Способ сравнительной оценки эффективности присадок - промоторов горения топлива в камере сгорания воздушно-реактивного двигателя
METHOD OF COMPARATIVE EVALUATION OF EFFICIENCY OF FUEL COMBUSTION PROMOTERS IN COMBUSTION CHAMBER OF AIR-JET ENGINE

Изобретение относится к жидким углеродсодержащим топливам, содержащим присадки, в частности к способам оценки эффективности присадок - промоторов горения топлива в камере сгорания воздушно-реактивного двигателя, и предназначено для исследовательских испытаний образцов реактивных топлив, содержащих присадки - промоторы горения для определения эффективности этих присадок.
Одним из основных требований к камерам сгорания газотурбинных энергетических установок любого назначения является обеспечение устойчивого горения. Зону устойчивой работы камеры сгорания определяют в виде границы, разделяющей устойчивый и неустойчивый режимы работы по следующим параметрам: коэффициент избытка воздуха а, скорость потока в характерном сечении камеры сгорания, массовый расход воздуха. Расширение зоны устойчивой работы камеры сгорания воздушно-реактивного двигателя может позволить снизить расход топлива и сделать более эффективным применение двигателя.
Основной характеристикой топлива, определяющей границы устойчивой работы камеры сгорания, является скорость горения топлива. Улучшение углеводородных топлив, которое может влиять на улучшение работы реактивных двигателей, связывают с модификацией топлив на молекулярном уровне при введении в их состав промоторов горения.
Поскольку в настоящее время отсутствует способ непосредственного измерения скорости горения топлива в турбулентном воздушном потоке, для сравнения топлив используют методику определения границы бедного срыва пламени. При заданном расходе воздуха граница бедного срыва пламени характеризуется коэффициентом избытка воздуха: чем выше скорость горения топлива, тем выше коэффициент избытка воздуха при срыве пламени и шире зона устойчивой работы камеры сгорания.
Обычно определяют границу бедного срыва пламени следующим образом. При фиксированном массовом расходе воздуха и устойчивом горении ступенчато уменьшают расход топлива до срыва пламени. Наличие горения определяется визуально, лазерно-оптическим методом по отображению хемилюминесцентных радикалов ОН или по снижению температуры в камере сгорания или на выходе из камеры сгорания. При испытании образцов топлива при фиксированном расходе воздуха соотношение коэффициентов избытка воздуха при срыве пламени равно обратному отношению расходов топлива и является косвенной качественной оценкой скорости горения топлива.
Такой способ был использован для определения срывных характеристик по бедным смесям отсека камеры сгорания при сравнении биотоплива и керосина ТС-1 (Васильев А.Ю.. Медведев Р.С., Челебян О.Г. / Особенности применения биотопливной смеси в камерах сгорания современных газотурбинных двигателей // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3 (41), 2013 г., ч. 2, с. 57-61). Пределы устойчивого горения биотоплив и керосина ТС-1 в отсеке камеры сгорания определены при горячих испытаниях в высотных условиях на экспериментальном стенде с образцом жаровой трубы с центробежным каналом подачи топлива. Были, в частности, установлены границы бедного срыва пламени: коэффициенты избытка воздуха а, при которых происходил бедный срыв пламени при фиксированных объемных расходах воздуха при его равных во всех экспериментах температуре и давлении. Для такой характеристики горения топлива требуется большой объем испытаний, большой расход топлива, воздуха, энерго- и трудозатрат.
Таким же образом определяли расход топлива при бедном срыве пламени при фиксированном расходе воздуха при исследовании базовых топлив для оценки влияния нанокаталитических присадок на эффективность топлив (N.A. Kremer / Development and qualification of a specialized gas turbine test stand to research the potential benefits of nanocatalyst fuel additives. Master’s Thesis. 2007, прототип). При этом эксперименты проводят на стенде с натурным малоразмерным турбореактивным двигателем F-121 Williams International (США) в условиях постоянного расхода набегающего воздуха. Камера сгорания двигателя F-121 сделана по схеме петлевой камеры сгорания французской фирмы Турбомека с распылом топлива размещенной на валу двигателя вращающейся форсункой. Более эффективным считают топливо с меньшим расходом или с большим коэффициентом избытка воздуха при срыве пламени в турбореактивном двигателе.
Принципиальным недостатком описанных способов сравнительной оценки горения топлив по срывным характеристикам камеры сгорания при изменении коэффициента избытка воздуха является тот факт, что в процессе эксперимента с изменением коэффициента избытка воздуха изменяются условия смешения воздуха с топливом, концентрационное поле топлива, длина зоны горения, что оказывает влияние на скорость горения топлива и срыв пламени.
