СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ВЫБРОСОВ ОКИСЛОВ АЗОТА NO ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, преимущественно к способам определения выброса окислов азота NO_x при доводке камер сгорания.

Известен способ доводки камеры сгорания, заключающийся в сжигании топлива в камере сгорания, замере параметров газа и продуктов сгорания при помощи отбора проб из первичной зоны и на выходе из камеры сгорания, получения определенных данных и перемещения насадков для отбора проб газа при помощи поворотной турели [1].

Недостатком известного способа является сложность устройства для его осуществления, например масса устройства составляет 14ТН, а также назначение известного способа преимущественно для доводки автономной камеры сгорания без компрессора и турбины, что увеличивает стоимость доводки. Недостатком известного способа является также и то, что испытываемые камеры сгорания имеют одинаковые в окружном положении поля температур, при этом увеличивается стоимость затрат по доводке газотурбинного двигателя с камерами сгорания другого типа горения или других качественных и количественных параметров газа в жаровых трубах, а также при отличающихся друг от друга зонах горения по периметру жаровой трубы или других ее конструктивных параметрах. В известном способе одной из основных задач доводки является снижение до минимально возможного уровня неравномерности поля температуры газа и обеспечение заданной эпюры, т.е. T_к = const. Однако обеспечение большого числа замеров параметров при меняющихся атмосферных условиях требует неоправданно больших затрат и испытаний.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения уровня выбросов окислов азота NO_x газотурбинного двигателя, заключающийся в сжигании топлива в камере сгорания, замере параметров газа и продуктов сгорания, а также мощности газовой турбины или тяги двигателя, при которых определяется зависимость представляемая в виде прямых при T_к = const [2, стр.62, рис.27]. Это позволяет аппроксимацией линий и последующей интерполяцией вычислять функции двух переменных, преимущественно зависимость индекса выброса NO_x от среднего времени пребывания газа в камере сгорания при различной температуре воздуха за компрессором.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является определение уровня выбросов окислов азота NO_x при постоянной в окружном направлении температуре газов в жаровой трубе камеры сгорания, т.е. при T_к = const. Это снижает возможность известного способа проводить испытания и доводку камеры сгорания трубчато-кольцевого типа с различными параметрами и расходами газа в соседних жаровых трубах и не позволяет в кольцевых жаровых трубах иметь отличающиеся друг от друга по периметру жаровой трубы зоны горения богатых и бедных топливовоздушных смесей. В заявляемом способе такая возможность появляется вследствие постоянного суммарного расхода топлива, поступающего в испытываемую камеру сгорания газотурбинного двигателя, т.к. тепловая энергия сгораемой смеси, а следовательно, мощность, развиваемая газовой турбиной, или тяга двигателя во время замера параметров газа при этом не изменяются. Недостатком известного способа является также необходимость проведения испытаний для подтверждения норм выбросов окислов азота NO_x в термобарокамере, т.е. в условиях МСА (международной стандартной атмосферы), а это требует испытаний двигателя при большом числе значений T_к - температур газа в камере сгорания. В заявляемом же способе устраняется необходимость проведения сдаточных испытаний газотурбинного двигателя для подтверждения норм выбросов окислов азота NO_x в термобарокамере, т.к. позволяет путем аппроксимации линий и последующей интерполяции вычислять функции уже двух других переменных: , т.е. концентрацию окислов азота NO_x на выходе из двигателя при температуре и давлении, соответствующих условиям МСА, определять по концентрации окислов азота NO_x, замеренной при проведении сдаточных испытаний в любых атмосферных условиях.

У современных газотурбинных двигателей окислы азота NO_x составляют до 95% общего уровня токсичности, поэтому основное внимание уделяется уменьшению содержания окислов азота NO_x в отработанных газах.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в исследовании путей уменьшения выбросов NO_x при доводке ГТД и подтверждении норм выбросов при любых атмосферных условиях при сдаточных испытаниях за счет снятия характеристик различного семейства кривых в эксплуатационном диапазоне состава смеси и температур горения в камере сгорания при постоянной во время замера параметров мощности газовой турбины или тяги ГТД, а также в устранении необходимости проведения испытаний для подтверждения норм выбросов в термобарокамере.

