Результат интеллектуальной деятельности: КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности к способам организации горения в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен способ организации горения в традиционной камере сгорания авиационного ГТД, получивший широкое распространение в основных камерах сгорания ГТД традиционной схемы независимо от конкретных особенностей конструкции двигателя. Способ заключается в том, что рабочий объем камеры разделяется на две основные части: зону горения и зону разбавления. За фронтовым устройством жаровой трубы образуются зоны циркуляции газа, необходимые для стабилизации пламени, т.е. для непрерывного поджигания топливовоздушной смеси горячими продуктами сгорания. В эту зону подается распыляемое центробежной форсункой топливо. Поступающий в жаровую трубу воздух делится на три основные части: первичный, вторичный и третичный (см., например, «Обеспечение комплекса основных характеристик камеры». Основные камеры сгорания ГТД. Научный вклад в создание авиационных двигателей, Кн.2, ЦИАМ, 2000 г., стр.308-309).

Недостатком данного способа является высокий уровень выброса загрязняющих веществ, к которым, как известно, относятся: монооксид углерода СО, оксиды азота NO_x, несгоревшие углеводороды С_nН_m и сажевые частицы которые образуются при горении углеводородных топлив в традиционных камерах сгорания ГТД.

Известна камера сгорания ГТД, в которой с целью уменьшения токсичных выбросов используют пар (патент РФ №2287066, МПК F01K 21/04, опубл. 2006 г.). Способ работы указанной камеры ГТД включает подачу пара в первичную зону (зона горения) и во вторичную зону (зона разбавления) камеры сгорания. Расход пара в первичную зону регулируют перепуском части пара во вторичную зону и поддерживают оптимальную температуру пламени в первичной зоне на всех основных режимах работы. При этом пар во вторичную зону подается непосредственно в жаровую трубу камеры сгорания без предварительного смешения с воздухом, подаваемым во вторичную зону. Изобретение позволяет обеспечить при всех условиях эксплуатации в диапазоне основных режимов работы низкий уровень эмиссии оксидов азота, монооксида углерода и несгоревших углеводородов, устойчивую и надежную работу камеры сгорания, значительное повышение мощности и к.п.д. установки.

Основным недостатком данной камеры сгорания является невозможность ее использования в авиационных двигателях в связи с большим потребным количеством пара и отсутствием источника пара на борту самолета.

В связи с ужесточением требований по выбросам вредных веществ ГТД возникает необходимость в разработке камеры сгорания с малыми выбросами этих веществ. Среди других решений (подача пара или воды в камеру сгорания) применяют перераспределение расхода воздуха по длине камеры сгорания для обеспечения оптимальных условий горения во всем рабочем диапазоне режимов работы ГТД. При этом для предотвращения образования СО и С_nН_m на низких режимах и обеспечения нормального запуска камеры сгорания уменьшают расход воздуха в первичную зону, а на высоких режимах для предотвращения образования NO_x увеличивают расход воздуха в первичную зону.

Наиболее близкой к предложенной камере является камера сгорания ГТД с регулируемым распределением воздуха, содержащая жаровую трубу с окнами в ее стенке, перекрываемыми размещенным в месте расположения окон подвижным элементом, соединенным через систему рычагов с приводом (патент ЕР 0100135, МПК F23R 3/26, опуб. 1986 г.).

Недостатком указанного устройства является его низкая надежность, так как при нагреве стенок жаровой трубы поворотные и перемещаемые вдоль нее кольца, пояса или не обеспечивают герметичность (при закрытом положении), что нарушает оптимальное распределение воздуха по длине жаровой трубы, или (при достаточной герметичности, т.е. при малых зазорах) могут происходить отказы в перемещениях регулирующих элементов из-за коробления жаровой трубы, особенно при ее неравномерном нагреве, и от температурных расширений жаровой трубы и регулируемых элементов.