На условия смешения топлива с воздухом оказывает влияние также способ подачи топлива в камеру сгорания. В обоих способах использован капельный распыл топлива, на который влияют поверхностное натяжение, вязкость топлива и его расход. Кроме того, способ сравнения топлив по срывной характеристике натурного двигателя привязан к конкретному двигателю с конкретной системой регулирования и системой подачи топлива. У турбореактивного двигателя с уменьшением расхода топлива при приближении к срыву пламени обороты двигателя уменьшаются, что отражается на качестве распыла топлива расположенной на валу форсункой и приводит к изменению условий смешения топлива с воздухом.
Указанные обстоятельства снижают достоверность описанных известных способов оценки эффективности присадок горения топлива, поскольку срывные характеристики камеры сгорания при горении топлива с присадкой и без присадки получают при разных условиях горения.
Следует также отметить другие недостатки использования натурного двигателя для сравнительной оценки эффективности активаторов горения. В эксперименте расход воздуха и топлива может быть велик: несмотря на малую тягу двигателя F-121 (32 кг при 45000 об/мин), расход воздуха через его камеру сгорания на этом режиме равен 1,35 кг/с, а расход топлива достигает примерно 1-3 г/с и при продолжительности регистрации данных около 3 мин в одном эксперименте может быть высоким при ограниченном объеме опытных образцов топлива. Далее, не представляется оправданным использование турбореактивного двигателя для оценки топлив с промоторами горения, являющимися, как правило, металлсодержащими веществами, при горении которых образуются абразивные твердые частицы, способные ухудшить работу турбины. Возможно, металлсодержащие промоторы горения успешно могут применяться в топливах для прямоточных воздушных реактивных двигателей. Кроме того, экспериментальная установка с натурным турбореактивным двигателем представляется достаточно сложной и не всегда доступной.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в обеспечении сопоставимых условий экспериментальной оценки эффективности присадок - промоторов горения топлива в камере сгорания.
Технический результат - повышение точности способа сравнительной оценки эффективности присадок-промоторов горения топлива в камере сгорания по срывным характеристикам камеры сгорания достигается при проведении испытания образцов топлива в одинаковых условиях смешения топлива с воздухом, когда срыв пламени зависит только от времени пребывания в зоне горения и скорости турбулентного горения. Такие условия реализуются при использовании испарительной камеры сгорания, при ее форсировании воздухом с постоянными давлением и температурой, при равном и неизменном коэффициенте избытка воздуха, при равном стартовом расходе сравниваемых топлив с присадкой и без присадки. Таким образом, по соотношению весовых или объемных расходов воздуха при срыве пламени в указанных условиях можно более точно сравнить скорости горения топлив и, следовательно, более точно оценить эффективность промоторов горения.
Дополнительный технический результат - большая доступность способа сравнительной оценки эффективности промоторов горения топлив - связан с использованием вместо турбореактивного двигателя простой малоразмерной испарительной трубчатой камеры сгорания, не требующей больших расходов топлива и воздуха.
Способ оценки эффективности присадки - промотора горения в камере сгорания заключается в том, что на первом этапе в испарительную камеру сгорания подают эталонное топливо и воздух с заданными температурой и давлением, коэффициент избытка воздуха устанавливают из условия сгорания более 95% топлива, увеличивают расход воздуха и топлива при неизменном коэффициенте избытка воздуха, добиваясь бедного срыва пламени в камере сгорания, и фиксируют значение объемного расхода воздуха, соответствующего режиму срыва пламени, на втором этапе используют топливо с присадкой - промотором горения, которое подают в испарительную камеру сгорания при расходе, равном начальному расходу топлива на первом этапе, воздух подают с коэффициентом избытка воздуха при температуре и давлении, равными выбранным на первом этапе, увеличивают расход воздуха и топлива при неизменном коэффициенте избытка воздуха, добиваясь бедного срыва пламени в камере сгорания, и фиксируют значение объемного расхода воздуха, соответствующего режиму срыва пламени, и оценку эффективности присадки - промотора горения осуществляют по соотношению объемных расходов воздуха, зафиксированных на первом и втором этапах.
в
к
в
1,15
3
Поясним сущность предложенного способа сравнительной оценки эффективности промоторов горения по бедному срыву пламени. Причина неполноты сгорания и срыва пламени при одинаковых условиях смешения топлива и воздуха и одинаковой длине зоны горения связана со временем пребывания в камере сгорания и кинетикой химических реакций, протекающих в камере. Полноту сгорания топлива в камере сгорания как соотношение параметров переноса потоком тепла и вещества и параметров химической реакции приближенно оценивает впервые предложенный В.Е. Дорошенко (В.Е. Дорошенко / «О процессе горения в камере ГТД» // Труды ЦИАМ им. П.И. Баранова, №354, 1959) параметр форсирования G/PTD, где G - расход воздуха, D - характерный размер камеры сгорания, Р и Т - давление и температура поступающего воздуха.
