Сгорая, топливо выделяет тепловую энергию, благодаря которой работают газотурбинные двигатели. Для того, чтобы оно сжигалось хорошо, его нужно тщательно перемешать с воздухом. Подогрев помогает сделать это быстрее и эффективнее. Особенно это важно при использовании бедных смесей, в которых воздуха больше, чем топлива, из-за чего оно может сгореть не полностью, и двигатель будет работать хуже. Однако существующие методы подогрева приводят к выбросам углекислого газа и оксида азота, которые в больших количествах вредны для здоровья человека и окружающей среды. Ученые Пермского Политеха исследовали процессы, происходящие при подогреве топливного газа, и выяснили, что лучше делать это перед камерой сгорания двигателя — так выброс вредных веществ снизится на 24% для угарного газа.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», №79, 2024 год. Исследование выполнено в рамках реализации программы академического стратегического лидерства «Приоритет-2030».
В современном мире, где экологические проблемы становятся все более актуальными, ученые и инженеры активно ищут способы снижения вредных выбросов от газотурбинных двигателей. Одним из таких направлений является исследование низкотемпературного горения обедненных смесей — процесса, в котором топливо сжигается при относительно низких температурах и с большим избытком воздуха. Это позволяет снизить выделение вредных веществ, таких как оксиды азота, которые обычно образуются при высоких температурах. Однако при низких горение может быть менее стабильным и может увеличиваться выброс угарного газа.
Обычно готовую топливную смесь подогревают уже внутри камеры сгорания двигателя за счет температуры пламени. Есть исследования, в которых используют специальный пористый материал (обычно керамику или металл), он нагревается горячими газами в камере сгорания и передает тепло смеси, чтобы она лучше горела. Однако это может приводить к потерям давления и, как следствие, снижению эффективности горения. Поэтому проще организовать подогрев перед камерой, а не внутри, но этот способ недостаточно изучен.
Ученые Пермского Политеха выяснили, как подогрев топливного газа перед его подачей в камеру сгорания влияет на процесс сжигания и выбросы вредных веществ.
Политехники использовали экспериментальный стенд по исследованию характеристик горения обедненной смеси, куда подавались воздух и топливо. Для их нагрева использовали подогреватель мощностью до 50 кВт. Параметры регистрировались расходомерами, датчиками давления и температуры, а концентрацию вредных веществ определяли с помощью газоанализатора.
— Экспериментальные исследования показали, что подогрев перед камерой сгорания на 24% уменьшает выбросы угарного газа и немного (на 15%) увеличивает выбросы оксидов азота. Особенно этот эффект заметен при увеличении времени горения. Однако важно отметить, что уровень токсичных выбросов все равно остается значительно ниже, чем при высокотемпературном горении, которое используется в традиционных газотурбинных двигателях, — рассказывает Алена Шилова, старший преподаватель кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.
Кроме того, исследователи разработали модифицированные полуэмпирические выражения, которые позволяют более точно прогнозировать выбросы оксидов углерода и азота при низкотемпературном горении обедненных смесей. Эти формулы учитывают такие параметры, как температура топливного газа, давление в камере сгорания, объем камеры и время пребывания смеси в зоне горения. Подставляя нужные значения, инженеры смогут более точно моделировать процессы, происходящие в большем диапазоне температур.
Исследование ученых Пермского Политеха поможет сделать подогрев топлива для газотурбинного двигателя более безвредным и эффективным. Это важный шаг на пути к созданию экологичных энергетических установок, которые будут меньше влиять на окружающую среду.