем, что попадая в противоточное течение, масса газа дважды перемещается в осевом направлении. Вначале в составе периферийного вихря, а затем в составе приосевого вынужденного и кроме того участвует во вращательном движении потока в целом перемещается по спиральной траектории, шаг которой зависит от угла входа потока определяемого видом закручивающего устройства [2, 4, 9]. В результате, в случае низких скоростей окислительно‑восстановительных реакций, имеющих место при горении «бедных» смесей, время пребывания в условиях противотока вихрей существенно возрастает и полное завершение процесса окисления СО достигается в меньшем объеме зоны горения. Кроме того, наличие развитой рециркуляционной зоны, в виде торроидального вихря, в области стабилизации пламени, выявленной в работах [1, 2, 5], дополнительно способствует увеличению времени пребывания и позволяет сохранить малоэмиссионный режим работы противоточной горелки до границы «бедного» срыва.

Вид зависимости концентрации  несгоревших углеводородов (рисунок 3) с увеличением α имеет подобный характер, поскольку определяется теми же физико-химическими факторами [6, 13]. Этот вывод является определяющим и подтверждает целесообразность выбора схемы горения в закрученном течении с газодинамическим противотоком для создания низкоэмиссионных форсуночно‑горелочных устройств, работающих в «бедной» области по составу смеси вблизи границы бедного срыва (α > 2,0).

Характер изменения концентрации монооксида углерода и несгоревших углеводородных компонентов определяет возможность обеспечения полного сгорания топлива и достижения полноты сгорания η выше значения 0,995 (рисунок 4)

CxHyh,

ppm
 

η
 

CO,

CxHyh,

ppm
 

α
 

2
 

3
 

1
 

2
 

1
 

α
 

CxHylow,

ppm
 
          

Рисунок 3 – Зависимость концентрации несгоревших углеводородов от коэффициента избытка воздуха при горении газообразного топлива: 1 – CxHyh, 2 – CxHylow.

 
 

Рисунок 4 – Зависимость концентрации промежуточных продуктов реакции, несгоревших углеводородов и полноты сгорания от коэффициента избытка воздуха при горении газообразного топлива: 1 – η, 2 – CxHy, 3 – CO.

 
 
 

 

 

 

 

 


             

 

В области «богатого» горения полнота сгорания линейно возрастает с увеличением α, а затем в диапазоне 1,1 < α < 1,2 достигает значения 0,99 и при дальнейшем обеднении смеси выходит на режим автомодельности со значениями превышающими 0,999. Сравнение с концентрацией промежуточных продуктов реакции подтверждает этот факт, поскольку при α = 1,2 их концентрация становится меньше 5 ppm. Область низкоэмиссионного горения совпадает с областью максимальной полноты сгорания и реализуется в диапазоне α > 1,2 (на рисунке 5 она показана пунктирным прямоугольником).

Полученные результаты могут быть использованы при создании горелочных модулей камер сгорания авиационного и энергетического применения, а также устройств сжигания топлива для организации высоко-температурных тепловых процессов в технике.

Литература:

1.   Гурьянов А. И. Вихревые горелочные устройства / А. И. Гурьянов, О. В. Казанцева, М. В. Медведева, Ш. А. Пиралишвили // Инженерный журнал. – 2005. – №5. – прил. – С. 8 – 15.

2.   Пиралишвили Ш. А. Вихревые горелки с противотоком / Ш. А. Пиралишвили, А. И. Гурьянов // Конверсия в машиностроении – Conversion in machine building of Russia. – 2008. – № 1. – С. 11 – 16.

3.   Гурьянов А. И. Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов горения в ограниченном закрученном потоке / А. И. Гурьянов, Ш. А. Пиралишвили // Тепловые процессы в технике. –  2009. – Т.1-№5. – С. 170 – 177.

4.   Пиралишвили Ш. А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш. А. Пиралишвили, В. М. Поляев, М. Н. Сергеев; под ред. Леонтьева А. И. – М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. – 412 с.

5.   Piralishvili Sh. A. Development and investigation of a vortex burner / Sh. A. Piralishvili, A. I. Gurianov, F. Ali // Nonequilibrium Processes. Vol. 1. Combustion and Detonation. Edited by G. D. Roy, S. M. Frolov, A. M. Starik. – Moscow: Torus Press Ltd., 2005. – Р. 132 – 139.

6.       Gur’yanov A. I., Evdokimov O.A., Piralishvili Sh.A., Veretennikov S.V., Kirichenko R.E., Ievlev D.G. Analysis of the gas turbine engine combustion chamber conversion to associated petroleum gas and oil // Russian Aeronautics (Iz. VUZ). – New York: Allerton Press Inc., 2015. – №2. – Vol. 58. – P. 205-209.

7.       Гурьянова М.М., Пиралишвили Ш.А. Влияние входной несимметричности   профиля скорости и начальной интенсивности турбулентности на гидравлику отрывного диффузора камеры сгорания ГТД // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – Казань: КНИТУ имени А.Н. Туполева, 2016. – №2. – С. 38-45.

8.       Евдокимов О. А., Гурьянов А. И. Экспериментальное исследование условий свободно-конвективного распространения пламени // Вестник СГАУ имени ак. С.П. Королева. 2015. №1. Т. 14. С. 139-146.

9.       Бирюк В. В., Веретенников С. В., Гурьянов А. И., Пиралишвили Ш. А. Вихревой эффект. Технические приложения. Том 2 (Часть 1). М.: Научтехлитиздат, 2014. 288 с.

10.   Piralishvili Sh. A., Gur’yanov A. I. Dimensionless base of experimental investigation of thermogasdynamic parameters in a twisted flow with combustion // Heat Transfer Research. Beggel House Inc., 2008. V. 39. P. 703-712.

11.   Пиралишвили Ш. А., Веретенников С. В. Вихревой эффект и интенсификация процессов тепло и массообмена в элементах энергетической техники // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королёва (национального исследовательского университета), 2011. №3-1 (27). С 241-247.

12.   Евдокимов О. А., Гурьянов А. И. Исследование динамики выгорания топлива в камерах сгорания ГТД и устройствах энергетического назначения // Вестник РГАТУ имени П.А. Соловьева. 2013. 4 (27). С. 36-42.

13.   Гурьянов А.И., Пиралишвили Г.Ш. Высокотемпературный перегрев водяного пара в вихревых водород-кислородных пароперегревателях // Авиакосмическое приборостроение. 2009. № 11. С. 28-34.