Как отмечено выше, в традиционной камере сгорания воздух, отбираемый от компрессора, разделяется на два потока: первичный и вторичный потоки. Первичный поток поступает на фронтовое устройство, которое содержит топливную форсунку и обеспечивает с помощью основных и вспомогательных завихрителей создание турбулентного потока газовой смеси посредством смешения первичного воздуха с горючим. Образованная топливовоздушная смесь воспламеняется стандартным образом и образует в жаровой трубе пламенный факел в направлении течения газа с максимальной температурой на оси порядка 2000 К и более. Высокая температура пламенного факела является причиной образования в нем оксидов азота, которые наряду с окислами углерода являются основными загрязняющими выхлопными веществами камеры сгорания. Образование СО в продуктах сгорания является следствием неполноты сгорания углеводородных топлив в области боковой стенки жаровой трубы, которая интенсивно охлаждается до 900 К в узкой зоне подачи пелены вторичного воздуха, находящейся между корпусом камеры сгорания и внешней поверхностью жаровой трубы. При такой низкой температуре монооксид углерода не окисляется в СO₂. Таким образом, причины образования оксидов азота и углерода различны, чем и объясняются практические трудности технической реализации одновременного предотвращения этих загрязнений в выхлопных газах камеры сгорания ГТД. Уменьшение оксидов азота осуществляется сжиганием бедных смесей, что может относиться к некоторому эквивалентному уменьшению эффективного времени пребывания основных продуктов горения в области интенсивного тепловыделения. Однако этот подход не является оптимальным, так как сопровождается проблемами неустойчивости горения по сравнению с диффузионным горением, что является основным недостатком и препятствием в создании камер сгорания, использующих бедные смеси.

В основу настоящего изобретения положено решение следующих задач:

- ускорение процесса горения при одновременном снижении эмиссии вредных веществ, включая NO_x и СО;

- окисление СО до СO₂, уменьшающее при этом эмиссию СО из камеры сгорания в несколько раз и обеспечивающее тем самым экологически безопасный уровень эмиссии СО из двигателя;

- увеличение полноты сгорания топливовоздушной смеси и к.п.д. камеры сгорания;

- обеспечение экологически более чистого горения.

Для достижения указанного технического результата камера сгорания ГТД содержит корпус, расположенную в корпусе перфорированную жаровую трубу с зонами горения и разбавления, систему подачи топлива, систему подачи первичного и вторичного потоков воздуха и устройство зажигания топливовоздушной смеси. Система подачи потоков воздуха снабжена устройством воздействия на поток первичного воздуха во входном канале первичного воздуха и устройством воздействия на поток вторичного воздуха в полости кольцевого канала между стенками камеры сгорания и жаровой трубы.

Новым в изобретении является то, что устройства воздействия на потоки первичного и вторичного воздуха содержат источник лазерного излучения и делитель лазерного излучения по устройствам воздействия на потоки первичного и вторичного воздуха. Каждое устройство воздействия снабжено оптическими волокнами с вводами, подключенными к делителю лазерного излучения. Вывод оптического волокна устройства воздействия на поток первичного воздуха подключен через сквозное отверстие к входному каналу первичного воздуха, выполненного, по меньшей мере, с двумя расположенными напротив друг друга зеркалами. Устройство воздействия на поток вторичного воздуха содержит, по меньшей мере, два расположенных друг напротив друга зеркала, размещенных в полости кольцевого канала, где одно из зеркал имеет в фокальной плоскости на оси симметрии сквозное отверстие. Вывод оптического волокна устройства воздействия на поток вторичного воздуха подключен через сквозное отверстие зеркала к кольцевому каналу. Источник лазерного излучения выполнен с возможностью возбуждения молекул кислорода в метастабильные синглетные состояния и .

Новым также является то, что зеркала во входном канале первичного воздуха выполнены в виде отдельных плоских многогранников.

Новым также является то, что зеркала расположены в полости кольцевого канала, охватывающей зону горения или зону разбавления жаровой трубы.

Способ работы камеры сгорания ГТД заключается в том, что в камеру сгорания раздельно подают горючее и воздух. Поток воздуха разделяют на две части. При этом на поток первичного воздуха воздействуют, смешивают его с горючим и воспламеняют в полости жаровой трубы. На поток вторичного воздуха воздействуют и подают его через отверстия в стенке жаровой трубы камеры сгорания.

Новым в изобретении является то, что воздействие на потоки первичного и вторичного воздуха осуществляют лазерным излучением с возможностью возбуждения молекул кислорода в метастабильные синглетные состояния и .

Новым также является то, что при воздействии лазерным излучением на потоки первичного и вторичного воздуха формируют однородное, изотропное световое поле, обеспечивая многократное отражение лазерного излучения между зеркалами.