Сущность технического решения заключается в том, что в способе определения уровня выбросов окислов азота NO_x газотурбинного двигателя, заключающемся в сжигании топлива в камере сгорания, замере параметров газа и продуктов сгорания, а также мощности газовой турбины или тяги двигателя, согласно изобретению по периметру жаровой трубы или в любой из жаровых труб камеры сгорания образуют отличающиеся друг от друга зоны горения богатых и бедных топливовоздушных смесей, обеспечивая постоянный суммарный расход топлива, необходимый для получения при его сжигании мощности газовой турбины или тяги двигателя рабочего диапазона, производят отбор продуктов сгорания перед турбиной, замеряя при этом температуру продуктов сгорания при давлении и температуре окружающего воздуха, определяют коэффициенты избытка окислителя и концентрацию NO_x по периметру жаровой трубы или в любой из жаровых труб, а затем вычисляют концентрацию NO_x на выходе двигателя при температуре и давлении, соответствующих условиям МСА - международной стандартной атмосферы, или при любой другой температуре и давлении по формуле

где MCA - международная стандартная атмосфера;
изм. - измеренная величина;
T_к - температура в камере сгорания;
P_к - давление в камере сгорания;
exp - экспоненциальная зависимость;
x, y, z - полуэмпирические коэффициенты, при этом x = 0,25...0,5; y = 115...450; z = 0,8...1,2;
α - коэффициент избытка окислителя, замеренный в точке отбора проб.

Обеспечение постоянного во время замера параметров суммарного расхода топлива для получения при его сжигании мощности газовой турбины или тяги двигателя рабочего диапазона, отбор проб продуктов сгорания перед турбиной, отбор проб газа из первичной зоны, а также замеры при этом температуры продуктов сгорания при давлении и температуре окружающего воздуха позволяет анализировать пробы на полноту сгорания и содержание вредных примесей, а пробы из первичной зоны - по составу и определить жаровые трубы или зоны горения жаровых труб с наилучшими параметрами горения и минимальными выбросами окислов азота NO_x, т.е. проводить доводку камер сгорания и двигателя. Это позволяет не определять при сдаточных испытаниях и пересчете концентрации окислов азота NO_x зависимость выбросов при конкретной температуре T_к, для составления которой требуется неоправданно большое число испытаний в условиях МСА, а в условиях доводки камеры сгорания неоправданно большое число испытаний в условиях МСА, а использовать зависимость функций двух других переменных с использованием полуэмпирических коэффициентов: разность T_изм. - T_МСА, отношения При этом полуэмпирические коэффициенты x, y, z не изменяются для данной жаровой трубы в зависимости от атмосферных условий, а определяются конструктивными параметрами, т. е. расходом топлива и воздуха, длиной "холодной" и "горячей" частей жаровой трубы, способом быстрого разбавления первичной зоны и другими отличающимися друг от друга параметрами.

Определением коэффициента избытка окислителя и концентрации окислов азота NO_x по периметру жаровой трубы или в любой из жаровых труб достигается вычисление концентрации окислов азота NO_x на выходе двигателя при температуре и давлении, соответствующих условиям МСА - международной стандартной атмосферы, при любой замеренной температуре газов в камере сгорания. Это объясняется постоянной во время замера параметров мощностью газовой турбины или тягой двигателя, обеспечиваемой постоянным во время замера параметров суммарным расходом топлива для всего двигателя и отличающейся друг от друга расходом топлива, инжектируемого в каждую жаровую трубу (трубчато-кольцевого типа).

На фиг. 1 - изображена зависимость P_к - давления в камере сгорания от Ne - эффективной мощности газовой турбины.

На фиг. 2 - зависимость α_кс кс - коэффициента избытка окислителя, замеренного в точке отбора по периметру жаровых труб или в любой из жаровых труб от Ne пр. - эффективной приведенной мощности газовой турбины.

На фиг. 3 - зависимость T_к - температуры в камере сгорания от Ne пр.

На фиг. 4 - зависимость от Ne пр., где
α_изм.- измеренный коэффициент избытка окислителя;
α_MCA - коэффициент избытка окислителя в условиях МСА;
- измеренная концентрация окислов азота NO_x.

На фиг. 5 - зависимость от Ne пр.

