Механизмы образования вредных выбросов в камерах сгорания ГТД

Концентрация большинства загрязняющих веществ в выхлопных газах газотурбинных двигателей (ГТД) определяется локальной температурой, термодинамическим составом рабочей смеси и временем пребывания газа на отдельных участках камеры сгорания. Распределение этих локальных параметров варьируется в зависимости от геометрии конкретной камеры и рабочего режима силовой установки.

Образование оксида углерода (CO) и несгоревших углеводородов (CₓHᵧ). Выбросы моноксида углерода (CO) достигают максимальных значений на режимах малой тяги (дроссельных режимах), когда температура газа на входе в камеру сгорания относительно невелика.

Основные причины формирования CO:
- Низкая скорость горения в первичной зоне вследствие недостатка испаренного топлива или ограниченного времени пребывания смеси в зоне высоких температур;
- Неудовлетворительное перемешивание топлива с воздухом, приводящее к образованию локальных областей с излишне бедной или переобогащенной смесью;
- «Замораживание» продуктов горения в пристенном слое воздуха, охлаждающего стенки жаровой трубы, или струями относительно холодного струйного воздуха.

К несгоревшим углеводородам относят как исходное топливо, так и продукты его термического разложения с меньшей молекулярной массой (например, метан CH₄ и ацетилен C₂H₂). Причины появления несгоревших углеводородов аналогичны факторам, определяющим образование CO.

Увеличение тяги (мощности) двигателя приводит к повышению рабочих параметров термодинамического цикла, что способствует существенному снижению выбросов CO и несгоревших углеводородов.

Механизмы формирования оксидов азота (NOₓ). Проблема снижения эмиссии оксидов азота (NOₓ) является наиболeе острой при проектировании экологичных камер сгорания. Оксиды азота в продуктах сгорания состоят из моноксида азота NO и диоксида азота NO₂.

Методы измерения и химические превращения NOₓ. Объемная концентрация оксидов азота определяется как сумма объемных долей компонентов:

NO_x = NO + NO₂

Концентрация NO и NO₂ измеряется хемилюминесцентным методом (по излучению реакции NO с O₃). Поскольку метод нечувствителен к NO₂, анализируемая проба газа предварительно пропускается через углеродный конвертор, где при температуре 300 °C диоксид азота восстанавливается до моноксида.

Массовая концентрация NOₓ рассчитывается в предположении, что весь NO переходит в форму NO₂, так как непосредственно в атмосфере без нагрева протекает реакция:

В первичной зоне сгорания преимущественно образуется NO. Скорость образования NO существенно ниже скорости основных реакций горения, поэтому его основная масса формируется в конце или после завершения зоны активного горения. Окисление NO до NO₂ начинается еще внутри камеры сгорания в зонах с избытком воздуха. При этом с ростом температуры газа скорость превращения NO в NO₂ снижается.

Пути образования NOₓ:
1. Термический NO (механизм Зельдовича): образуется в результате реакций между азотом и кислородом воздуха при высоких температурах.
2. Топливный NO: формируется из азотосодержащих компонентов топлива и свободных радикалов.
3. Быстрый NO: возникает при взаимодействии молекулярного азота N₂ с активными углеводородными радикалами CH и CH₂.

Термический механизм Я.Б. Зельдовича. При отсутствии в топливе азотосодержащих соединений (в авиационном керосине их содержание обычно составляет менее 0,6%) преобладает термический механизм Я.Б. Зельдовича, включающий две обратимые реакции:

Первая реакция является эндотермической и обладает высокой энергией активации. Она протекает при высоких температурах и лимитирует скорость всего процесса. Освобождающийся атом азота N мгновенно реагирует с молекулярным кислородом O₂, восстанавливая атом O. Вторая реакция протекает с выделением теплоты (экзотермическая).

Концентрация атомарного кислорода в процессе цепной реакции остается стационарной и соответствует равновесию с молекулами O₂. При температурах выше 1800 К равновесие реакций смещается вправо.

Сокращение времени пребывания газа в высокотемпературных зонах и обеднение первичной зоны жаровой трубы позволяют существенно снизить выбросы NOₓ.

Сажеобразование и радиационный теплообмен. Частицы сажи образуются в результате реакций синтеза из продуктов пиролиза керосина при температурах 1500...1800 К в богатых топливом зонах пламени (при коэффициенте избытка воздуха α < 0,55).

Модели образования сажи:
- Полииновая модель;
- Полиароматическая модель;
- Ионная модель.

Более 98% сажи, сформировавшейся в первичной зоне, выгорает до выхода из камеры сгорания. Однако частицы сажи, контактирующие с холодными деталями (торцом форсунки или лопатками завихрителей), могут налипать и образовывать нагар.

Нагретые частицы сажи генерируют интенсивный радиационный тепловой поток к стенкам жаровой трубы, что определяет температурное состояние конструктивных элементов на начальном участке камеры сгорания.