Новым также является то, что воздействие на поток вторичного воздуха осуществляют лазерным излучением в полости кольцевого канала, охватывающей зону горения или зону разбавления жаровой трубы.

Механизм воздействия на поток воздуха с возможностью обеспечения возбуждения молекулярного кислорода в синглетные состояния и описан в следующих статьях: 1) Adam Hicks, Seth Norberg, Paul Shawcross, Walter R Lempert, J William Rich and Igor V Adamovich. Singlet oxygen generation in a high pressure non-self-sustained electric discharge//J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) 3812-3824; 2) K.F.Pliavaka, S.V.Gorbatov, S.V.Shushkou, F.V.Pliavaka, A.P.Chemukho, S.A.Zhdanok, V.V.Naumov, A.M. Starik, A. Bourig, J.-P. Martin. Singlet oxygen production in electrical non-self-sustained HV pulsed+DC cross discharge at atmospheric pressure with application to plasma assisted combustion technologies//In Contributed Papers of International Workshop on Nonequilibrium Processes in Combustion and Plasma Based Technologies, page 186-191, Minsk, 2006.

Настоящее изобретение основано на следующих физических процессах снижения концентрации оксида азота и окислов углерода.

Известно, что заметное снижение оксидов азота может быть реализовано при сжигании бедных углеводородных воздушных смесей, которые характеризуются параметром ϕ, равным отношению массы горючего к массе окислителя (воздуха) и называется коэффициентом избытка топлива (горючего). При значениях ϕ=1 смесь является стехиометрической, а при ϕ<1 смесь принимается бедной, и наоборот. Ускорение процесса горения может быть достигнуто применением молекул кислорода, находящихся в возбужденных метастабильных синглетных состояниях. Соответствующий детальный кинетический механизм такого горения описан в ст.: Starik A.M., Koslov V.E., Titova N.C. // Combust. Flame 2010. V.157. N2. P.313-327.

Для анализа процессов образования NO_x при наличии молекул синглетного кислорода в смеси СH₄ - воздух была разработана расширенная кинетическая модель. Оценки констант скорости для реакций N(⁴S)+ =NO(X²П)+O(³P) и N²+ =N₂O+O(¹D), основанные на вычислениях поверхностей потенциальной энергии, показали, что активность молекул синглетного кислорода в этих реакциях намного меньше, чем молекул кислорода в основном состоянии. Однако присутствие дополнительного количества синглетного кислорода в смеси СН₄ - воздух приводит к увеличению концентрации NO. Тем не менее, это увеличение не превышает 30% даже при . Главная причина этого явления - появление дополнительного количества атомарного кислорода в горячей и холодной областях пламени вследствие ускорения разветвления цепи при наличии синглетного кислорода в смеси СН₄ - воздух. Более быстрое образование атомов О увеличивает производство молекул NО в ходе реакции N₂+О=NO+N, входящей в тепловой механизм. Поскольку присутствие возбужденных молекул O₂ в смеси СН₄ - воздух приводит к росту скорости пламени и расширению пределов воспламенения, становится возможным сжигание более бедной смеси, по сравнению со случаем отсутствия молекул в газе, при одинаковом значении скорости пламени. Это позволяет значительно уменьшить концентрацию оксида азота в продуктах сгорания.

Так, при уменьшение концентрации NО для атмосферного пламени метан - воздух из-за горения более бедной смеси может достигать двух раз (ст.: A.M.Starik, P.S.Kuleshov, A.S.Sharipov, V.A.Strelnikova, N.S.Titova. On the influence of singlet oxygen molecules on the NO_x formation in methane-air laminar flame. Proceedings of the Combustion Institute, 2012, V.34, doi l0.1016/j.proci. 2012.10.003).