Способ осуществляется следующим образом. При сжигании топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя, замере параметров газа и продуктов сгорания, а также мощности газовой турбины или тяги двигателя по периметру жаровой трубы кольцевой или в любой из жаровых труб трубчато-кольцевой камеры сгорания образуют отличающиеся друг от друга зоны горения богатых и бедных топливовоздушных смесей, преимущественно за счет изменения соотношения количества подаваемого топлива и воздуха в первичную зону горения, а также количества вторичного воздуха, подаваемого в зону разбавления продуктов горения первичной зоны и в зону бедного горения. Обеспечивают постоянный во время замера параметров суммарный расход топлива, необходимый для получения при его сжигании мощности газовой турбины или тяги двигателя рабочего диапазона. Производят отбор продуктов сгорания перед турбиной и замеряют при этом температуру продуктов сгорания при давлении и температуре окружающего воздуха, см. фиг. 3, определяют коэффициенты избытка окислителя, см. фиг. 2, давление в камере сгорания, см. фиг. 1 и концентрацию окислов азота NO_x перед турбиной. При этом отбор проб продуктов сгорания перед турбиной позволяет анализировать пробы на полноту сгорания и на вредные примеси, а дополнительные пробы газа из первичной зоны - по составу, см. фиг. 4. Затем вычисляют концентрацию окислов азота NO_x на выходе двигателя при температуре и давлении, соответствующих условиям МСА, результаты испытаний приведены в таблице.

Источники информации:
1. Wessel A.B., Bredley J.E. "The design and development of an advanced annular combustor for civil application", - 2nd Internacional Simposium on Air Breathing Engines, 1974, March, Sheffield. (Реферат) (Проектирование и доводка камеры сгорания двигателя RB. 211-22) - УДК 621.438.001.2.

2. Канило П.М. и др. Энергетические и экологические характеристики ГТД при использовании углеводородных топлив и водорода. Киев, Наукова Думка, 1987 г., стр. 62, рис. 27 - прототип.

Способ предназначен для определения уровня выбросов окислов азота NO_x газотурбинного двигателя при доводке камер сгорания. Способ заключается в том, что по периметру жаровой трубы или в любой из жаровых труб камеры сгорания образуют отличающиеся друг от друга зоны горения богатых и бедных топливовоздушных смесей. При этом обеспечивается постоянный суммарный расход топлива, необходимый для получения при его сжигании мощности газовой турбины или тяги двигателя рабочего диапазона. Производят отбор продуктов сгорания перед турбиной, замеряя при этом температуру продуктов сгорания при давлении и температуре окружающего воздуха. Определяют коэффициенты избытка окислителя и концентрацию NO_x по периметру жаровой трубы или в любой из жаровых труб, а затем вычисляют концентрацию NO_x на выходе двигателя при температуре и давлении, соответствующих условиям МСА - международной стандартной атмосферы, или при любой другой температуре и давлении по формуле

где МСА - международная стандартная атмосфера; изм - измеренная величина; Т_к- температура в камере сгорания; P_к - давление в камере сгорания; ехр - экспоненциальная зависимость; х, у, z - полуэмпирические коэффициенты, при этом х = 0,25 ... 0,5; у = 115 ... 450; z = 0,8 ... 1,2; α - коэффициент избытка окислителя, замеренный в точке отбора проб. Такой способ позволит исследовать пути уменьшения выбросов NO_x при доводке ГТД, подтвердить нормы выбросов при любых атмосферных условиях при сдаточных испытаниях и устранить необходимость проведения испытаний для подтверждения норм выбросов в термобарокамере. 5 ил., 1 табл.

Способ определения уровня выбросов окислов азота NO_x газотурбинного двигателя, заключающийся в сжигании топлива в камере сгорания, замере параметров газа и продуктов сгорания, а также мощности газовой турбины или тяги двигателя, отличающийся тем, что по периметру жаровой трубы или в любой из жаровых труб камеры сгорания образуют отличающиеся друг от друга зоны горения богатых и бедных топливовоздушных смесей, обеспечивая постоянный суммарный расход топлива, необходимый для получения при его сжигании мощности газовой турбины или тяги двигателя рабочего диапазона, производят отбор продуктов сгорания перед турбиной, замеряя при этом температуру продуктов сгорания при давлении и температуре окружающего воздуха, определяют коэффициенты избытка окислителя и концентрацию NO_x по периметру жаровой трубы или в любой из жаровых труб, а затем вычисляют концентрацию NO_x на выходе двигателя при температуре и давлении, соответствующих условиям МСА - международной стандартной атмосферы, или при любой другой температуре и давлении по формуле

где МСА - международная стандартная атмосфера;
изм - измеренная величина;
Т_к - температура в камере сгорания;
P_к - давление в камере сгорания;
exp - экспоненциальная зависимость;
x, y, z - полуэмпирические коэффициенты, при этом
x = 0,25 ... 0,5; y = 115 ... 450; z = 0,8 ... 1,2;
α - коэффициент избытка окислителя, замеренный в точке отбора проб.