в
3
Если поддерживать постоянными давление и температуру поступающего воздуха, то полнота сгорания топлива в данной камере сгорания при постоянном коэффициенте избытка воздуха будет зависеть только от отношения GD, пропорционального расходу воздуха через камеру сгорания, с увеличением которого будет уменьшаться время пребывания топлива в зоне горения и, следовательно, только от уменьшения пребывания топлива в зоне горения будет уменьшаться полнота сгорания (коэффициент выделения тепла) и в конечном итоге наступать срыв пламени.
Испытания проводят в условиях, исключающих влияние на срыв пламени любых факторов, кроме времени пребывания топлива в зоне горения, то есть при одинаковых условиях смешения топлива и воздуха: с использованием испарительной камеры сгорания, при постоянном коэффициенте избытка воздуха, при одинаковом начальном расходе топлива, при постоянных температуре и давлении поступающего воздуха. Использование испарительной камеры сгорания позволяет реализовать рабочий процесс, связанный не с распылом топлива, а с его дозировкой: испарение топлива на входе в камеру сгорания обеспечивает при различных расходах воздуха и его турбулентном течении, зависящее только от коэффициента избытка воздуха поле концентраций топлива в зоне горения.
В указанных условиях расход воздуха при срыве пламени является косвенным показателем скорости горения образца топлива. При сравнении топлив с одинаковыми стехиометрическими коэффициентами срыв пламени будет наступать при меньших объемных расходах воздуха при работе камеры на топливе с меньшей скоростью горения. Соотношение объемных расходов воздуха при срыве пламени образца топлива без присадки и с присадкой-промотором горения в указанных условиях равно соотношению скоростей турбулентного горения образцов, причем для оценки эффективности присадки - промотора горения достаточно получить данные для одного значения коэффициента избытка воздуха из области значений, соответствующих полноте сгорания топлива более 95%.
Для описания реализации способа на фиг.1 приведена принципиальная схема экспериментальной установки для сравнительной оценки эффективности присадок-промоторов горения топлива при срыве пламени в камере сгорания, а на фиг.2 приведена принципиальная схема трубчатой испарительной камеры сгорания.
Предлагаемый способ сравнительной оценки эффективности присадок-промоторов горения топлива может быть осуществлен следующим образом.
Оценку эффективности присадок-промоторов горения топлива осуществляют, сравнивая расход воздуха при срыве пламени образца топлива, не содержащего промоторов горения, и образца топлива, содержащего промотор горения, в испарительной камере сгорания при равном и постоянном коэффициенте избытка воздуха, при одинаковом начальном расходе топлива, при постоянных температуре и давлении поступающего воздуха. Возможно также сопоставление эффективности присадок-промоторов горения по образцам одного топлива, содержащим разные присадки.
Способ сравнительной оценки эффективности присадок - промоторов горения топлив при срыве пламени осуществлен на экспериментальной установке, содержащей малоразмерную трубчатую камеру сгорания испарительного типа, систем подачи к ней воздуха и топлива, пульта управления с контрольно-измерительной аппаратурой и ряда вспомогательных агрегатов. На схеме установки на фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - бак топливный, 2 - насос, 3 - фильтр топливный, 4 - емкость топливная, 5 - штихпробер, 6 - манометр, 7 - дифманометр, 8 - масловлагоотделитель, 9 - регулятор давления, 10 - диафрагма мерная, 11 - дроссель воздушный регулируемый, 12 - свеча зажигания, 13 - камера сгорания, 14 - участок измерения температуры продуктов сгорания, 15 - труба выхлопная с водяным охлаждением.
Топливо из топливного бака 1 с помощью насоса 2 прокачивают для очистки через топливные фильтры 3 и накапливают в топливной емкости 4, откуда по трубопроводу через штихпробер (измеритель расхода топлива) 5, насосом 2 с системой перепуска топлива, через топливный фильтр 3 подают в камеру сгорания 13.
Воздушная магистраль содержит элементы регулировки и контроля давления воздуха - манометр 6 и регулятор давления 9, масловлагоотделитель 8, элементы контроля и регулировки расхода воздуха - дифманометр 7 с мерной диафрагмой 10 и регулируемый дроссель 11 и подводит воздух из магистрали сжатого воздуха на вход в камеру сгорания 13. Из камеры сгорания газы поступают к участку для измерения среднемассовой температуры продуктов сгорания 14, необходимой для расчета полноты сгорания топлива и определения момента срыва пламени, и далее через выхлопную трубу с водяным охлаждением 15 выводятся с установки.