В отличие от оксида азота окись углерода в традиционной камере образуется в результате понижения температуры в узкой зоне подачи пелены вторичного воздуха в области между внешней поверхностью жаровой трубы и корпусом камеры сгорания. Образование СО в продуктах сгорания является следствием неполноты сгорания углеводородных топлив в этой низкотемпературной области, которая интенсивно охлаждается до 900 К в узкой зоне подачи пелены вторичного воздуха. При такой низкой температуре монооксид углерода не окисляется в СО₂. Интенсификация окисления СО до СО₂ в низкотемпературной области достигается посредством возбуждения молекул О₂ из основного в возбужденное электронное состояние . Далее в результате относительно быстрого тушения состояния : +М= +М в воздухе возникает метастабильное состояние . Молекулы синглетного кислорода реагируют с молекулами СО на несколько порядков величины быстрее, чем молекулы О₂ в основном электронном состоянии (Sharipov A.S. and Starik A.M. // J. Phys. Chem. A.2011. V.115. P.1795-1803). Поступая вместе с вторичным воздухом в пристеночную область жаровой трубы с относительно низкой температурой (Т=900-1000 К), синглетный кислород инициирует протекание цепного механизма, приводящему к быстрому окислению СО до СО₂. При этом уменьшается эмиссия СО из камеры сгорания в несколько раз и достигается экологически безопасный уровень эмиссии. Увеличиваются полнота сгорания топливовоздушной смеси и к.п.д. камеры сгорания в целом.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи, по сравнению с известными аналогами.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием камеры сгорания ГТД и способа ее работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-3, где на фиг.1 - схема камеры сгорания ГТД; на фиг.2 - график зависимости скорости ламинарного пламени U_n в смеси СН₄ - воздух от величины коэффициента избытка горючего (ϕ) для бедной смеси при (сплошная и пунктирная линии при значениях: Р₀=1 атм, Т₀=300 К); на фиг.3 изображен график, где мольная доля NО на расстоянии 10 см от фронта ламинарного пламени для смеси СH₄ - воздух с Р₀=1 атм, Т₀=300 К и различных значениях ϕ при и (белые и черные колонки, соответственно). Для рассматриваемых случаев над каждой колонкой указаны значения конечной адиабатной температуры в продуктах сгорания.

На схеме камеры сгорания газотурбинного двигателя (фиг.1) приняты следующие обозначения:

Камера сгорания ГТД содержит корпус 2, расположенную в корпусе 2 перфорированную жаровую трубу 1 с зонами горения и разбавления, систему 3 подачи топлива, систему подачи первичного и вторичного потоков 12, 13 воздуха и устройство 11 зажигания топливовоздушной смеси (см. фиг.1). Камера сгорания ГТД снабжена устройством воздействия на поток 12 первичного воздуха во входном канале 15 первичного воздуха и устройством воздействия на поток 13 вторичного воздуха в полости 10 кольцевого канала между стенками камеры сгорания и жаровой трубы 1. Устройства воздействия на потоки 12, 13 первичного и вторичного воздуха содержат источник 4 лазерного излучения и делитель 14 лазерного излучения по устройствам воздействия на потоки 12, 13 первичного и вторичного воздуха. Каждое устройство воздействия снабжено оптическими волокнами 6 с вводами, подключенными к делителю 14 лазерного излучения. Вывод (не показано) оптического волокна 6 устройства воздействия на поток 12 первичного воздуха подключен через сквозное отверстие (не показано) к входному каналу 15 первичного воздуха, выполненного, по меньшей мере, с двумя расположенными напротив друг друга зеркалами 16. Устройство воздействия на поток 13 вторичного воздуха содержит, по меньшей мере, два расположенных друг напротив друга зеркала 5, размещенных в полости 10 кольцевого канала, где одно из зеркал 5 имеет в фокальной плоскости на оси симметрии сквозное отверстие (не показано). Вывод (не показано) оптического волокна 6 устройства воздействия на поток 13 вторичного воздуха подключен через сквозное отверстие зеркала 5 к полости 10 кольцевого канала, причем источник 4 лазерного излучения выполнен с возможностью возбуждения молекул кислорода в метастабильные синглетные состояния.

Источник 4 лазерного излучения может быть выполнен в виде твердотельного Nd:YAG-лазера, основная частота которого преобразуется кристаллом Al₂O₃Ti³⁺ в широкополосное излучение, включающее длину волны 762 нм, которая вызывает переход молекул кислорода из основного электронного состояния в возбужденное синглетное состояние . Выделение соответствующего спектрального диапазона излучения, которое вызывает указанный переход, можно осуществить стандартным методом с помощью монохроматора либо отдельной дифракционной отражательной решетки, установленной на пути излучения, выходящего из кристалла Al₂O₃Ti³⁺, и отражением выделенного решеткой спектра в область протекания реакции горения между внешней поверхностью жаровой трубы 1 и стенкой корпуса 2 камеры сгорания. Многократное отражение лазерного излучения между зеркалами 5, 16 формирует однородное, изотропное световое поле. Однородное световое поле обеспечивает интенсификацию воздействия лазерного излучения на обрабатываемый воздух. Возможность осуществления подобной оптической схемы подтверждается результатами исследований (ст.: Н.И.Липатов, А.С.Бирюков, Э.С.Гулямова. Световой котел-генератор синглетного кислорода // Квантовая электроника. 2008. Т.38. №13. C.1179-1182).

Далее в результате относительно быстрого тушения состояния в воздухе

возникает (1) метастабильное состояние . Наличие активных центров-носителей цепного механизма окисления молекул СО в форме синглетного кислорода позволяет интенсифицировать протекание цепной реакции окисления

в рассмотренной области камеры сгорания, где наряду с образовавшимися в реакции (2) носителями цепного механизма атомами кислорода присутствуют также активные атомы Н и радикалы ОН, участвующие в цепном механизме окисления СО. Это позволяет уменьшить на выходе из камеры сгорания количество монооксида углерода до минимально возможного уровня.

Аналогичный механизм окисления молекул СО присутствует в случае возбуждения молекул О₂ в синглетное состояние при воздействии лазерного излучения с длинной волны 1268 нм.

Способ работы камеры сгорания ГТД осуществляется следующим образом. В камеру сгорания раздельно подают горючее и воздух. В рабочем объеме камеры формируются зоны горения и разбавления, при этом за фронтовым устройством жаровой трубы 1 образуются циркуляционные потоки 9, необходимые для стабилизации пламени. В эту зону через систему 3 подачи топлива центробежной форсункой распыляется горючее. Поток воздуха разделяют на две части. Поток 12 первичного воздуха смешивают с горючим и воспламеняют в полости жаровой трубы 1. Потоком 13 вторичного воздуха охлаждают стенки жаровой трубы 1. На потоки 12, 13 первичного и вторичного воздуха осуществляют воздействие лазерным излучением с возможностью возбуждения молекул кислорода в метастабильные синглетные состояния. При воздействии лазерным излучением на потоки 12, 13 первичного и вторичного воздуха формируют однородное, изотропное световое поле, обеспечивая многократное отражение лазерного излучения между зеркалами 16 во входном канале 15 первичного воздуха и зеркалами 5, размещенными в полости 10 кольцевого канала. Лазерное излучение обеспечивает возбуждение молекулярного кислорода в синглетные состояния и .

Воздействие на поток 13 вторичного воздуха осуществляют лазерным излучением в полости 10 кольцевого канала, охватывающей зону горения или разбавления жаровой трубы 1.

Одновременно с облучением вторичного воздуха воздействию лазерного излучения подвергается во входном канале 15 первичный воздух, как показано на фиг.1. Указанное воздействие вызывает в потоке 12 первичного воздуха при его смешении с горючим для бедной смеси ϕ<1: ускорение горения и сохранение термодинамических параметров, включая скорость распространения пламени (см. фиг.2) и температуру продуктов горения (см. фиг.3), при значительном сокращении оксидов азота (примерно в 1,87 раза) по сравнению с традиционным выбросом для бедной смеси без применения лазерного воздействия. Из представленного на фиг.2 графика видно, что присутствие синглетного кислорода на уровне примерно 5% от концентрации кислорода в основном электронном состоянии позволяет осуществить горение без срыва для значений ϕ менее 0,66 (пунктирная линия) при примерном сохранении скорости ламинарного пламени 15,5 см/с и уменьшении концентрации NO от 10,3 ppm до значения 5,8 ppm, которое примерно в 1,8 раза меньше по сравнению с обычным горением (10,3 ppm), когда синглетного кислорода нет в области горения. Около указанных и рассматриваемых точек приведены значения концентрации NO и скорости U_n.

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить полноту сгорания топливовоздушной смеси и к.п.д. камеры сгорания. Устройство камеры сгорания ГТД и способ ее работы позволяют получить из традиционной камеры сгорания экологически чистый выхлоп продуктов сгорания, практически без оксидов азота и окислов углерода, что создает значительный технико-экономический эффект и может быть реализовано при создании авиационных газотурбинных двигателей.