Воздух и топливо в камеру сгорания подводят при комнатной температуре. Давление газов внутри жаровой трубы практически равно атмосферному, так как потери давления газов на преодоление гидравлического сопротивления выпускного канала очень незначительны.
Принципиальная схема камеры сгорания показана на фиг. 2. Камера сгорания содержит корпус 16, жаровую трубу 17 с днищем 18, на котором размещены испарительные трубки 19, воздушные патрубки 20, топливный коллектор 21 со струйными насадками 22, свечу зажигания 23, трубку 24 подвода пускового газообразного горючего (бытового пропана).
В Г-образные испарительные трубки 19, расположенные в зоне горения, топливо поступает из коллектора 21 через насадки 22. Проходя по трубке, топливо нагревается, испаряется и перемешивается с поступающим в трубки воздухом, одновременно охлаждая испарительную трубку. Богатая топливовоздушная смесь вытекает из загнутых концов трубок 19 навстречу части первичного воздуха, которая вводится в жаровую трубу 17 через щелевые окна воздушных патрубков 20. Вторичный воздух втекает в жаровую трубу 17 через отверстия в ее смесительной части.
Запуск камеры сгорания производят с помощью свечи зажигания 23 от газообразного горючего (бытового пропана), подводимого через трубку 24 к одному из воздушных патрубков 20. Применение газообразного пускового топлива обеспечивает надежный запуск камеры сгорания без факеления и дымления, обычных для камеры сгорания любого типа в процессе запуска на жидком топливе и крайне нежелательных для установки из-за возможности искажения оценочных показателей.
Рабочий процесс испарительной камеры сгорания не зависит от того, в каком виде топливо вводится в испарительные трубки - распыленном или в виде струйки, в связи с чем, физические свойства топлива - плотность, вязкость, поверхностное натяжение - практически не оказывают влияния на характеристики горения в широком диапазоне режимов работы камеры.
Для проведения испытаний выбирают коэффициент избытка воздуха α, при котором обеспечивается практически полное - более 95% - сгорание топлива. В условиях недостаточного расхода воздуха от магистрали сжатого воздуха целесообразно сместить стартовый режим в сторону больших значений α.
Сравнительную оценку эффективности промоторов горения проводят с использованием одного вида топлива (эталонное топливо). Выбор образцов зависит от цели исследования. Эффективность присадки целесообразно оценивать в сравнении с эталонным топливом, предпочтительно не содержащем промоторов горения, тогда как сравнительную эффективность присадок можно проводить на образцах, полученных введением каждой присадки отдельно в эталонное топливо.
Испытания образцов топлива проводят при равных и постоянных температуре и давлении подаваемого воздуха, при постоянной температуре жидкого топлива. Выбирают стартовый режим, одинаковый для образцов сравниваемых топлив - расходы воздуха и топлива, соответствующие выбранному коэффициенту избытка воздуха. Производят запуск камеры сгорания с использованием пропана, осуществляют подачу жидкого топлива в камеру сгорания до воспламенения топливовоздушной смеси, прекращают подачу пропана и, увеличивая расход воздуха и топлива, устанавливают их стартовые расходы. Постепенно увеличивают расходы воздуха и топлива, сохраняя постоянным коэффициент избытка топлива, до срыва пламени, определяемому по резкому снижению температуры продуктов сгорания, фиксируемой на выходе из камеры сгорания. Фиксируют расходы воздуха и топлива при срыве пламени. Таким образом получают параметры срыва пламени для каждого из сравниваемых образцов.
Способ сравнительной оценки эффективности промотора горения с применением описанной выше экспериментальной установки был использован для оценки скорости горения этилового спирта с содержанием воды 13 мас.%, относительно этилового спирта по ГОСТ 55878-2013. В процессе испытаний сохраняли постоянными температуру подачи воздуха и топлива 20±0,5°С, давление воздуха 0,1 МПа, коэффициент избытка воздуха α=4. Стартовые (исходные) расходы воздуха 0,05 кг/с, топлива (этилового спирта и этилового спирта, содержащего 13 мас.%, воды) 1,38 г/с. Расход воздуха при срыве пламени этилового спирта составлял 0,2 кг/с, расход этилового спирта 5,6 г/с. Расход воздуха при срыве пламени этилового спирта, содержащего 13 об.% воды, составлял 0,15 кг/с, содержащего воду спирта 4,1 г/с.
Оценку эффективности присадки-промотора горения топлива производят по соотношению расходов воздуха при срыве пламени: отношение расходов воздуха равно отношению скоростей горения сравниваемых образцов, то есть добавка 13 мас.%, воды в этиловый спирт снижает его скорость горения на 25%.